《光学》 电子教案 涪陵师范学院 物理学及电子信息工程系 卢孟春 主要参考书:姚启钧《光学教程》第三版
《光 学》 电子教案 涪陵师范学院 物理学及电子信息工程系 卢孟春 主要参考书：姚启钧《光学教程》第三版
第0章绪论
第0章 绪 论
§0-1光学的研究内容和方法 、什么是光学(光学研究的内容)? 光学是普通物理学的重要组成部分是研究光的本性、光的传播和光与其它 物质的相互作用(如光的吸收、散射和色散,光的机械作用和光的热、电、化 学和生理效应等),以及光在生产和社会生活中的应用的一门基础科学 二、光学研究的方法 在观察和实验的基础上,对光学现象进行分析、抽象和综合,进 而提出假说,形成理论,并不断反复经受实践的检验 光学的分类 、几何光学:以光的直线传播为基础,研究光在介质中的传播和成象规律的学科。 2、波动光学:以光的波动性为基础,研究光的干涉、衍射和偏振现象和规律的学科 3、量子光学:以光的粒子性(量子性)为基础,研究光与物质的相互作用规律的 学科。 4、现代光学:以数学公式为工具,研究光现象和应用的学科。包括色差、象差理论 非线性光学,付里叶光学,光信息处理,光计算机,激光,全息术等
§0-1 光学的研究内容和方法 一、什么是光学（光学研究的内容）？ 光学是普通物理学的重要组成部分,是研究光的本性、光的传播和光与其它 物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化 学和生理效应等），以及光在生产和社会生活中的应用的一门基础科学。 二、光学研究的方法 在观察和实验的基础上，对光学现象进行分析、抽象和综合，进 而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。 三、光学的分类 以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播和成象规律的学科。 以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射和偏振现象和规律的学科 以光的粒子性（量子性）为基础，研究光与物质的相互作用规律的 学科。 1、几何光学： 2、波动光学： 3、量子光学： 4、现代光学：以数学公式为工具，研究光现象和应用的学科。包括色差、象差理论， 非线性光学，付里叶光学，光信息处理，光计算机，激光，全息术等
§0-2光学发展简史 萌芽时期:远古至十六世纪初 几何光学时期:十六世纪中叶至十八世纪初 光 学波动光学时期:十九世纪初至十九世纪末 量子光学时期:十九世纪末至二十世纪初 现代光学时期:二十世纪六十年代至今 远古1 21世纪轴 萌芽 几何光学 波动光学,A现代光学→ 过渡时期: 量子光学 直线传播占主导, 波动理论逐惭形成
萌芽时期： 远古至十六世纪初 几何光学时期：十六世纪中叶至十八世纪初 波动光学时期：十九世纪初至十九世纪末 量子光学时期：十九世纪末至二十世纪初 现代光学时期：二十世纪六十年代至今 远古 16 17 18 19 20 21 世纪轴 萌芽 几何光学 波动光学 量子光学 现代光学 过渡时期： 直线传播占主导， 波动理论逐惭形成 §0-2 光学发展简史 光 学
、萌芽时期:远古至十六世纪初 1、主要工作 对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究。制造了简单的光学 仪器(如平面镜、凸面镜、凹面镜、透镜、眼镜、暗箱和简单幻灯机)。 2、代表人物及成就: 景倒, A、墨翟:(公元前400公元前470年), 在午有 在他和其弟子所著的《墨经》中,对光现象有八条定性记载: (1)描述了影的定义与形成(2)说明光与影的关系 (3)描述针孔成象实验,说明光传播的直线性 (4)说明光有反射性(5)由物与光源的关系确定影的大小 (6)、(⑦)、(⑧)分别描述了平面镜、凹球面镜、凸球面镜中物与象的关系。 B、欧几里德:(公元前328公元前385年), 在其著作《光学》一书中提出触须学说:如下图所示 (1)正确反映了光的直线传播规律 (2)错误:人眼能发出光线
A、墨翟：（公元前400—公元前470年）， 在他和其弟子所著的 《墨经》中，对光现象有八条定性记载： ⑴描述了影的定义与形成 ⑵说明光与影的关系 景倒， 在午有端 一、萌芽时期：远古至十六世纪初 对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究。制造了简单的光学 仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜、透镜、眼镜、暗箱和简单幻灯机)。 2、代表人物及成就： ⑴正确反映了光的直线传播规律 ⑵错误：人眼能发出光线 ⑶描述针孔成象实验，说明光传播的直线性 ⑷说明光有反射性 ⑸由物与光源的关系确定影的大小 ⑹、⑺、⑻分别描述了平面镜、凹球面镜、凸球面镜中物与象的关系。 B、欧几里德：（公元前328—公元前385年）， 在其著作 《光学》一书中提出 触须学说：如下图所示 1 、主要工作：
、几何光学时期:十六世纪中叶至十八世纪初 、主要工作 几何光学时期是光学发展的转折点,系统研究了光现象和光学仪器, 建立了直线传播定律、反射定律、折射定律;提出了费马原理、光程、 光强、颜色等概念,并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象,建立、巩固 和发展了牛顿微粒学说。同时,波动理论开始盟芽。 2、代表人物和成就: A、费马:提出了几何光学的基本原理—费马原理,由它可导出直线传播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。 B、牛顿:建立了光是微粒流的微粒学说,进行了白光通过棱镜的实 验,提出了光谱、光强、颜色等概念,观察并研究了牛顿环 C、琼森和李普塞:发明并制造了世界上第一台望远镜 D、冯特纳:发明并制造了世界上第一台显微镜。 整个十八世纪,牛顿微粒学说占据着统治地位,同时惠更斯波动理 论的提出和相继出现的干涉、衍射和偏振现象对微粒学说提出了挑战, 两种理论各自发展,同时又相互斗争,从而形成了从几何光学向波动光 学的过渡时期
二、几何光学时期：十六世纪中叶至十八世纪初 几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器， 建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、 光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固 和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。 2、代表人物和成就： A、费马：提出了几何光学的基本原理—费马原理，由它可导出直线传播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。 B、牛顿：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实 验，提出了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环。 C、琼森和李普塞：发明并制造了世界上第一台望远镜。 D、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜。 整个十八世纪，牛顿微粒学说占据着统治地位，同时惠更斯波动理 论的提出和相继出现的干涉、衍射和偏振现象对微粒学说提出了挑战， 两种理论各自发展，同时又相互斗争，从而形成了从几何光学向波动光 学的过渡时期。 1、主要工作：
三、波动光学时期:十九世纪初至十九世纪末 主要工作 建立了光的波动理论,园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象;通过 迈克尔逊干涉仪否定了“以太”的存在;提出并证实了光的本质就是电磁 波、代表人物和成就: A、惠更斯:光的波动理论的创始人,提出了“光是‘以太’中传播的波动” 理论和 B、衿煆要斯利用鲤解點戲赑完 成了著名的杨氏双缝干涉实验,并第一次成功地测定了光的波长。提出了 光是横波的假设 C、菲涅耳( AJFresnel):利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理而提出了惠更斯 菲涅耳原理,园满解释了光的直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式 D、马吕斯( EL. Malus):发现了光的偏振现象,建立了马吕斯定律,研究 了偏振光的干涉 E、迈克尔逊( A. A. Micheson):设计了迈克尔逊干涉仪,并用其否定了“以 太”的存在,结合麦克斯韦电磁场方程组提出了光的电磁理论
三、波动光学时期：十九世纪初至十九世纪末 建立了光的波动理论， 园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过 迈克尔逊干涉仪否定了“以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁 波2、代表人物和成就： A、惠更斯：光的波动理论的创始人，提出了“光是‘以太’中传播的波 动” 理论和 次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反射、折射定律和双折射现象。 B、杨氏（T.Young）：最先利用干涉原理解释了白光下的薄膜颜色，设计并完 成了著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了 光是横波的假设。 C、菲涅耳（A.J.Fresnel）：利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理而提出了惠更斯- 菲涅耳原理，园满解释了光的直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式。 D、马吕斯（E.L.Malus）：发现了光的偏振现象，建立了马吕斯定律，研究 了偏振光的干涉。 E、迈克尔逊（A.A.Micheson）：设计了迈克尔逊干涉仪，并用其否定了“以 太”的存在，结合麦克斯韦电磁场方程组提出了光的电磁理论。 1、主要工作：
四、量子光学时期:十九世纪末至二十世纪初 1、主要工作: 发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点,建立了光的量子理论, 园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象;提出了光的波粒二象性 2、代表人物和成就 A、普朗克( MK Planck):提出了辐射的量子理论,园满解释了黑体辐射,开 创了量子光学时期 B、爱因斯坦(A. Einstein):提出了光量子理论,建立了爱因斯坦光电效应方程, 园满解释了光电效应现象;提出了光的波粒二象性;建立了狭义相对论并独立 否定了“以太”的存在 五、现代光学时期:二十世纪六十年代至今 自1960年梅曼制成第一台红宝石激光器,光学进入了新的发展阶段,激 光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光计算机的设想、红外波段 的应用、使光学理论普遍进入人们的生产和生活中,并以崭新的面貌出 现,同时,光学与其它学科紧密结合、相互渗透,形成了新的边缘学科,使 其成为现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地。 参考书目:1、《光学》母国光战元龄 2、《普通物理教程一光学》易明
四、量子光学时期：十九世纪末至二十世纪初 发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点， 建立了光的量子理论， 园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象；提出了光的波粒二象性。 2、代表人物和成就： A、普朗克（M.K.Planck）：提出了辐射的量子理论，园满解释了黑体辐射，开 创了量子光学时期。 B、爱因斯坦（A.Einstein）：提出了光量子理论，建立了爱因斯坦光电效应方程， 园满解释了光电效应现象；提出了光的波粒二象性；建立了狭义相对论并独立 否定了“以太”的存在。 1、主要工作： 五、现代光学时期：二十世纪六十年代至今 自1960年梅曼制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的发展阶段，激 光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光计算机的设想、红外波段 的应用、……使光学理论普遍进入人们的生产和生活中，并以崭新的面貌出 现，同时，光学与其它学科紧密结合、相互渗透，形成了新的边缘学科，使 其成为现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地。 参考书目：1、《光学》 母国光 战元龄 2、《普通物理教程—光学》 易明
第一章光的干涉 主要内容 通过光的干涉现象和实验事实来揭示 光的波动本性。介绍几个典型的干涉装置 和几个重要概念
第一章 光的干涉 主要内容 通过光的干涉现象和实验事实来揭示 光的波动本性。介绍几个典型的干涉装置 和几个重要概念
教学目的: 牢固掌握光的相干条件;理解空间相干性和时间相 干性概念;了解两种干涉仪器的原理 内容分析: 第一单元(§1~§6):关于光的波动本质的 些重要实验证据及解释。 第二单元(§7~§8):薄膜的等倾、等厚干涉 第三单元(§9~§11):干涉仪的基本原理及干 涉现象的一些应用。 重、难点:1相干叠加条件; 2薄膜干涉,尤其是等厚干涉中近似结果的理解 及不同条件下产生的不同形式的条纹
教学1目, 的： 牢固掌握光的相干条件；理解空间相干性和时间相 干性概念；了解两种干涉仪器的原理。 内容分析： 第一单元（§1～§6）：关于光的波动本质的一 些重要实验证据及解释。 第二单元（§7～§8）：薄膜的等倾、等厚干涉。 第三单元（§9～§11）：干涉仪的基本原理及干 涉现象的一些应用。 重、难点：1 相干叠加条件; 2 薄膜干涉，尤其是等厚干涉中近似结果的理解 及不同条件下产生的不同形式的条纹