2022-2023学年高二物理竞赛课件：光学总论

光学总论 2 光学总论 §光学史 光学是人们对光进行研究和应用的科学。 首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、凹面镜取火（《周礼·考工记》，周朝）等。到了公元前400年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》，先秦。“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。”）、平面镜和球面镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学教科书的传统内容已十分丰富。 午：遮光屏；端：小孔；与：针孔的位置与投影大小的关系；景：影或像。 2 3 其次，它又是一门朝阳学科。自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。 人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点――微粒说和波动说。 4 微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。 其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。 微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。 5 波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。 其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。 波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。 遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。 5 6 加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。 直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。 7 麦克斯韦（Maxwell)理论，赫兹(H. R. Hertz）实验。 至此，人们以为最终认识了光的本质。 本世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说失败。“两朵乌云” 1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新提出光的粒子性概念――光子，光波同时具有波和粒子的双重性质；1924年，（Louis　Victor de　Broglie）提出“物质波”假说，一切物质都具有波粒二象性。 8 光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。 60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大显身手。 9 电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论，它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。 10 在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法： 经典方法:麦克斯韦方程描述场 + 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。 半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + 量子力学方法处理原子与光场的相互作用。（如最常用的Maxwell-Bloch方程）。 全量子方法：场进行量子化 + 原子在场中的行为也用量子力学方法处理（Janes-Cummings 模型）。 11 几个基本概念： 倒三角算符为矢量（哈密顿算符），具有微分运算功能， 在直角坐标系中定义为： a)标量场(x,y,z)的梯度为： 物理意义：标量场(x,y,z)的梯度为矢量，方向为场量变化最大的方向，大小为场变化最大方向的变化率 12 b) 矢量场A的散度为： 矢量场A的散度为标量； 散度定理（Gaussian 定理）：(A)在体积V内积分等于矢量A穿过包围体积V的封闭曲面S的净通量 � ��������� ��������� ��������� ��������� $