光的波动本性的确认

华南师范大学 光学发展与人类文明通识选修课 第七和第八单元思维导图，希望这份脑图会对你有所帮助。

光的波动本性的确认

• 早期微粒说和波动说的对立
  • 牛顿的微粒说观点
    • 参考
      • 经典力学小球运动模型
    • 观点
      • 光是由发光物体发出的机械微粒流
        • 光是按力学规律直线飞行的微粒流
        • 光具有直线传播的性质
      • 光粒子流不断向周围空间发射、并在真空或均匀媒质中做高速直线飞行的惯性运动
    • 对光现象的解释
      • 视觉机制
        • 发光物体射出的以直线运动的微粒子流冲击视网膜从而形成视觉
      • 光的颜色
        • 牛顿通过反复探索完成了太阳光分光实验，明确了太阳光（白光）的复色光本性
        • 白光：是由不同颜色的光组合而成的
        • 复色光的分解：不同颜色微粒被分开 单色光的复合：不同颜色微粒混合在一起
      • 反射与折射共存
        • 参考了玻璃面和水面如何部分反射、部分折射的问题，提出了由无处不在的以太传递给粒子的“痉挛”理论
        • 以太被压缩→粒子被反射 以太稀疏→粒子被折射
    • 牛顿吸收了早期波动理论中以太存在的假定，压缩和稀疏的纵波理念等。 牛顿倾向于微粒说，但没完全否定波动说。
    • 牛顿的困惑
      • 牛顿环、薄膜的颜色（1675年）——光的干涉条纹
        • 认识光的周期性，以“微粒说＋以太振动”做解释
      • 光的独立传播特性
        • 两束光的粒子空间相遇，必然发生碰撞，会导致各自的传播方向发生改变
    • 1704年《光学》
      • “关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”
      • 从实验装置、实验方法和观测结果方面做详细分析
  • 早期的波动说观点
    • 笛卡尔，1644，《哲学原理》
      • 引用了古希腊时期亚里士多德的观点
      • 认为整个宇宙充满以太这种媒质，是完全弹性的、充满一切空间、特殊的易动物体
      • 认为光本质上是一种压力，在以太中传递，传递的速度无限大
      • 困境
        • 无法解决光为什么不像声波、双折射的问题
    • 胡克的水波模型
      • 光是一种类似水波的某种快速脉冲振动
      • 只是把水波和光波二者作了简单的类比，但对于光波的振动方向和传播方向的理解是模糊的
    • 惠更斯原理
      • 基于以太纵波模型、次波模型建立的
      • 发展了胡克的思想，他把光振动理解为形如声波的以太纵波，光是在以太媒质中的弹性脉冲
      • 惠更斯基于胡克水波横波模型、建立在实验基础上的光速有限计算结论等，发展了光的以太纵波理论，建立起以太粒子的振动模型。所创立的基于次波和波阵面传播的惠更斯原理，对后期波动说发展产生了深远的影响
      • 波面传播→定性解释反射、折射、衍射等现象
      • 1678年，关于光的理论论文，法国科学院
      • 局限性
        • 缺乏数学基础，定性模型及解释
        • 纵波模型，不能解光的偏振现象
        • “以太”的存在
        • 未建立周期、位相等概念，不能解释干涉、衍射现象
      • 为后世托马斯杨和菲涅尔的研究作铺垫
    • 区别横波、纵波的概念
      • 横波：传播方向与振动方向垂直
      • 纵波：传播方向与振动方向水平
• 中期波动说的发展
  • 干涉
    • 典型干涉现象
      • 两个不同光源的波动，联合效应是每一种光的运动的合成
    • 托马斯杨 干涉理论
      • 实验条件：两光源接近同向
      • 实验关键：两部分光必须发自同一光源
      • 实验现象：光的最强、最弱区域间隔分布
    • 双缝干涉实验（1807年）
      • 条件
        • 一束单色光
          • 两个同源、近同向子光源
        • 接收屏
          • 两束光的空间叠加→宽度近于相等的若干明暗带
            • 亮纹
            • 暗纹
    • 干涉原理： 同源、近同向的子光源，光程差、明暗条纹分布，条纹宽度与颜色相关
    • 菲涅尔 双面镜干涉实验
      • 双光束的产生与小孔或边界无关，避开衍射问题
      • 区分干涉、衍射
  • 衍射
    • 格里马第的衍射发现
      • 菲涅尔论文（1815年10月）
        • 阿拉果阅读论文后改信波动说
        • 经阿拉果牵线，菲涅尔和杨合作研究波动理论
      • 光的直杆衍射
        • 光的圆孔衍射
        • 光线绕过障碍物边缘的现象
    • 菲涅尔-惠更斯原理
      • 加强数学分析
        • 物理模型统一数学分析
      • 吸取惠更斯原理、次波概念
        • “次波相干叠加”——衍射的统一描述
      • 可处理光穿过障碍物发生衍射的问题
    • 泊松亮斑
      • 圆盘衍射
        • 圆盘后面的影子中心出现亮点
      • 阿拉果帮助证明菲涅尔的理论及圆盘衍射的结论正确
      • 波动说：阶段性反转胜利
      • 定量计算、实验验证
  • 偏振
    • 双折射现象
      • 发现者：巴塞林纳斯（1669年，丹麦）
      • 寻常折射（o光，ordinary ray）
        • 形成随晶体转动固定不动的像
        • 遵循折射定律
          • 折射定律 n sin(i)=n' sin(r)
      • 非寻常折射（e光，extraordinary ray）
        • 形成随晶体转动变换位置的像
        • 不遵循折射定律，通常不在入射面内
      • 双折射成为既干涉和衍射后出现的又一光学新现象，如何合理解释再次成为微粒说和波动说理论共同面临的考验。
      • 马吕斯 基于光的微粒说的解释
        • 光是具有特殊侧面的粒子流
          • 双像：源于不同取向的光粒子的传播方向不同
          • 双像之一消失：源于晶体方向性对不同取向的光粒子的选择性
        • 马吕斯的解释有力支持了微粒说理论
      • 菲涅尔 基于光的波动说的研究
        • 双折射形成的双光束 同源但无法实现干涉
        • 同源光束的非相干原因成为菲涅尔和阿拉果的合作研究议题
    • 偏振概念
      • 1817年，托马斯杨研究光的振动模型
        • 历史上第一次明确提出光的偏振概念
      • 光的偏振指的传播光的媒质粒子的振动方向，后人定义光的偏振方向与传播方向垂直。
      • 检验：菲涅尔&阿拉果：相反偏振光的非干涉行实验验证
      • 光的横波性
        • 助理波动说和电磁场理论
    • 偏振片应用
      • 兰德（美国） 1932年发明
      • 原理：嵌入长链分子的塑料受拉伸可整齐排列
      • 特性：振动方向平行于偏振片透振方向的光才能通过
      • 偏振选择性的应用：削弱非透振方向的杂散光，获得清晰视野，改善画质
      • 示例
        • 偏光眼镜（偏光式立体眼镜）
          • 原理：物体在双眼视网膜各自成像，成像位置、夹角略有不同 双眼视差，大脑形成立体视觉
        • 相机的偏振滤镜
• 后期电磁场理论的建立
  • 电磁场理论的统一
    • 麦克斯韦方程组
      • 建立
        • 1865年，麦克斯韦提出，最初形式含20个等式、变量，相对繁杂
        • 1884年，奥利弗和约西亚上述等式简化为4个积分方程
        • 赫兹给出四个积分方程的微分形式
      • 物理内涵
        • 以近乎完美的方式统一了电和磁的关系
          • 电场强度E、磁感应强度B的统一
        • 描述经典电磁学的所有问题
        • 高斯电场定律描述的是电荷与所产生静电场分布之间的问题，静电场是有源场。 高斯磁场定律描述的是静磁场的分布问题，静磁场是无源场。 法拉第电磁感应定律描述了时变磁场可以产生电场的问题。 安培-麦克斯韦定律描述了由传导电流、时变电场都可以产生磁场的问题。
  • 基于麦克斯韦方程组求解真空中的电磁波特性
    • 电场、磁场分量的波动形式
      • 电磁场以波动形式传播
    • 真空中电磁波速度等于光速
    • Maxwell方程组
  • 相关实验证明
    • 磁致旋光
      • 内涵
        • 法拉第，1846年
        • 现象：沿光的传播方向对介质施加磁场，光的偏振方向会发生旋转。
      • 科学意义
        • 证实了磁对光产生作用，二者可在同样介质中共存。
      • 光与磁的相关性
    • 电磁波实验
      • 内涵
        • 赫兹，1879年
        • 验证电磁波的存在
          • 利用不同材料进行实验验证
        • 电磁波速度的测量
        • 电、磁、光的统一
        • 电磁波的反射、折射、衍射和偏振等
      • 科学意义
        • 验证光和电磁波的同一性