神探贝斯特-第53章

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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

　　　　英文名称：qantm　optics

　　　　量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。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。（。。）

259　物理学之光学　下（）　
光学成就

　　　　对火的认识

　　　　我国古代取火的工具称为“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根据我国古籍的记载，古代常用“夫燧”、“阳燧”（实际上是一种凹面镜，因用金属制成成，所以统称为“金燧”）来取火。古代人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。讲到取火，古代还用自制的古透镜来取火的。公元前2世纪，就有人用冰作透镜，会聚太阳光取火。《问经堂丛书》、《淮南万毕术》中就有这样的记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”我们常说，水火不兼容，但制成冰透镜来取火，真是一个奇妙的创造。用冰制成透镜是无法长期保存的，于是便出现用玻璃或玻璃来制造透镜。

　　　　《华严经》菩萨问明品　记载“勤首菩萨以颂答曰：　如钻燧求火，未出而数息，火势随止灭，懈怠者亦然。如人持日珠，不以物承影，火终不可得，懈怠者亦然”。

　　　　针孔成像和影的认识

　　　　公元前4世纪，墨家就做过针孔成像的实验，并给予分析和解释。《墨经》中明确地写道：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。”这里的“午”即小孔所在处。这段文字表明小孔成的是倒像。其原因是在小孔处光线交叉的地方有一点（“端”），成像的大小。与这交点的位置无关。从这里也可以清楚看到，古人已经认识到光是直线行进的。所以常用“射”来描述光线径直向前。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中也记述了光的直线传播和小孔成像的实验。他首先直接观察在空中飞动，地面上的影子也跟着移动，移动的方向与飞的方向相反。然后在纸窗上开一小孔，使窗外飞的影子呈现在窒内的纸屏上，沉括用光的直进的道理来解释所观察到的结果：“东则影西，西则影东”。墨家利用光的直线传播这一性质，讨论了光源、物体、投影三者的关系。《墨经》中写道：“景不徙，说在改为。”“光至，景亡。若在。尽古息。”说明影是不动的，如果影移，那是光源或物体发生移动，使原影不断消逝，新影不断生成的缘故。投影的地方，如果光一照，影子就会消失，如果影子存在，表明物体不动。只要物体不动，影子就始终存在于原处。墨家对本影、半影也作了解释。《墨经》中有这样的记载：“景二，说在重。”“景二，光夹。一。光一。光者，景也。”意思是一物有两种投影（本影、半影），说明它同时受到两个光源重复照射的结果（“说在者”。“光夹”）、一种投影，说明它只受一个光源照射。并且强调了光源与投影的联系（“光者，景也”）。与此相连。墨家还根据物和光源相对位置的变化，以及物与光源本身大小的不同来讨论影的大小及其变化。

　　　　对面镜的认识

　　　　墨子对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存在。如墨家对凹面镜作了深入的观察和研究，并在《墨经》中作了明确、详细的记载。“鉴低，景一小而易，一大而正，说在中之外、内。”“低”表示深、凹之意；放在“中之内”，得到的像是比物体大而正立的。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。

　　　　北宋沈括对凹面镜的焦距作了测定。他用手指置于凹面镜前，观察成像情况，发现随着手指与镜面距离的远近变化，像也发生相应的变化。在《梦溪笔谈》中作了记载：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”说明手指靠近凹面镜时，像的正立的，渐渐远移至某一处（在焦点附近），则“无所见”，表示没有像（像成在无穷远处）；移过这段距离，像就倒立了。这一实验，既表述了凹面镜成像原理，同时也是测定凹面镜焦距的一种粗略方法。

　　　　墨家对凸透镜也进行了研究。《墨经》中写道：“鉴团，景一。说在刑之大。”“鉴团”即凹面镜，也称团镜。“景一”表明凸面镜成像只有一种。“刑”同形字，指物体，它总比像大。我们的祖先，利用平面镜能反射光线的特性，将多个平面镜组合起来，取得了有趣的结果。如《庄子。天下篇》的有关注解《庄子补正》中对此作了记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴，则重影无穷。”这样的装置，收到了“照花前后镜，花花交相映”的效果。《间经堂丛书》、《淮南万毕术》中记有“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”表明很早就有人制作了最早的开管式“潜望镜”，能够隔墙观望户外的景物。

　　　　此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。

　　　　对虹的认识

　　　　虹是一种大气光学现象，从公元6世纪开始，我国古代对虹就有了比较正确的认识。唐初的孔颖达（574…648）曾概括了虹的成因，他认为“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”明确指出产生虹的3个条件，即云、日、“日照雨滴”。沉括对此也作过细致的研究，并作实地考察。在《梦溪笔谈选注》中写道：“是时新雨霁，见虹下帐前涧中。”予与同职扣涧观之，虹两头皆垂涧中。使人过涧，隔虹对立，相去数丈，中间如隔绡觳，自西望东则见；盖夕虹也。立涧之东西望，则为日所铄，都无所睹。”指出虹和太阳的位置正好是相对的，傍晚的虹见于东方，而对着太阳是看不见虹的。地虹有了认识之后，便可以人工造虹。8世纪中叶，唐代曾有过这样的试验：“背日喷呼水成虹霓之状”，表示背向太阳喷出小水珠，便能看到类似虹霓的情景。

　　　　相关著作

　　　　古代

　　　　《光学》　作者：【古希腊】欧几里德

　　　　《光学》（optics）是希腊文的第一本透视学，从12个假设（公设）出发推出61个命题。假设1是“人看到物体，是光线从眼睛出发射到所看的物体上去”。这是从柏拉图以来的传统观点。其中命题6是“处于平行位置，大小相同但距离不同的物体，在眼中看到的大小并不与远近成比例”。（。。）

260　物理学之电学　1（）　
电学　（英文：　electricity；　electribsp；sce）；　涵盖一切以电为研究基础的学科。19世纪末随着电报、电力系统的应用逐渐奠定了此工程的学科基础，并广泛地应用在各个领域。在技职教育上，以基本电学作为起始基础教育学科，电机工程包括许多“次领域”如：电路学、电子学、电力学、电磁学等等，并且与其他物理科学领域有相互关系

　　　　电学“电”这一词在西方是从希腊文poν（琥珀）一词转意得来，在中国则是从雷闪现象中引出来的。电学

　　　　研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。

　　　　电学介绍

　　　　静电学

　　　　是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷只有两种，称为正电和负电。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电，不过是正负电荷的分离或转移；所谓电荷消失，不过是正负电荷的中和。

　　　　静止电荷之间相互作用力符合库仑定律：在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比；作用力的方向沿着它们之间的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。

　　　　电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。电荷产生的电场用电场强度（简称场强）来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义。电场强度遵从场强叠加原理。

　　　　通常的物质，按其导电性能的不同可分两种情况：导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷；绝缘体又称为电介质。体内只有束缚电荷。

　　　　在电场的作用下，导体内的自由电荷将产生移动。当导体的成分和温度均匀时。达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。根据这一条件，可导出导体静电平衡的若干性质。

　　　　静磁学

　　　　是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。

　　　　电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用，这种磁相互作用是通过磁场传递的，即电流在其周围的空间产生磁场，磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。

　　　　电磁场

　　　　是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。

　　　　当穿过闭导体线圈的磁通量发生变化时，线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞次定律确定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果，感应电动势遵从法拉第定律：闭合线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。

　　　　麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。

　　　　根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，变化的电磁场以电磁波的形式传播。电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种，因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。

　　　　电路

　　　　包括直流电路和交流电路的研究，是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质；交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。

　　　　直流电路由导体（或导线）连结而成，导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化，电场亦不随时间变化。

　　　　根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念，可导出直流电路的各个实用定律：欧姆定律、基尔霍夫电路定律，以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理：等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等，这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。

　　　　交流电路比直流电路复杂得多，电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化。因此存在电磁感应和位移电流，存在电磁波。

　　　　发展历史

　　　　琥珀和磁石

　　　　1。公元前的琥珀和磁石

　　　　古希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后，泰勒斯看到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用磁钱矿石吸引铁片的现象。曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是：“万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音）。

　　　　在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。据《吕氏春秋》一书记载。中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。

　　　　磁。静电

　　　　2。磁，静电

　　　　通常所说的摩擦起电。在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。

　　　　而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。

　　　　这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

　　　　2。雷和静电

　　　　在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。

　　　　到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气