复旦大学 大学物理 光学1_2_2015

光学1光学导言1.1光学发展简史 1.2波动的数学描述 1.3费马原理

作业： 1.2,1.5

光学1.1光学发展简史I光学的早期发展小孔成像(公元前400年，《墨经》)几何光学 (反射，折射，等，17世纪)基本问题：光是什么？微粒说(牛顿)---光由微粒组成。反射，折射…波动说(惠更斯)--光是一种波干涉，衍射

II

惠更斯原理

1.波的形象描述：波线波射线(波线)由波源出发，沿波传播方向带有箭头的线波的传播方向

波面

波前

波阵面(波面)t时刻振动相位相同的点组成的面称为波阵面

波前:传播在最前面的波阵面

性质(1)同一波阵面上各点振动状态相同. (2)波阵面的推进即为波的传播.

(3)各向同性介质中，波线垂直于波阵面.

分类(1)球面波(2)平面波

2.波的特征量u 注意

, T ( ), u波长，周期，波速

T

1 T

周期或频率只决定于波源的振动波速只决定于媒质的性质波长与波源和媒质均有关

3.惠更斯原理介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前.

u t平面波球面波R1O

R2

*波的反射和折射NI界面

i irA2

'

L

反射定律 1)反射线、入射线和界面的法线在同一平面内； 2) i i '用惠更斯原理证明.Nd

R N A3

N

L B2d 3

N

i I i A1 d i A B1 B2 B3

I

i

i

d 3 i

A

B1 B2 B3

时刻 t

时刻 t+△t

波的折射N I界面

i ir

'

L

R N

1)折射线、入射线和界面的法线在同一平面内； sin i v 2) sin r v用惠更斯原理证明.1 2

N A2 A3

N I A B1 B2rB r

N B3ⅠⅡr

i I i A1 dⅠ i A B1 B2 B3Ⅱ时刻 t

R时刻 t+△t

NA2 A3

NI A

NB1 B2rB r

NB3ⅠⅡr

i I i A1 dⅠ i A B1 B2 B3Ⅱ

R

A B v t3 3 1

时刻 t

AB v t2

时刻 t+△t

A3 AB3 i

BB3 A r3 3 1

sin i AB v所以 sin r AB v

2

波动说的决定性胜利杨氏双缝干涉实验

菲涅尔衍射斑In 1819, Fresnel submitted a paper on his theory of diffraction

One of the member of the Academy, Poisson (a strong opponent of the wave theory of light), ridiculed Fresnel’s theory because, as Poisson himself showed, Fresnel’s theory led the“absurd” prediction that the shadow of an opaque object should have a bright spot at its center.

III光学的现代发展现象：黑体辐射，光电效应，…理论：辐射的量子论(普朗克),光子理论(爱因斯坦)光的波粒二象性 ---量子力学，狭义相对论

激光，傅立叶光学，非线性光学，集成光学….

光学1.2波动的数学描述I.波长和光强

介质折射率:光在真空中的速率(c)与介质中的速率(u)的比值

c n u光在介质中的波长:

u

n c n

r r

光在介质中的频率与在真空中的相同.

光强：单位时间通过单位垂 I 1 2直面积的平均能量 S E H

0 r 2 E 0 r

光矢量 E:引起视觉和感光作用光强

I E0

2

相对光强： I E0

2