八年级物理上人教版中国古代对光的认识
- 格式:doc
- 大小:35.50 KB
- 文档页数:6
对光的认识对光的认识对于光,我们既感到熟悉又陌生。
在于我来说,我对光的认识比较深刻的有两方面:光的色散和光的性质。
一、对光的色散的认识。
人们常认为光是没有颜色的。
但是,很多事实告诉我们,其实光也有着绚丽多彩的颜色。
例如,彩虹,夏天雨后,在朝着太阳那一边的天空上,常常会出现彩色的圆弧;又如,极光,一种大自然天文奇观,发生只有在严寒的秋冬夜晚的高纬度的地区……等等的例子告诉我们,其实,光也有它美丽的颜色。
形成彩虹的原因就是下雨以后,天上悬浮着很多极小的水滴,太阳光沿着一定角度射入,这些小水滴就发生了色散,朝着小水滴看过去,就会出现彩色的虹。
虹的颜色是红色在外,紫色在内,依次排列;北光,极光是原子与分子在地球大气层最上层(距离地面100-200公里处的高空)运作激发的光学现象。
由于太阳的激烈活动,放射出无数的带电微粒,当带电微粒流射向地球进入地球磁场的作用范围时,受地球磁场的影响,便沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中,与氧原子、氮分子等质点碰撞,因而产生了“电磁风暴”和“可见光”的现象,就成了众所瞩目的“极光”。
他没有固定的型态、颜色也不尽相同,颜色以绿、白、黄、蓝居多,偶尔也会呈现艳丽的洪紫色,曼妙多姿又神秘难测。
但到底光有什么颜色呢?通常,我们所见到的白光,其实是由由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的,由单色光混合而成的光叫做复色光。
不能再分解的色光叫做单色光。
复色光分解为单色光的现象叫光的色散.它表现为复色光分解为单色光而形成光谱的现象。
色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。
复色光进入棱镜后,由于它对各种频率的光具有不同折射率,各种色光的传播方向有不同程度的偏折,因而在离开棱镜时就各自分散,形成光谱。
牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带(光谱).色散现象说明光在媒质中的速度随光的频率而变.光的色散可以用三棱镜,衍射光栅,干涉仪等来实现。
八年级上册物理光知识点光是我们日常生活中必不可少的东西,这一章节主要学习光的本质、传播规律和反射现象。
下面将对八年级上册物理光知识点进行详细阐述。
一、光的本质1.光的产生:光可以来源于太阳、火焰等高温物体的辐射,也可以来自电、化学等现象的放射。
2.光的特性:光是一种电磁波,具有波粒二象性。
它可以在真空中传播,速度为光速,即300000km/s。
同时,光可以被物体反射、折射和散射等。
3.光的颜色:白光可以分解成七种颜色的光谱。
分别是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
每一种颜色的光频率不同,且透过物体时会因为吸收而改变。
二、光的传播规律1.直线传播规律:光在真空中和同种均匀介质中呈直线传播,遵循直线传播规律。
2.速度传播规律:光在不同材质中传播时,速度发生变化,但光速不变。
3.折射传播规律:光经过介质界面时,一部分光被反射,一部分光被折射。
反射角等于入射角,折射角与入射角符合折射定律。
三、反射现象1.反射的基本概念:光线从一个介质射向另一个介质并在界面上发生反射,这一现象称为反射。
2.反射的规律:反射角等于入射角。
3.反射的应用:镜子、倒车镜等。
四、光学器件1.凸透镜:中央比较厚,边缘较薄。
光线经过后向聚集,成为实像。
2.凹透镜:中央较薄,边缘较厚。
光线经过后向发散,成为虚像。
3.光阑:控制光线进入的数量和方向。
以上就是八年级上册物理光知识点的详细阐述。
通过学习,我们可以更好地理解光的本质、传播规律和反射现象,同时掌握光学器件的应用。
八年级上册知识点物理光在我们日常生活中,光既是我们看到世界的媒介,也是我们探索自然的一条途径。
在学习物理光学知识时,我们可以更深入地认识和理解光的本质、传播规律以及一些应用。
本篇文章将对八年级上册物理光学相关知识进行简单介绍和解析。
一、光的本质众所周知,光是一种能够传递信息的电磁辐射。
在光传播过程中,它可以表现出波动性和粒子性。
对于光的波动性,我们可以从光的颜色及其转弯、透射、反射、衍射等现象中看到它的波动性质。
此外,我们通过光电效应、康普顿散射等实验,可以证明光颗粒性的存在。
由此可见,光具有波粒二象性。
二、光的传播规律1.光的直线传播在理论上,光沿一直线传播是最简单的形式之一。
所以,无论在空气中还是在其他介质中,光总是沿着直线传播的。
这也是我们平时看到的现象。
2. 光的反射当光从一个介质传到另一个介质时,如果遇到垂直于它的界面,就会发生反射现象。
反射现象能够让我们看到周围的世界,并应用到很多技术中。
3.光的折射当光从一个介质传到另一个介质时,如果遇到非垂直于它的界面,光线就会在界面上发生折射。
根据斯涅尔定律,入射角和折射角之比是一个定值,也就是所谓的折射率。
因此,我们可以利用这个定理来计算光在不同介质中的传播速度。
三、光的应用1. 光电效应光电效应是一种将光能转换为电能的现象。
其中,通过将光照射到金属上,可以使得电子从金属中被释放出来。
该现象已被广泛应用于太阳能电池、照相机及其他电子设备。
2. 光电池光电池是一种可以将光能直接转化为电能的设备,它可以利用光电效应原理来生产电力。
光电池的应用领域很广,可用于太阳能电池板、灯具和照明等。
3. 红外线热成像红外线热成像是通过测量物体发出的红外辐射热图来判断物体温度的现象。
由于其在还原失效的电路中具有显著的应用,它在工业领域中得到广泛应用。
总之,物理光学是一门非常重要的学科,掌握好这些知识对于我们的学习和工作都有很大的帮助。
无论是在生活中、还是在科学研究中,掌握光学知识都是非常有益的。
八年级上物理光知识点在物理学中,光是一个非常重要的内容。
光速快、传播方向直线等特点使得其成为研究的热点。
在八年级上学期的物理课程中,我们不会对光进行深入的研究,但是我们需要了解一些关键的知识点。
下面就是八年级上物理光知识点的详细介绍。
I. 光的特性光是电磁波中的一种,是一种比较特殊的波。
与其他种类的波相比,光有很多独特的特点。
下面是一些关于光的特性:1. 光的传播:光的传播是遵循直线传播原理的。
也就是说,当光通过恒定介质传播时,传播方向始终是直线。
2. 光的速度:光的速度是非常快的。
在真空中,光的传播速度可以达到每秒约300,000千米。
这也是许多物理学问题中光速被认为是一个极其重要的特性。
3. 光的色散:当光穿过不同种类的物质时,会发生色散现象。
一般情况下,光在穿过不同种类的物质时,颜色会发生变化。
这是由于不同材料折射光的方式各不相同。
II. 光的反射光的反射是指光线遇到一个平面面时,发生的反射现象。
当光线遇到一个平面时,会被反射回来而不是被吸收。
下面是一些关于光的反射的知识点:1. 反射角度等于入射角度:当光线以特定的角度入射一个平面时,反射角度将与入射角度相等。
这被称为光的反射定律。
2. 平面镜:平面镜是一种平坦的玻璃表面,用于反射光线。
当光线照射到平面镜上时,它们发生反射,并且形成了一张倒立的图像。
III. 光的折射光的折射是指当光线从一种介质传播到另一种介质时,其方向发生变化的现象。
当光线从一个介质传播到另一个介质时,其传播速度会发生变化,这样就会发生折射现象。
下面是一些与光的折射相关的知识点:1. 折射率:当光线穿过不同种类的物质时,它们的传播方向会发生变化。
描述这种现象的量被称为折射率。
2. 升级折射:当光线从一个比另一个更密集的介质射向另一个介质时,光线可能会向正常方向弯曲。
这种现象称为升级折射。
IV. 光的散射光的散射是指光线在穿过某些物质时,由于与物质分子之间的相互作用而发生方向改变的现象。
八年级上册物理光现象知识点光的讨论历史在古希腊时代就受到留意,光的反射定律早在欧几里得时代已经著名,但在自然科学与宗教分别开之前,人类对于光的本质的理解几乎再没有进步。
下面是我整理的八年级上册物理光现象学问点,仅供参考盼望能够关心到大家。
八年级上册物理光现象学问点1、光源:能够自行发光的物体叫光源2、光在匀称介质中是沿直线传播的大气层是不匀称的,当光从大气层外射到地面时,光线发了了弯折(海市蜃楼、早晨看到太阳时,太阳还在地平线以下、星星的闪耀等)3、光速光在不同物质中传播的速度一般不同,真空中最快光在真空中的传播速度:V = 3×108 m/s,在空气中的速度接近于这个速度,水中的速度为3/4V,玻璃中为2/3V4、光直线传播的应用可解释很多光学现象:激光准直,影子的形成,月食、日食的形成、小孔成像等 5、光线光线:表示光传播方向的直线,即沿光的传播路线画始终线,并在直线上画上箭头表示光的传播方向(光线是假想的,实际并不存在)6、光的反射光从一种介质射向另一种介质的交界面时,一部分光返回原来介质中,使光的传播方向发生了转变,这种现象称为光的反射7、光的反射定律反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的两侧;反射角等于入射角可归纳为:“三线共面,两线分居,两角相等”理由入射光线确定反射光线,表达时要“反”字当头发生反射的条件:两种介质的交界处;发生处:入射点;结果:返回原介质中反射角随入射角的增大而增大,减小而减小,当入射角为零时,反射角也变为零度8、两种反射现象镜面反射:平行光线经界面反射后沿某一方向平行射出,只能在某一方向接收到反射光线(反射面是光滑平面)漫反射:平行光经界面反射后向各个不同的方向反射出去,即在各个不同的方向都能接收到反射光线(反射面是粗糙平面或曲面)留意:无论是镜面反射,还是漫反射都遵循光的反射定律9、在光的反射中光路可逆10、平面镜对光的作用(1)成像 (2)转变光的传播方向11、平面镜成像的特点(1)成的是正立等大的虚像 (2)像和物的连线与镜面垂直,像和物到镜的距离相等理平面镜所成的像与物是以镜面为轴的对称图形,即平面镜是物像连线的中垂线. 12、实像与虚像的区分实像是实际光线会聚而成的,可以用屏接到,当然也能用眼看到.虚像不是由实际光线会聚成的,而是实际光线反向延长线相交而成的,只能用眼看到,不能用屏接收.热现象及物态改变学问点1、温度:是指物体的冷热程度。
古人对光的认识-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以写成以下几个方面:首先,光是我们日常生活中非常重要的物理现象之一。
它具有照明、传播信息以及激发视觉感知等多种功能,对人类的生存和发展起着至关重要的作用。
古人对光的认识可以追溯到几千年前,在古代文献和相关记录中可以找到对光的描述和探索。
其次,古人对光的认识可以分为两个方面,即对光的起源认识和对光的传播认识。
关于光的起源,古人根据日出日落、天空变化以及火焰的发光等现象,形成了关于光的一些初步认识。
他们认为太阳是光的来源,光是太阳发出的,而火光是由木材等物质的燃烧产生的。
这些认识虽然简单,但为后人对光的研究奠定了基础。
古人对光的传播认识主要包括对光直线传播和反射的观察与认识。
他们观察到,当太阳或火焰照射到一面光滑的镜子或水面上时,会发生反射现象,光线会按照一定角度被反射回来。
此外,古代也有一些对光的折射现象的认识。
这些认识虽然未能深入揭示光的本质,但为后来的光学研究奠定了基础。
总之,古人对光的认识虽然相对简单和有限,但是他们的观察和总结为后来对光的研究提供了重要线索。
古人对光的起源认识和传播认识是光学研究的开端,为后世科学家的深入研究和探索提供了基础。
今天我们在光学领域有了更深入的认识和应用,但我们不能忽视古人的智慧和开拓精神,他们的成就为我们现代人所敬仰。
文章结构部分的内容可以包括以下几点:1.2 文章结构本文将通过以下几个部分来探讨古人对光的认识。
首先,在引言部分,我们将对全文进行概述,介绍文章的目的和结构,为读者提供一个整体的框架。
接下来,在正文部分,我们将分为两个小节来探讨古人对光的认识。
第一小节将着重介绍古人对光的起源认识,其中包括他们对光的起源以及对光的本质和特性的理解。
我们将引用一些古代经典文献和哲学思想来支持我们的论点,并对古人的观点进行解读和分析。
在第二小节中,我们将讨论古人对光的传播认识。
这包括古人对光的传播速度、传播路径以及光在不同介质中传播时的现象和规律的认识。
八年级上册光重要知识点光是一门非常有趣的学科,是我们日常生活中不可或缺的一部分。
在八年级上册中,我们将学习很多关于光的知识,其中一些是非常重要的。
下面就来了解一下这些关键点。
1. 光的性质在学习光学之前,我们需要先了解光的一些基本性质。
光是一种电磁辐射,它具有波粒二象性,可以表现为光波或光子。
光是经由直线传播的,当它被折射或反射时,遵循着斯涅尔定律或反射定律。
在平行于两个媒质的交界处传播时,光不会弯曲。
2. 光的折射当光由一种媒质进入另一种媒质时,会发生折射。
折射定律告诉我们,入射角和折射角的比例等于两个媒质的折射率的比例。
这个定律是特别重要的,因为它不仅适用于透明媒质,也适用于不透明的固体和液体。
3. 光的反射另一个与折射定律相关的定律是反射定律。
这个定律告诉我们,当光线从一种媒质反射到另一种媒质时,反射角等于入射角。
这个定律使我们能够理解为什么镜子和其他反射物体可以看到反射的图像。
4. 光的色散当光从一个媒质进入另一个媒质时,不同颜色的光会弯曲角度不同。
因此,蓝光弯曲的角度比红光弯曲的角度更大。
这种现象称为光的色散。
我们可以通过使用棱镜来分解白光并观察它的分光谱。
5. 光的干涉光的干涉是指光波的相互作用产生的交替明暗带的现象。
这是由光波叠加导致的。
干涉可以是建设性的,也可以是破坏性的。
建设性干涉会导致波峰的增加,而破坏性干涉会导致波峰的减少。
6. 光的衍射光的衍射是指光波经过缝隙或其他小的开口时,出现覆盖整个缝隙区域的光束的现象。
这种现象是由于光波的波动性质导致的。
衍射还可以用于制造光栅,这些光栅可以用于分光仪和其他光学仪器中。
7. 光伏效应光伏效应是指光线照射到半导体材料表面时产生的电能。
这种效应是太阳能电池的关键机制。
当光线照射到太阳能电池的表面时,电子会从半导体材料中被激发出来,从而产生电能。
以上是八年级上册的一些重要光学知识点。
学习这些知识将有助于我们更好地理解光的工作原理,并为我们在未来的科学和工程探索中打下坚实的基础。
八年级上册光的知识点
八年级上册物理学习中,光是一个重要的内容。
本篇文章将从三个方面介绍八年级上册光的知识点:光的性质、光的传播和光的反射。
一、光的性质
1.光的直线传播:在均匀介质中,光的传播是直线传播。
2.光的散射:通过不透明物体时,光的传播方向会发生改变,这种现象叫做光的散射。
3.透明物体的折射:光从一种介质(比如空气)进入另一种介质(比如玻璃),光线会发生偏转,这种现象叫做折射。
二、光的传播
1.光的速度:在真空中,光的速度为3×10的8次方米每秒。
2.光的间接证明:光的存在可以通过其间接证明进行。
比如通
过光的反射、折射、干涉等现象来证明光的存在。
3.光的色散:光在透明介质中传播时,会因折射率不同而产生
色散现象。
三、光的反射
1.光的反射定律:入射光线、反射光线和法线在同一平面内,
并且入射角等于反射角。
2.平面镜成像:光线垂直入射于平面镜时,反射光线方向与入
射光线方向相同,成像位置等于物体的位置关于镜面的对称点。
3.凸透镜成像:当一束平行光线通过凸透镜后,会聚于其焦点,形成倒立实像。
通过学习这些知识点,我们可以更好地理解光的本质,更好地
理解和应用光的相关知识。
在实际应用中,光的知识也是非常重
要的,如光学仪器、光通信、光子电池、太阳能等众多领域都有着广泛应用。
总之,光学知识对于我们的日常生活有很多帮助,也是社会进步的重要组成部分。
希望大家在学习光学知识的同时,能够将其应用到实际生活中,体验到光的神奇与美妙。
中国古人对光照的认识张贝贝;李晓兵【摘要】文章依据古代文献中描述光照现象的史料,从光照与光源、空间、距离和外界环境的关系等方面探讨了古人对光照的认识,发现古人对光照的相关影响因素及其规律有明确的认识,这些认识对于指导古人的日常生活及从事一些相关的活动发挥了重要作用.【期刊名称】《广西民族大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(022)002【总页数】5页(P16-20)【关键词】中国;古代;光照;认识【作者】张贝贝;李晓兵【作者单位】中国科学技术大学科技史与科技考古系,安徽合肥 230026;中国科学技术大学科技史与科技考古系,安徽合肥 230026【正文语种】中文【中图分类】N09人类在生活中学会了利用各种光源进行照明.在描述光源的发光状态及照射距离与效果时,中国古人常用光照来表示.如北宋曾公亮等编《武经总要》有“系炬于木枝,光照数十里”[1]631之说,“光照数十里”描述的是光照射的距离.北宋《二程遗书》载:“人之于性,犹器之受光于日,日本不动之物,须是识在所行之先,譬如行路,须得光照.”[2]这里光照是指光源发光所产生的明亮效果.南宋《朱子语类》说:“亦如灯烛在此,而光照一室之内,未尝有一些不到也.”[3]这里“光照一室之内”描述的是光源照亮的空间范围.明代崔铣《士翼》称:“日常光照,月有盈亏.”[4]这里光照指光源的发光状态.古人在长期的生活实践中,对于光照与光源的关系、光照与空间距离及周围环境的关系等已经有了明确的认识,形成了初步的经验知识.这些知识对于指导古人的日常生活及从事相关活动发挥了重要作用.古文献中有不少关于光照知识的零散记载,当代科学史家对之也作了一些初步探讨,如王锦光等在《中国光学史》[5]中、戴念祖等在《中国物理学史大系·光学史》[6]中对《淮南子》、《论衡》及《潜夫论》中记载的几条光照知识进行了讨论;李鹏举从光度学概念和定律两方面讨论了赵友钦对中国古代光度学的贡献[7];王玉民研究了我国古代恒星[8]和流星[9]记录的亮度,张彦晓[10]考察了我国古代的照明,对光照知识也有所涉及.这些工作虽然对于了解古人的光照知识有所帮助,但不够全面、系统.笔者搜集了不少有关古代光照的史料,根据这些史料和前人的研究工作,拟对古代的光照知识做系统的分析,以期比较全面地反映古人在这方面所达到的认识.人眼之所以能够看到各种景象,莫不是借助于光,古人对此曾做过不少讨论.《墨经·经说下》云:“智以目见,而目以火见.”[11]《礼记·仲尼燕居》云:“譬如终夜有求于幽室之中,非烛何见?”[12]东汉王符在《潜夫论》中写道:“中穽深室,幽黑无见,及设盛烛,则百物彰矣.此则火之耀也,非目之光也,而目假之则为明矣.”[13]11这些史料说明,古人已经明确认识到,目能够看到物体,是借助于火烛等外界之光,而不是目本身有光;若外界无光,目视物则“幽黑无见”.光的产生方式有很多种,自然界最大的光源是太阳,此外还有火光、闪电、荧光等.《周易·系辞传》云:“悬象著明,莫大乎日月.”[14]《古微书·孝经纬》说:“日中则光溢,日神五色,明照四方.”[15]在古人看来,太阳是最大的光源,中午时,日光似水一般溢出,其发光强度最大.京房说:“月与星至阴也,有形无光,日照之乃光.”[16]他认为星与月本无光,太阳照在其上才有光.根据现代天文知识可知,能看到的、会发光的天体大多数都是恒星.行星本身并不发光,我们看到的是它反射的太阳光,因此其亮度比较低.例如月亮的发光强度还不如蜡烛大.庾信《对烛赋》有云:“灯前桁衣疑不亮,月下穿针觉最难.”[17]坐在油灯下缝衣,难以看得清楚,月光下穿针更是很难做到的事情.光照与光源的数量有密切关系,光源数量越多,光照越强,也即光照效果是可以叠加的.古人对此有明确的认识和应用.王符在《潜夫论》中论述了同一种光源在数量不同时光照效果的变化:“偶烛之施明于幽室也,前烛即尽照之矣,后烛入而益明.此非前烛昧而后烛彰也,乃二者相因而成大光.”[13]381王符描述的是两个光源的光照效果叠加现象.在幽室内先点燃一支蜡烛,然后再点燃一支,室内的亮度会比之前明显增加.他认为,这不是因为前面的蜡烛不够亮、后面点燃的蜡烛更亮,而是两者光照效果叠加才会使室内更加明亮.可见,古人已经认识到光照效果的叠加可使照度增加.古人还运用这一认识来解决一些生活中的实际问题,如《晋书·车胤传》记载:“胤恭勤不倦,博学多通,家贫不常得油,夏月则练囊盛数十萤火以照书,以夜继日焉.”[18]单个萤火虫的光照效果很差,在夜晚不足以照亮书上的文字,但车胤用囊装了许多只萤火虫,它们的光照效果叠加起来,就能在夜晚正常阅读,可以“以夜继日”了.这是古人对光源的光照效果叠加现象应用的实例.元代赵友钦用实验从反面证实了光照效果叠加现象,他在《革象新书·小罅光景》中说:“作两圆板,径广四尺,俱以蜡烛千余支密插于上,放置阱内而燃之,比其形如日月……又灭左阱之烛,但明二三十支,疏密得所.观其楼板之景,虽是周圆布置,各自点点,为方不相黏附而愈淡矣.”[19]本来阱中燃有千支蜡烛,当蜡烛的数量减少为二三十支时,再观察楼板上的像,它的亮度就“愈淡”了.这表明,当光源数量减少时,光照也随之减弱.对于人造光源而言,火焰越大,光照即越强.火焰的大小与供氧情况、燃料多少有密切关系.对于灯火而言,灯芯越大,火焰就越大.唐代《法苑珠林》载:“诸灯皆灭,唯母一灯,三灭不尽.便举袈裟以扇之,灯光益明.”[20]在用袈裟扇灯火时,供氧更加充足,火焰会略微增大,灯光越加明亮.唐代马总《意林》云:“如灯火之于脂膏,炷大而明,明则膏消;炷小而暗,暗则膏息,息则能长久也.”[21]灯芯大的时候,火焰就大,灯光就明亮;反之,灯芯小则火焰小,灯光相应的就暗些.明末方以智《物理小识》载:“灯加腻而益明”.[22]灯加油后,由于燃料充足,火焰变大,灯光就越发明亮.使用不同燃料的人造光源,其光照效果是不同的,古人对此已有明确认识.明代范景文《战守全书》说:“守城用烛不如用松明,一松明可代十灯.”[23]以松明照明,亮度既高,价格又低,一个松明灯可以代替十个灯烛,因此范景文提出以其代替灯烛照明.《战守全书》中提到一种以松明为燃料的发光器具“火毬”:“至于夜间守城,用灯烛所费甚多,且皆高悬于垜上,是使贼得以视我,我不便视贼,其利在彼矣,甚非所宜.为今之计,应造铁火毬,中燃松柴,价比欍烛相去倍蓰,况火光散阔极远,比灯火相去千万.”[23] “火毬”所用的燃料不仅价格只是欍烛的五分之一,而且光照射的距离比较远,远胜于普通灯火.不同光源亮度不同,古人对此有明确认识.《淮南子·说林训》“百星之明不如一月之光”[24]表达的即是这种认识.《法苑珠林》说:“萤火之明不如灯烛之明,灯烛之明不如炬火,炬火之明不如火……”[25]这里比较了萤火、灯烛、炬火和火的亮度差别,得出它们亮度的大小关系.徐元太在《喻林》中说得更为明白:“如世间中灯油之光,于萤火光为广为大,显照明净,超过最胜;烛炬之耀,超胜灯光,庭燎火聚,又胜烛炬;药草发光,踰于火聚,星宿之光,倍过药草;满月流光,又过星耀;炎盛日光,踰超于月……此人间萤火之明,不如灯火之明;灯火之明,不如炬火之明;炬火之明,不如大火之明;大火之明,不如星之明;星之明不如月之明,月之明不如日之明.”[26]光使眼睛产生明暗感觉的程度是无法作定量比较的,但人的视觉能够相当精确地判断两种光源的明暗感觉是否相同.[27]古人根据自己的直观感受对这些光源的亮度进行比较,是经验性的认识.他们已经认识到不同光源的亮度是不同的,并能比较出两种光源亮度的大小.综上可知,古人对光照与光源关系的认识体现在:光源是产生光照的必要条件,光源的数量以及人造光源所用燃料种类、数量和供氧情况都能影响光照效果,并能比较不同光源亮度的大小.古人在对光源进行选择和改进过程中,不断加深对光照的认识,形成系统的经验知识.光照与受光的空间和距离有关.受光的空间越大,光照的范围也就越大;距离光源越远,光的亮度越弱.对此,古人已有明确的认识.对于同一光源,采光空间越大,则光照的区域就越大.西汉《淮南子·说山训》指出:“受光于隙,照一隅;受光于牖,照北壁;受光于户,照室中无遗物.”[28]695宋代崔敦礼说得更为明确:“受光于隙,照一隅;受光于牖,照北壁;受光于庭户,照满室;受光于天下,照四方无遗物……所受小则所照者狭,所受大则所照者博”.[29]采光空间小,所接受的光通量即少,能照到的空间就狭小;反之亦然.元代赵友钦在《革象新书·小罅光景》中记载其所做的光照实验现象时说:“罅渐窄,则景渐淡.景渐远,则周径渐广而愈加淡.大罅之景,渐远亦渐广,然不减其浓.此则浓淡之别也.”[19]他在实验中发现,采光的“罅”(小孔)越小,光源所成的像就越暗.赵友钦对此解释说:“所以有浓淡之殊者,盖两处皆千景叠砌,圆径若无广狭之分,但见其窍宽者所容之光较多,乃千景皆广而叠砌稠厚,所以浓.窍窄者所容之光较少,乃千景皆狭而叠砌稀薄,所以淡.”[19] “窍”越大,通过“窍”的光就越多,像即越亮;反之,“窍”越小,通过“窍”的光就越少,像即越暗.这种解释是正确的.光源所照明的空间范围是有限的.唐代杜佑《通典》说:“松明以铁锁缒下巡城照,恐敌人夜中乘城而上;夜中城外每三十步悬大灯于城半腹.”[30]800这表明,古代巡城所用的灯光在方圆三十步内可以看清周围的事物.唐代“度地以五尺为步,三百六十步为一里”.[31]据闻人军考证,[32]唐代的大里*唐尺有大、小尺之分,小尺用于调乐律、测日影等,大尺用于建筑、大地测量等.为531.486米,故三十步相当于现代44.29米.于城外每三十步而设一灯,反映了古人对光所照空间的充分运用.至于光照与距离的关系,东汉王充已做出了正确的解释,他在《论衡》中写道:“试使一人把大炬火夜行于道,平易无险,去人不一里,火光灭矣,非灭也,远也.”[33]171随着炬火离人越来越远,人能观察到的火光亮度也越来越弱,直至看不到.究其原因,不是炬火熄灭了,而是因为距离太远,光照随距离的增加而减弱太甚,所以才看不到炬火之光.赵友钦通过实验发现,在其他条件不变的情况下,像离光源越近就越亮,越远则越暗,表明光照随距离增大而减弱.这是中国古代通过科学实验得出的明确结论.古代的烽燧制度,则比较充分地体现了古人对光照与距离关系的认识与运用.烽火是古人发明的一种利用光现象传递信息的重要方法.古代在边疆地区相隔一定的距离设置烽火台,采用“白日放烟,夜则放火”的方式把紧急军情传递出去,这种做法称为烽燧.两个烽火台之间的距离远近,以彼此恰好能够看到对方的火光为限.东汉刘珍在《东观汉记·马成传》中提到了烽火台的设置距离:“马成缮治亭障,自西河至渭桥,河上至安邑,太原至井陉,中山至邺,皆筑堡壁,起烽燧,十里一候.”[34]“候”即候望,指烽火台.由此可见,汉代人已经认识到光照与距离的远近是有关系的,从而根据积薪燃烧时所发光的强弱来设置各候望台之间的最佳距离.据闻人军考证,[32]东汉前期一里为414.0米,东汉后期一里为426.6米.马成是东汉开国功臣之一,故其所处时代为东汉前期,因此当时十里为4140米,即4.14公里.火光所照的距离与燃火材料的种类和数量有关,采用适当的燃火材料,烽火台又是建在不受山林遮挡的高处,故“十里一候”是可以彼此望见的.唐代以前,大都沿袭汉代的烽燧设置制度.自唐代始,烽燧制度有了不少改进.唐代杜佑《通典》中有“每二十里置一烽”的记载:“诸军马拟停三五日,即须去军三百里以来安置爟烽,如有动静举烽相报,其烽并于贼路左侧,逐要置,每二十里置一烽.”[30]828此为军队暂时停留在某地时,在方圆三百里内临时设置的烽燧装置,无法与边境上专门建造的烽火台相比,但烽燧彼此间隔“二十里”也远胜于汉代的“十里”.关于唐代的烽燧制度还有“每三十里置一烽”之说,唐代官修政书《唐六典》中记载:“凡烽候所置,大率相去三十里.若有山冈隔绝,须逐便安置,得相望见,不必要限三十里.”[35]《武经总要》中提到唐代烽火制度时说:“唐法:凡边城候望,每三十里置一烽.”[1]297从汉代的烽燧之间相隔十里,到唐代间隔二十里甚至三十里,说明唐代的烽燧技术有很大的进步,在烽燧的设置上可以间隔更大,从而节约人力物力.如前所述,古代各个时期的里亩制度是不同的.据闻人军考证[32],唐大里为531.486米,故唐代“二十里”为10629.72米,即10.62972公里,“三十里”则为15.94458公里.要在这么远的距离望见烽火,就必须设法增大其发光强度.由此推测,唐代烽火台所用的燃火材料会更好、数量更多,燃烧方式更加合理.考古发现,汉代烽火台所用的燃火材料是苣草,其中“大苣长233厘米,直径5厘米,用苇根捆扎六道.中苣长33~35.5厘米,直径4.5厘米左右,个别有用麻绳捆扎二至四道.”[36]杜佑《通典》[30]801和李荃《太白阴经》[37]中记载的唐代烽火台所用燃料为“柴笼”.《武经总要》中提到“唐李荃所记法制适与今同”[1]297,对于所燃材料,书中提到“在烽贮备之物要柴藁木材”[1]297,此应为“柴笼”.另外,对于“用烽之法”,《武经总要》说“应火炬长八尺”[1]297,据闻人军的考证[32],宋代一尺为31.2厘米,“八尺”即为249.6厘米.从以上各方面的记载来看,与汉代捆在一起的苣草相比,唐代用柴藁木材搭建的“柴笼”,从材质、大小还有供氧方面都更胜一筹,其火势显然更大,光照也更强,传播的距离自然也比汉代的“十里”要远,能够达到“二十里”甚至是“三十里”.明代戚继光对烽燧设置也做过分析.在讨论如何保障烽燧传递信息的效果时,他指出:“南方狼粪既少,烟火失制,拱把之草,火燃不久,十里之外,岂能目视?且遇阴霾昼晦,何以相瞭?故必用立此大茅屋,积草柴既多,火势大而且久,庶邻墩相望可见.其屋内不拘柴草,务相均停,一层柴,一层草,填实盈满.”[38]北方可以用狼粪,南方以柴草代之.如果使柴草之光能够传至十里之外,则需大量的柴草.柴草多,火势大,所发光就越强、光照的距离越远.为了区别不同的敌情,古人用燃烧不同数量的火炬来传递信息.据《武经总要》记载:“置烽之法,每烽别有土筒四口,筒间火台四具,台上插橛.拟安火炬,各相去二十五步,如山险地狭不及二十五步,但取应火分明,不须限远近.”[1]297“置烽之法”要求火炬之间的间距为25步,若地理位置不允许的话,则应至少保证一定的距离以使远处能够分辨清楚火炬的数目.这是因为,如果两个火炬的距离很近,则随着观察距离的增加,会将两个火炬看作一个,以至于无法分辨.丘浚在《大学衍义补》中提到对光的颜色运用:“若夫烽燧之制,古人昼则燔燧,夜则举熢,偶遇风劲则烟斜而不能示远,值霖雨则火郁而不能大明,宜于墩台之上立为长竿,分为三等,上悬红灯以灯数多寡为缓急众寡之候.所谓红灯者,煅羊角及鱼魫为之而染以红,遇夜则悬以示远,数百里之间举目可见矣.”[39]黑夜中,红光对人眼视网膜的刺激会强烈些,容易看到.至于数百里可见,则明显为夸张说法.此外,烽燧并不仅用于古代的陆军作战,在古代水战中也有所运用.明代戚继光在《纪效新书·治水兵篇》中云:“往来巡哨,遇有警急,各在信地登各相近山上,先行举放烟火.所在兵船,瞭见火光烟焰,就行开帆,望火前进哨剿.”[40]可见,明代水军也用烽燧传递信号,从而进行战事安排,但是限于当时哨船上的条件,无法实现在船上运用烽燧传递信息,而是要到就近的山上施放烟火,并且要达到一定的火势,以确保远处的兵船能看到信号.总之,古人对光照与空间、距离之间的定性关系有了明确的认识,并在采光、合理设置光源位置以及烽燧传递军情等方面有了重要应用,以充分利用光源的光照效果. 光照不仅与光源、空间和距离有关,还受外界环境的影响,如传播光的介质状况、有无其他光源存在、环境的明暗程度等都对光照产生一定影响.对此,古人也有一些观察和讨论.《淮南子·说林训》说:“明月之光可以远望,而不可以细书;甚雾之朝可以细书,而不可以远望寻常之外.”[24]703大雾的早晨可以看清近距离的事物,而不能看清远方的事物.这是因为雾气由小水滴构成,在人和物体之间的雾气会使物体表面反射的光线到达人眼之前发生散射,从而进入人眼的光线强度会变弱.若光源周围有其他强光源存在,则此光源的光照就会显得弱很多.《淮南子·说山训》说:“日出星不见,不能与之争光也”.[28]690太阳一出,纵使星星有光,却是完全被太阳光所掩盖.三国时,曹植在一首诗里描述了日落而月现,月未圆满之时,繁星满天的现象:“惊风飘白日,忽然归西山.圆景光未满,众星灿以繁.”[41]曹操《短歌行》中有“月明星稀”[42]的诗句.月光明澈,会掩盖星星的亮度.所以会造成月满时夜空星稀,月亏时夜空星密的现象.唐代韦琮的《月明星稀赋》对此描写得最为形象:“伊圆光之未呈,观列象之繁星;忽升轮以委照,齐掩缛而韬精.”[43]这些文献表明,古人已认识到,发光强度大的光源会把光强度比之弱很多的其他光源掩盖或者使其光照变弱.《列子·汤问篇》提出“小儿辩日”问题后,引起了不少古代学者的关注.王充在解释太阳“日中时小,出入时大”现象时说:“日中时日小,其出入时大者,日中光明故小,其出入时光暗故大,犹昼日察火光小,夜察之火光大也.既以火为效,又以星为验,昼日星不见者,光耀灭之也,夜无光耀,星乃见.夫日月,星之类也.平旦日入光销,故视大也.”[33]172“日中时日小,其出入时大”,是由光渗现象、大气的吸收和消光作用,以及视觉效应等引起的.这些因素共同造成了日中时光明故小、出入时光暗故大.王充说白天看火光,其光亮显得小;夜里看火光,由于所处的环境比较黑,所以火的光亮才会比白天的明显很多.白天由于阳光太强,看不到星星;夜晚时,没有太阳强烈的光照,才可以看到星星.这些说法是正确的.东汉张衡在《灵宪》中也描述过类似的现象:“火当夜而扬光,在昼则不明也.”[44]这些都说明,古人已认识到周围环境的明亮程度对光源的光照会产生显著的影响,若环境较亮,则光照显得较弱,若环境较暗,则光照显得较强.外界环境中有多种因素对光照产生影响,但限于古代的认知水平,古人的认识主要局限于雾、其他光源以及环境明暗程度等几种因素,并不全面和深入.光照与古人的日常活动息息相关.古人在生活实践中形成了丰富的关于光照现象的经验知识,对于光照与光源、空间、距离以及外界环境的关系有了比较充分的认识.这些认识反映了古人对光照现象的观察和思考,并被用以指导生活实践,在设计光源、采光、传递军情信息等方面发挥了重要作用.致谢:在写作和修改过程中,得到导师胡化凯教授的悉心指导,笔者在此深表感谢!【相关文献】[1](宋)曾公亮,丁度. 武经总要:后集卷3[M]//景印文渊阁四库全书:第726册.上海:上海古籍出版社,2003:297,631.[2](宋)朱熹. 二程遗书:卷3[M]//景印文渊阁四库全书:第698册.上海:上海古籍出版社,2003:61.[3](宋)黎靖德. 朱子语类:卷15[M].济南:山东友谊书社, 1993.[4](明)崔铣. 士翼:卷1[M]//景印文渊阁四库全书:第714册.上海:上海古籍出版社,2003:461.[5]王锦光,洪震寰. 中国光学史[M].长沙:湖南教育出版社,1986.[6] 戴念祖,张旭敏. 中国物理学史大系·光学史[M].长沙:湖南教育出版社,2000:80-82.[7] 李鹏举. 赵友钦对中国古代光度学的贡献[J].物理,1985.[8]王玉民. 中国古代恒星亮度及其变化记录之研究[J].自然科学史研究,2009:437-453.[9]王玉民. 中国古代流星记录的亮度归算[J].天文学报,2003(4).[10]张彦晓. 宋代照明研究[D].开封:河南大学,2014.[11] 张继禹. 中华道藏:第24册[M].华夏出版社,2004:60.[12](汉)郑玄注. 礼记注疏: 卷50 [M]. 北京:中华书局, 1936:138.[13](汉)王符著,(清)汪继培笺. 潜夫论[M]. 上海:上海古籍出版社, 1978:11,381.[14] (魏)王弼,(晋)韩康伯注,(唐)孔颖达疏,(唐)陆德明音义. 周易注疏[M]. 上海:上海古籍出版社, 1989:260.[15](明)孙瑴. 古微书[M]. 济南:山东友谊出版社, 1990:556.[16](晋)杨泉. 物理论[M]. 北京:中华书局, 1985:2.[17](唐)徐坚.初学记[M].北京:中华书局,1962:617.[18](唐)房玄龄,等. 晋书:卷83[M]. 北京:中华书局, 1997:559.[19](元)赵友钦.革象新书:卷5[M]// 景印文渊阁四库全书:第786册.上海:上海古籍出版社,2003:263-265.[20](唐)释道世著,周叔迦,苏晋仁,校注. 法苑珠林校注 3:卷35[M]. 北京:中华书局, 2003:1121.[21](唐)马总. 意林:卷5[M]. 北京:中华书局, 1991:108.[22](明)方以智. 物理小识(上):卷1[M].北京:商务印书馆, 1937.[23](明)范景文.战守全书:卷14[M]// 四库禁毁书丛刊:子部第36册.北京:北京出版社,1997:507.[24](汉)刘安.淮南子:卷17 [M]//景印文渊阁四库全书:第848册.上海:上海古籍出版社,2003:703,709.[25](唐)释道世著,周叔迦,苏晋仁校注. 法苑珠林校注 1[M]//北京:中华书局, 2003:85.[26] (明)徐元太. 喻林:卷24[M]. 上海:上海辞书出版社, 1991.[27]赵凯华. 新概念物理教程:光学[M].北京:高等教育出版社, 2004.[28](汉)刘安.淮南子:卷16[M]//景印文渊阁四库全书:第848册.上海:上海古籍出版社,2003,690,695.[29](宋)崔敦礼. 刍言:卷上[M]. 北京:中华书局, 1985:1.[30](唐)杜佑. 通典[M]. 北京:中华书局, 1984:800,801,828.[31]夏侯阳. 夏侯阳算经:卷上[M]. 北京:中华书局, 1985:7.[32]闻人军. 中国古代里亩制度概述[J]. 杭州大学学报:哲学社会科学版,1989(3):122-132.[33](东汉)王充. 论衡:卷11[M]. 上海:上海人民出版社, 1974.[34](东汉)刘珍,等撰,吴树平校注. 东观汉记校注[M]. 郑州:中州古籍出版社, 1987:402.[35](唐)李林甫,等撰,陈仲夫点校. 唐六典:卷5[M]. 北京:中华书局, 1992:162.[36]甘肃省博物馆,敦煌市文化馆. 敦煌马圈湾汉代烽燧遗址发掘简报[J]. 文物,1981,10:1-7.[37](唐)李荃. 太白阴经:卷5[M]//景印文渊阁四库全书:第726册.上海:上海古籍出版社,2003:198.[38](明)戚继光著,盛冬铃点校. 纪效新书:卷17[M]. 北京:中华书局, 1996:214.。
光学光学是一门有悠久历史的学科,它的发展史可追溯到2000多年前。
光学的发展简史人类对光的研究,最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体?”之类问题。
约在公元前400多年(先秦的代),中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。
它有八条关于光学的记载,叙述影的定义和生成,光的直线传播性和针孔成像,并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。
自《墨经)开始,公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜;公元1590年到17世纪初,詹森和李普希同时独立地发明显微镜;一直到17世纪上半叶,才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果,归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
1665年,牛顿进行太阳光的实验,它把太阳光分解成简单的组成部分,这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布──光谱。
它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征,各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。
牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上,当用白光照射时,则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹;当用某一单色光照射时,则出现一组明暗相间的同心环条纹,后人把这种现象称牛顿环。
借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。
牛顿在发现这些重要现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流。
微粒从光源飞出来,在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。
牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。
惠更斯是光的微粒说的反对者,他创立了光的波动说。
提出“光同声一样,是以球形波面传播的”。
并且指出光振动所达到的每一点,都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。
在整个18世纪中,光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来,但都不很完整。
19世纪初,波动光学初步形成,其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。
菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理,用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象,也能解释光的直线传播。
在进一步的研究中,观察到了光的偏振和偏振光的干涉。
为了解释这些现象,菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。
为说明光在各不同媒质中的不同速度,又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的;在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。
此外,还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。
如此性质的以太是难以想象的。
1846年,法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转;1856年,韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。
他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。
1860年前后,麦克斯韦的指出,电场和磁场的改变,不能局限于空间的某一部分,而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着,光就是这样一种电磁现象。
这个结论在1888年为赫兹的实验证实。
然而,这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质,也不能解释光的色散现象。
到了1896年洛伦兹创立电子论,才解释了发光和物质吸收光的现象,也解释了光在物质中传播的各种特点,包括对色散现象的解释。
在洛伦兹的理论中,以太乃是广袤无限的不动的媒质,其唯一特点是,在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。
对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题,洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。
并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动。
而事实上,1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”,得到否定的结果,这表明到了洛伦兹电子论时期,人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。
1900年,普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。
他认为各种频率的电磁波,包括光,只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒称为量子,光的量子称为光子。
量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。
量子论不但给光学,也给整个物理学提供了新的概念,所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。
1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。
他给光子作了十分明确的表示,特别指出光与物质相互作用时,光也是以光子为最小单位进行的。
1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。
第一次提出了狭义相对论基本原理,文中指出,从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远小于光速的情况,而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征,根本放弃了以太的概念,圆满地解释了运动物体的光学现象。
这样,在20世纪初,一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波;而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性──微粒性。
1922年发现的康普顿效应,1928年发现的喇曼效应,以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构,它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。
光学的发展历史表明,现代物理学中的两个最重要的基础理论──量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。
此后,光学开始进入了一个新的时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。
其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。
爱因斯坦研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光。
1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生了可调谐染料激光器。
由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。
光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。
这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证;1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖;1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身──波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。
自20世纪50年代以来,人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来,给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念,更新了经典成像光学,形成了所谓“博里叶光学”。
再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术,形成了一个新的学科领域──光学信息处理。
光纤通信就是依据这方面理论的重要成就,它为信息传输和处理提供了崭新的技术。
在现代光学本身,由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。
激光光谱学,包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲,以及可调谐激光技术的出现,已使传统的光谱学发生了很大的变化,成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。
它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。
光学的研究内容我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发,来研究光的传播问题的学科。
它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径,它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。
物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科,所以也称为波动光学。
它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。
波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。
波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系,而侧重于解释光波的表现规律。
波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象,以及光在媒质界面附近的表现;也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。
量子光学1900年普朗克在研究黑体辐射时,为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式,他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设,即“组成黑体的振子的能量不能连续变化,只能取一份份的分立值”。
1905年,爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论,进而提出了光子的概念。
他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上,而是集中在所谓光子的微粒上。
在光电效应中,当光子照射到金属表面时,一次为金属中的电子全部吸收,而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间,电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功,余下的就变成电子离开金属表面后的动能。
这种从光子的性质出发,来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。
它的基础主要是量子力学和量子电动力学。
光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。
后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了:非但光有这种两重性,世界的所有物质,包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物,也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。
应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成;由于它有广泛的应用,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。
例如,有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学;以正常平均人眼为接收器,来研究电磁辐射所引起的彩色视觉,及其心理物理量的测量的色度学;以及众多的技术光学:光学系统设计及光学仪器理论,光学制造和光学测试,干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等;还有与其他学科交叉的分支,如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。