光学史上的一段佳话

 光既具有波动性,又具有粒子性,如今这早已是众所周知的事实。可是,在光学发展之初,光所具有的这种波粒二象性却由于两个学派的争论而处于对立之中。当时,人们对光的本性还没有统一的认识,归纳起来大致有两种学说,一种是以牛顿为代表的微粒说,一种是以惠更斯为代表的波动说。牛顿的微粒说,主要是根据光的直线传播特性,认为光是一种微粒流,微粒从光源中飞出,在均匀物质内按照力学定律做等速直线运动。这种观点较好地解释了光的折射和反射定律。惠更斯是光的微粒说的反对者,他创立了光的波动说。１６９０年他在《论光》一书中写道：“光同声一样,是以球形波面传播的,这种波同把石子投在平静的水面上激起的波相似。”     

光程与光程差概念在波动光学教学中的应用

 光学是物理学的重要组成部分，波动光学又是光学中更为重要的部分，其内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等。这部分内容，无论是在理论上还是在应用上，都在物理学中占有重要的地位。正因为此，光学，特别是波动光学，是大学物理专业的主干课程。学生在学习这门课程时，往往感到内容抽象、公式繁杂、不易掌握。究其原因，主要是因为学生在学习这些内容时常常将每个知识点孤立起来学习和应用。实际上，以“光程与光程差”为主线，将波动光学的主要内容--光的干涉、衍射和偏振等贯穿起来进行讲解，具有简洁、直观和逻辑性强的特点，便于学生掌握相关知识、提高学习效率。下面，我们先引入光程、光程差和位相差等概念，然后讨论它们在波动光学教学中的应用，最后指出为什么作为几何光学物理量的光程与光程差可用来描述原本只能用光的“波动说”才能解释的物理现象。     

推动波动光学发展的几个重要实验

17世纪，胡克和惠更斯创立了光的波动说．这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象，例如格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播，他把此现象起名为“衍射”．胡克和玻意耳分别通过实验观察到现称之为牛顿环的干涉现象．这些发现成为波动光学发展史的起点．在随后的一百多年间，牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，     

一篇教学参考的好文章——简评“光学史上的一段佳话”

 今年第3期的《现代物理知识》上登载了黄艳华同志的“光学史上的一段佳话”。这篇文章对大学基础物理的光学教学极有参考价值,它清楚地说明一个历史事实,即菲涅耳在解释光的衍射现象时独立地提出了光的干涉原理,而不是国内外有些文章和书中所误传的那样:菲涅耳在提出如今称之为惠更斯-菲涅耳衍射原理时已经获悉杨氏干涉原理。近年来在国内的一些文章和教科书里时时出现上述的误传。例如,1999年《物理》第3期登载了题名为“托马斯杨与杨氏干涉实验”的文章,文中写道:“难怪有人说:杨是一位辛勤的播种者,而菲涅耳则是一个坐享其成的收获者”。     

邮票上的物理学史(44)——波粒二象性

在经典物理学中 ,辐射场和实物是完全不同的实体 .场是连续的波动 ,而实物是由分立的粒子组成的 .在 2 0世纪的前 2 5年中 ,这个界线模糊了 .人们发现 ,辐射场具有粒子性 ,而实物粒子也具有波动性 ,二者走向更高的统一 .先看场的粒子性 .光的本性是一个由来已久的争论 .在 1 7世纪 ,笛卡儿和牛顿坚持粒子说 ,而胡克和惠更斯则坚持波动说 .到了 1 9世纪 ,通过干涉实验和杨、菲涅耳、阿喇果等人的工作 ,确立了光是太中的横波 .1 86 5年 ,麦克斯韦预言了电磁波 .1 888年 ,赫兹用实验确证了电磁波的存在 ,其波速和各种性质均与光波相同 ,从而表…     

“微粒说”对光的折射现象的解释

关于"光的本性",在物理学的发展历史中曾经历过"微粒说"和"波动说"的激烈争论.以牛顿为代表的"微粒说"理论认为:光是微粒;而以惠更斯为代表的"波动说"理论则认为:光是波.在1801年托马斯·杨完成"光的双缝干涉"实验挽救了光的"波动说"理论的颓势之前,在关于"光的本性"的激烈争论中,"微粒说"理论略占上风.     

波动光学的艺术诠释——印象派绘画

 关于光的本性的讨论, 从1801 年托马斯·杨（Thomas Young 1773～1829）的双缝实验到1863年麦克斯韦的电磁波（包含可见光）理论, 光的波动说逐渐占据了主导地位。几乎与“光的科学”同步发展起来的是“光的艺术”（optic art）--西方绘画, 在19 世纪中期的欧洲出现了一个重要流派--印象派。如果从1858 年莫奈（Claude Monet, 1840～1926）的《日出印象》算起, 大约在欧洲画坛该画派占据了近60 年的主导地位。这里不仅仅是个时间上的耦合, 更重要的是波动光学的理念和普及为印象派绘画的创作与被认可, 提供了充分的理性基础和群众基础。     

光纤在通信领域中的应用

 能够传播光的纤维丝称作“光导纤维”,简称“光纤”。信息高速公路就是以现代通信技术和计算机网络为基础,用大容量的光纤作为铺“路”材料,集话音、数据、图像和文字为一体的多媒体信息源为“车”,这些“路”和“车”便构成了“信息高速公路”。对光纤的研究、开发和利用,是以物理学为基础,经过对光传播的研究、光谱的分析、材料的筛选、以及半导体激光器和光电检测器件的研制,在通信领域取得了成功,是物理学和无线电通信的完美结合。 一、光纤的问世 通光的材料和结构对于光信号的通过能力有一定的影响,这就是我们常说的损耗。光纤损耗的主要原因在于玻璃中含有过度金属离子以及拉丝工艺。     

物理学史中的七月——1816年7月:菲涅耳对于光波动理论的证据

 光是粒子还是波，此问题几世纪来科学家的看法纷歧，直到20世纪初。牛顿持前一个论点，主张“微粒”说。但到了19世纪初，波动理论东山再起，部份归功于一位法国土木工程师菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）所做的研究。     

惠更斯-菲涅耳原理及其发展

惠更斯-菲湼耳原理是波动光学的基本原理,是研究衍射現象的理論基础。在普通物理光学部分的教学中占据着重要的地位。闡明惠更斯-菲湼耳原理的精神实貭和它的局限性、說明它在波动光学中的地位是教学中的重要課題。本文将参照历史的順序,扼要地闡述惠更斯-菲湼耳原理及其发展,并尽可能地給予物理上的說明。(一)惠更斯-菲湼耳原理关于光的本性,在十七世紀曾經引起著名的微粒說和波动說的爭論。以惠更斯为代表的波动說,认为光是以太的波动,光的传播是以太运动的传播,而不是以太貭点的迁移。关于光     

触动我心灵的物理学家——拉曼

 像许多人一样, 以前我对物理学家拉曼和他所作的贡献并不了解, 但我在物理教学中的一次失误让我时常想到拉曼, 想起这位亚洲第一位诺贝尔奖获得者。在几年前的一堂物理课上, 当学完初中教材中“光的散射”一段阅读材料后, 一位学生向我提出问题:“天空是蓝的原因是由于光的散射, 海水为什么也是蓝的?”而我的解释令我懊悔至今, 因为我把海水呈蓝色的原因说成是反射了天空的颜色造成的。我给了学生一个错误的结论, 更失去了一次引导学生进行科学探究的好机会。     

双光束干涉中偏振态分布的演示实验

光的干涉现象是波动过程的基本特征之一,是波动光学研究的主要内容.相干条件说明光波的偏振态对光的干涉效应有影响.为了让学生更好地理解光的干涉过程中偏振态的影响,本文设计了一种全息记录光路,利用一种对激发光偏振态敏感的偶氮染料样品,演示了样品经过不同偏振的两束特定波长写入激光作用后,可以观察到写入光和探测光的衍射现象.这些衍射现象说明样品中可以形成的不同类型的折射率光栅,而这些折射率光栅来源于样品表面不同偏振态的周期分布导致的染料分子的周期取向分布,从而形象地说明了光的干涉过程中相位差的重要性,有助于学生对光的干涉的深入理解.     

走向统一的自然力爱因斯坦：试图统一电磁力和引力未能如愿(Ⅱ)

 19 世纪末,以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为代表的经典物理学渐趋完善,著名英国物理学家汤姆孙(W. Thomson,1824～1907)甚至认为:“未来物理学将不得不在小数点后第六位去寻求真理。” 他在1900 年末为展望20世纪物理学而写的一篇文章中说:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”     

殊途同归的光本性之争

 很久以来,人们对光就进行了各种各样的研究。光的本性到底是什么,这个问题长久以来困扰了很多有智之士。光的波动说笛卡儿（R.Descartes,1596～1650）就光的本性问题,在1637年提出两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用,但他的这两种假说为17世纪的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。17世纪中期,意大利的格里马第（F.Grimaldi,1618～1663）首先注意到衍射现象,这是光的波动理论的萌芽。     

光梳与光钟

 2005年10月4日,在光学领域的理论和应用方面做出卓越贡献的3位科学家荣获诺贝尔物理学奖。美国的罗伊·格劳伯因为对光学相干的量子理论的贡献而获得奖金的一半,美国约翰·霍尔和德国的特奥多尔·亨施因为对激光精密光谱学发展做出的重要贡献而分享另一半奖金。格劳伯早在1963年就通过自己先驱性的工作,提出了“相干性的量子理论”,不仅解决了一些基础性问题,而且也为一门全新的学科---量子光学的创立奠定了基础,他也因此被誉为“量子光学之父”。而霍尔和亨施则在利用激光进行超精密光谱学测量方面成就斐然,尤其是为完善“光梳”技术做出了重要贡献。     

红外夜视技术及其军事应用

 红外线是人眼看不见的一种光波,它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射,是一种电磁波,波长比红光更长,其突出的特点是热作用。“红外线”也称“红外辐射”,波长在0.75～1000μm,是个相当宽的区域,且这种辐射都载有物体的特征信息,这就为探测和识别各种目标提供了客观基础。红外线具有与可见光类似的特性,如反射、折射、干涉、衍射和偏振,同时,又具有粒子性,即它可以以光量子的形式发射和吸收,这已在康普顿散射、光电效应等实验中得到了充分的证明。不同波长的红外线在传输过程中能量衰减程度有很大的差别,能透过大气的红外线主要有3 个波段,即1～2.5μm、3～5μm 和8～14 μm,这3 个波段称为“大气窗口”,所有红外仪器都工作在这3 个波段内。     

晶体的连续双折射双反射及其集成应用:1×N电光开关

根据惠更斯定理 ,给出了单轴晶体内双折射与全内双反射的光线方向和光波法线方向的普遍公式。并讨论了在晶体内沿多个面的连续双折射双反射 ,分析了前一界面输出量和后一界面输入量之间的联系 ,得到多次双折射双反射后的光线方向和光波法线方向。在此基础上 ,提出一种单块晶体集成的 1×N电光开关 ,即把多个电光调制器安置在全反射面之间。由于双折射效应 ,寻常光和非常光有不同的全内反射 ;给不同的电极对上加上半波电压改变输入光的偏振状态 ,再使光通过不同数目的反射面反射 ,最后输出光就有不同的角度。具有结构简单、插入损耗小、抗干扰性强等优点。给出了 1× 4光开关的实例。     

开窗放入大江来——新春寄语

 想起了宋代诗人曾公亮七绝《宿甘露僧舍》,那诗言道:“枕中云气千峰近,床底松声万壑哀.要看银山拍天浪,开窗放入大江来.”好一个“开窗放入大江来”!《现代物理知识》杂志,我们心中的圣地.谢希德说她是本“老少读者都欢喜的一本刊物”;王淦昌说她“对于我有很大的好处”;冯端说她的“科学性是有保证的”;赵忠贤说她“生动活泼,可读性强”;朱重远说她是“了解物理各分支领域的知识及进展的主要渠道”;施士元说她“能面向实际,面向世界,面向未来”;卞毓麟说她“能在科学上给不同层次读者以‘实惠’的刊物”;钱临照说她是“我国物理类型的好书”;廖山涛说她“读起来给人以享受”;于敏说她“对拓宽物理学工作者知识面和培养年青一代都会起良好作用;”卢鹤绂说她“是联系我国物理学界的纽带,”…….     

超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅴ)

 在自然力“走向”统一的过程中,对力的认识,经历了三次飞跃：第一次,从“定性”到“定量”,即从墨翟的“力,形之所以奋也”到牛顿的“力与运动的改变成正比”,也就是说,从对自然现象的观察、描述到实验、理论研究,其间,伽利略通过斜面实验来研究落体运动并第一次用数学公式来表述物体的运动规律,随后开普勒借助第谷的观测资料发现了行星绕日运动三定律,为牛顿发现力学三定律和万有引力定律、创建经典力学,奠定了实验和理论基础。     

流体涡旋漫谈

 涡旋(vortex,过去曾译为“旋涡”,现依据全国自然科学名词审定委员会公布的《力学名词》,译为“涡旋”.)是流体团的旋转运动(见《中国大百科全书·力学卷》495 页).近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特(L.Prandtl)的学生、空气动力学家屈西曼(D.Küchemann) 曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱.”这句话是流体力学中的至理名言,深刻概括了涡旋在流体运动中的作用.普朗特的另一位学生、北京航空航天大学陆士嘉教授则更进一步地指明“流体的本质就是涡,因为流体经不住搓,一搓就搓出了涡.”这句话既道出了流体与固体的本质区别,又点明了流体运动中出现涡旋的原因.这里的“搓”,是指作用在流体上的剪切力.只要有物体(如飞行器、船舰、汽车、火车等)在流体中运动,紧贴在物面上的流体由于黏附在物面上,会被物体带着一起运动,而远处的流体却在静止中,这就产生了对流体发生“搓”的剪切力.