История развития оптики кратко

Обновлено: 05.07.2024

Постепенное познание характеристик светового спектра с помощью линий Фраунгофера знаменует переход от геометрической оптики к оптике, связанной с материей, атомом и вселенной.

История оптики является частью истории науки . Термин оптический происходит от древнегреческого τα ὀπτικά . Это наука обо всем, что связано с глазом. Греки различают оптику на диоптрическом и катоптрическом . Мы, вероятно, назвали бы первую науку о зрении, вторую науку об линзах и третью науку о зеркалах. Крупные имена в греческой оптике - Евклид , Герон Александрийский и Птолемей .

С древности , оптика претерпели множество событий. Само значение слова менялось и от изучения зрения оно прошло в нескольких этапах, что и при изучении света , перед внесением изменений в последнее время в большее тело физики.

Первая практическая оптическая работа была посвящена разработке линз и восходит к древним египтянам и вавилонянам.

Проблемы, связанные с визуальным восприятием, не исключались из области изучения оптики до конца эпохи Возрождения, предшественники Кеплера и Декарта все еще смешивали эти два понятия.

В эпоху Возрождения развитие различных оптических инструментов ( телескоп , телескоп , микроскоп ) является основой научных революций. Таким образом, подтверждение теории Коперника наблюдениями в телескоп Галилея или открытие анималкулы благодаря микроскопу голландца Антони ван Левенгука .

Кристиан Гюйгенс и прежде всего Исаак Ньютон внесли теоретические разъяснения в оптику.

Сегодня оптика остается в центре физики, наряду с вопросами, связанными с физикой излучения.

Древние китайцы и индийцы также изучали оптику. Но в отличии от греческих ученых и арабского оптического знания древних индийских и китайских ученых очень мало влияет на впечатляющее развитие этой науки, которая имела место в Европе от Ренессанса до начала XX - го века.

Приключение оптики, как и других наук, в настоящее время приобрело глобальный характер (см. Статьи История науки и техники в Китае и История индийской науки и техники (en) ).

Резюме

древность

Первые оптические линзы были изготовлены во времена Ассирийской империи и старше -700 лет : они представляли собой полированные кристаллы . Чаще всего кварцевый - см. Фото напротив.

Подобные линзы изготавливали древние египтяне , греки и вавилоняне .

В Римляне и греки заполнены стеклянные шарики с водой , чтобы сделать чечевицу ( пламенный стекло ) , предназначенные для разжечь огонь. Несомненно, было известно об использовании призмы.

Использование очков для улучшения зрения, похоже, не практиковалось задолго до средневековья .

Первые оптические теории появились в Греции.

Что касается видения, старейшины разделились на несколько лагерей.

С 700 по 1100 год (период мусульман и викингов)

Мусульманский период

Первыми важными работами были работы Аль-Кинди (ок. 801–873): в De radiis stellarum (латинский перевод) он разработал теорию о том, что «все в мире [. ] испускает лучи во всех направлениях, которые заполняют все пространство. Мир. "

Затем Ибн Саль (около 940–1000 гг.), Персидский математик при дворе Багдада , около 984 г. написал трактат об огненных зеркалах и линзах, в котором объяснил, как изогнутые зеркала и линзы могут фокусировать свет в точке. Здесь мы находим первое упоминание о законе преломления, повторно открытом позже в Европе под названием закона Снеллиуса-Декарта. Он использовал этот закон, чтобы установить форму линз и зеркал, способных фокусировать свет в точке на оси симметрии.

Развитие теории и наблюдения (см. Дом мудрости ).
Развиваются приборы и техника: совершенствование линз, очков, астрономических обсерваторий.
Первое упоминание о законе преломления (без продолжения).

Викинги

Позднее средневековье и ренессанс

Повторное открытие древних и арабских работ ( Вителлион ) - Прогресс геометрической оптики - рождение теории перспективы (см. Статью Коническая перспектива )
Повышенный интерес к пониманию глаза как органа зрения
С XIV - го века , ученый Теодорих из Фрайберг ( † 1311 ) описал рассеяние света толстой диоптрией (в данном случае писсуарами ) и попытался на этой основе объяснить явление радуги .

XVII - го века

Вместе с Кристианом Гюйгенсом и особенно Исааком Ньютоном эта оптика знает важные теоретические разработки: Ньютон с использованием призм и линз показывает, что белый свет может не только дифрагировать, пока он не разложится на несколько источников света разных цветов, но даже перекомпонован (хроматический круг Ньютона - см. Также свет спектр ). Он создает первую твердую теорию цвета, а также выделяет интерференционные явления (кольца Ньютона). Его работы заставляют его предполагать корпускулярную природу в свете. Примерно в то же время Гюйгенс развил идеи Декарта и, наоборот, постулировал волновую природу явления (см. Принцип Гюйгенса ), положив начало волновой оптике .

В 1603 г. уже была известна флуоресценция ( около 1000 г. существовала волшебная картина с изображением китайского императора, на которой каждый вечер появлялся бык. Это был первый в истории пример материала, созданного человеком, способного излучать люминесцентный свет. [ссылка обязательна] Этот процесс был случайно открыт болонским сапожником и алхимиком Винченцо Каскариоло (1571-1624) в 1603 г. )

В 1663 году формула телескопа с увеличением за счет вторичного Джеймса Грегори .
1664: кольца Ньютона ; описание Роберта Гука
1670: двулучепреломление : открытие Исландского шпата Расмусом Бартолином
В 1671 году появился Первый телескоп Исаака Ньютона (свет, отраженный главным вогнутым зеркалом = отсутствие аберрации линзы).

7 декабря 1676 г. опубликована оценка скорости света, выраженная в астрономических расстояниях, рассчитанная на основе задержек и опережений астрономических движений ( Оле Кристенсен Ромер ).
1690: двулучепреломление : теория Кристиана Гюйгенса .

Без даты

Лучшее понимание того, как работает глаз ( Кеплер )
развитие геометрической оптики
Волновая природа света: принцип Гюйгенса ,
Рождение теории цвета ( хроматический круг Ньютона)
Корпускулярная природа света: ( Исаак Ньютон )
Технический прогресс: астрономический телескоп ( Галилео ), микроскоп ( Левенгук ), телескоп (Ньютон).

XVIII - го века

Радиометрия ( Буге - концепция яркости )
БиллЛамберт
оптические аберрации ( Эйлера )
В 1725 году аберрация света (видимое направление источника света зависит от скорости зрителя) Джеймс Брэдли (первое научное подтверждение вращения Земли вокруг Солнца ).
Открытие инфракрасного - ( Herschel 1800)

XIX - го века

В XIX - м веке, Томас Юнг с его новым опытом вмешательства и после открытия поляризационных явления лежит вопрос о природе света. Получив информацию, Огюстен Френель снова берет и совершенствует теорию Гюйгенса и может объяснить совокупность известных оптических явлений. Теория Ньютона отброшена, и свет рассматривается как вибрация очень тонкой среды, в которой купается пространство: эфира. Открытия Герца и выдающиеся работы Максвелла позволили к концу века объединить оптику и электричество в более крупном корпусе электромагнитной волны :

оптическая область светового спектра фактически составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра
световая волна становится носителем электрического и магнитного взаимодействия, оптика становится векторной; явление распространения описывается изменением векторного поля .

Первая половина (1801-1850)

Вторая половина (1851-1900)

Не очень точно датировано

Трихромия ( Гельмгольц ; Максвелл )
Теория электромагнитных волн - ( Герц , Максвелл и др. )
Сферическая аберрация и кома изображений ( Эрнст Аббе )
Рассеивание света (Рэлей)
Спектроскопия - Дифракционные решеткиЙозеф фон Фраунгофер - Густав Кирхгоф
Полуотражающиепризмы и зеркала
Николь Призма 1828
Начало фотограмметрии

XX - го века

Интерферометр Майкельсона - тип устройства, использованного в эксперименте Майкельсона Морли, который показал, что скорость света от звезд не зависит от абсолютной скорости Земли в космосе. Интерпретация этого эксперимента А. Эйнштейном породила теорию относительности.

Оптический действительно в центре физики XX - го века , что во многом является физическое излучение, его большие имена тех общих физиков Альберт Эйнштейн , Макс Планк , Луи де Бройля , Шредингер , Вернер Гейзенберг , Поль Дирак , и т.д. .

Первая половина (1901-1950)

В начале XX - го века увидел снова революция в физике с почти одновременным появлением двух основных теорий: квантовой механики и теории относительности . Гипотеза легких частиц берет часть своего старого блеска, а новая теория допускает как волновой, так и корпускулярный характер света. С другой стороны, потребность в эфире, существование которого прекращено, меньше. В квантовой оптике , в котором лазер является , вероятно, наиболее видным приложение рождается.

Вторая половина (1951-2000)

Текущий век

Раман - Рамановскоевещание
Оптическая накачка ( Кастлер ) - мазер , лазер
Появление новых технологий: волноводы ; оптические волокна ;
Квантовая оптика : фотон , туннельный эффект и др.
Интерферометрия .

Цифровые методы обработки изображений ( обработка изображений ) также появились недавно и стоят на переднем крае оптики.

Пособие по физике "Геометрическая оптика".

Краткая история развития оптики.

Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска ответа: что такое свет?

Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.

В те же годы были открыты следующие факты:

Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.

В эпоху Возрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познания окружающего мира. На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;

– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоностной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней – это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.

Истории о миражах.

(относится к теме "Миражи")

Исторический очерк. При рассмотрении исторических этапов развития оптики остановимся на открытиях, оказавших существенное влияние на формирование оптической науки и главным образом на развитие физической, или волновой, оптики.

Аристотель пришел к выводу, что окраска наблюдаемых предметов зависит от свойств среды, через которую проходят лучи света на пути от предметов к глазу. Например, солнце в ясную погоду кажется белым, а сквозь туман — красным. Учитывая это обстоятельство, он создал теорию цветов, суть которой состоит в том, что появление того или иного цвета является результатом смешивания белого цвета в различных пропорциях с темнотой. Так объяснялись тогда цвета радуги.

Про преломления света знал уже Аристотелю. Знаменитый астроном Птоломей (120 г. н. э.) открыл, что звёзды на небе изменяется вследствие преломления света атмосферой, и попытался выразить закон преломления количественно, измерив углы падения и преломления. Однако он пришел к неверному заключению, считая, что угол преломления пропорционален углу падения. Ошибка ученого объясняется тем, что Птоломей выполнял измерения только в диапазоне небольших углов. Позднее (около 1038) арабский оптик Альгазен нашёл, постоянство углов падения и преломления, но правильно выразить закон преломления не смог. Альгазен изучал также свойства глаза, отражение света в вогнутых зеркалах и другие вопросы. В теории о природе света он придерживался правильных взглядов, полагая, что лучи вызывают зрительные ощущения.

Закон преломления открыл голландец Снеллиус (около 1620), а его современную формулировку дал французский математик и философ Ренэ Декарт (1596—1650) (закон Снеллиуса—Декарта).

Оптика в средние века. В период средневековья (X—XVI вв.) наблюдается упадок во всех областях науки, в том числе и в оптике. Господствующие классы опирались на церковь и инквизицию, которые враждебно относились к материалистическому пониманию мира. Представители церкви считали, что истины церковного учения, они оказывали сопротивление новым прогрессивным теориям и взглядам в науке. В этот период оптическая наука развивалась только в направлении изучения геометрических законов и элементов, т. е. законов отражения и преломления лучей, их прохождения через линзы. Исследования же природы света почти полностью отсутствовали.

Роджер Бэкон открыл принцип действия простой линзы, нашёл ее фокус и обнаружил наличие аберраций. Бэкон изучил устройство и работу глаза; для людей со слабым зрением предложил пользоваться линзами, помещая их на рассматриваемые предметы. В XIII веке были изобретены очки. В период между XIV веком и первой половиной XVII века усиливается борьба прогрессивных материалистических идей с церковной схоластикой, происходит общий подъем науки, в том числе и оптики.

Франциск Мавролик (1494—1575) объяснил действие очков и вогнутых линз, сделал заключение о причинах аметропии глаза, т. е. его близорукости и дальнозоркости. Итальянец Порта (1538— 1615) нашёл прототип будущего фотоаппарата. Несколько вскоре изобрели микроскоп и зрительная труба, которые в середине XVII века уже нашли широкое применение.

Знаменитый итальянский учёныйГалилей (1564—1642) усовершенствовал зрительную трубу, применив отрицательный окуляр, довел ее увеличение до 30 х и использовал для исследований небесной сферы. Он сделал в астрономии ряд выдающихся открытий. Знаменитый учёный Кеплер создал фундаментальные труды оптике; тщательно изучил явление преломления света. Однако наряду g утверждением законов геометрической оптики и созданием первых оптических приборов.

Таким образом, ученые средних веков очень близко подошли к объяснению природы света как двойственной.

Зав. кафедрой общей физики общей физики Насекин Г. С.

д. ф. - м. н., профессор

"___"____________ 2000 г.

С оценкой _______________

Председатель ГАК ________

Члены ГАК ______________

Содержание

Глава I. Геометрическая оптика как наука. 4

§1.1 Краткая история развития оптики. 4

§1.2 Волновые свойства света и геометрическая оптика. 12

§1.3 Основные понятия и законы геометрической оптики и их развитие в курсе физики средней школы. 15

Глава 2. Методические разработки уроков в геометрической оптике в курсе физики средней школы. 22

§2.1 Урок на тему "Законы геометрической оптики" в 11 классе с разноуровневым обучением учащихся. 22

§ 2.2 Учебно-методическая разработка урока межпредметного содержания на тему "Глаз как оптическая система". 30

§2.3 Методика применения средств компьютерной графики в построении урока по физике в 11 классе средней школы.. 37

Глава 3. Развитие и углубление понятий геометрической оптики в формах внеклассной работы с учащимися. 43

§3.1 Методическая разработка факультативного занятия на тему "Оптические иллюзии". 43

§3.2 Конкурсный вечер на тему "Тайны световых лучей". 46

Список литературы: 52

Введение.

Учение о свете является одним из важных в современной физике. Геометрическая отптика-теоретическая основа оптотехники, теории оптических приближений и ряда других дисциплин. Основные понятия геометрической оптики необходимы каждому, независимо от избранной специальности. На основных законах геометрической оптики можно построить математическую теорию распространения света. Область явлений, изучаемых оптикой обширна. Оптические явления тесно связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным.

Но несмотря на огромное значение оптики и ее технических приложений, содержание этого раздела физики в средней школе не отражает в должной мере ее успехи. Программа по физике для средней школы содержит достаточный объем знаний по оптике, но в значительном усовершенствовании нуждается методика ее изложения, в том числе и геометрической оптики.

В связи с этим целью данной работы явилось усовершенствование методики преподавания геометрической оптики в 8 и 11 классах средней школы и разработки уроков по данной теме.

Школьники отличаются друг от друга по психолого-педагогическим показателям, таким как: интересы, склонности, скорость усвоения знаний, скорость запоминания и т. д. Возникает проблема дифференцированного подхода к учащимся. В данной работе для решения этой проблемы используется разработка урока с дифференцированным разноуровневым обучением в 11-м классе, на котором учащиеся повторяют основные понятия геометрической оптики.

Разработка урока по геометрической оптике с использованием компьютера в 11-м классе даст учащимся возможность научиться применять компьютерную графику при решении физических задач.

Развитию и расширению понятий геометрической оптики способствуют различные формы внеклассной работы, например, такие как факультативное занятие и конкурсный вечер, методические материалы для проведения которых представлены в данной работе.

Дипломная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 22 наименования.

Глава I. Геометрическая оптика как наука.

Краткая история развития оптики.

Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска ответа: что такое свет?

Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения [1].

В те же годы были открыты следующие факты:

– прямолинейность распространения света;

– явление отражения света и закон отражения;

– явление преломления света;

– фокусирующее действие вогнутого зеркала.

Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Основные положения корпускулярной теории Ньютона:

1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник (рис. 1.1.1).

2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового.

3) Белый цвет – смесь всех цветов.

4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютно упругого удара (рис. 1.1.2).

5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем оптически плотнее среда, тем угол преломления меньше угла падения (рис. 1.1.3).

– это скорость корпускулы в среде с показателем преломления n ₁;

– это скорость корпускулы в среде с показателем преломления n ₂.

По мнению Ньютона, втягивающая сила второй среды влияла только на вертикальную компоненту скорости , вызывая ее увеличение [2].

6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.

7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах.

История оптики неразрывно связана с естественнонаучными и философскими работами мыслителей древнего мира. Первые оптических исследований появились в результате наблюдений за тенью, отбрасываемой предметами, за отражением и преломлением света в драгоценных камнях, в воде или во льду, опытов, сделанных с помощью Оптика — греческого происхождения, τα ὀπτικά [1] , оно связано со зрением. [2] Оптика была значительно преобразована событиями в средневековом исламском мире, когда были сформулированы начала физической и физиологической оптики и затем значительно продвинулась в ранней современной Европе, где началась классическая оптика. Современная оптика резко расширила области необходимых исследований, в значительной степени связанных с развитием в 20-ом столетии знаний об электромагнитном излучении, квантовой оптики (лазеры) и нелинейной оптики.

Содержание

Ранняя история оптики

Самые ранние известные линзы были сделаны из полированных кристаллов, часто кварца; их датируют приблизительно 700 до н.э для ассирийских линз, типа [3] Есть много подобных линз из древнего Египта, Греции и Вавилона. Древние греки заполняли стеклянные колбы водой, чтобы получить линзы. Однако в европейских странах о стеклянных линзах не думали до Средневековья.

Некоторые линзы, установленные в древнеегипетских статуях, намного старше, чем упомянутые выше. Несколько сомнительно, действительно ли они изготавливались как линзы, но они — несомненно стеклянные и по крайней мере были декоративными предметами, которые использовались как украшения. В статуях создаётся впечатление правильного выполнения анатомической схемы глаза.

В 55 до н.э, Лакретиус, католик, который продолжил развитие идей ранних греческих атомистов писал:

В его Катоптрике, Герой Александрии показал геометрическим методом, что фактическая дорожка луча света, отраженного от плоскости зеркала, короче чем любая другая отраженная дорожка, которая могла бы быть оттянута между источником и пунктом наблюдения.

В переводе двенадцатого столетия, назначенном на римского математика Клавдия Птолеми, было описано исследование преломления, включая атмосферное преломление. Предложено, что угол преломления пропорционален углу падения. < Клавдий Птолемей>[3]

Позже в 499, Aryabhata, кто предложил heliocentric солнечная система тяготения в его Aryabhatiya, написал, что планеты и Луна не имеют их собственного света, но отражают свет Солнца.

Индийские Буддисты, типа Dign?ga в 5-ом столетии и Dharmakirti в 7-ом столетии, развивали тип атомизма, который является философией о действительности, составляемой из атомных объектов, которые являются мгновенными вспышками света или энергии. Они рассмотрели свет, как являющийся атомным юридическим лицом, эквивалентным энергии, подобной современному понятию фотонов, хотя они также рассмотрели весь вопрос, как составляемый из этих частиц света/энергии.

Начала геометрической оптики

Ранние авторы обсуждали, что рассматривая зрение имеет место больше понятие геометрическая оптика, нежели физическая, физиологическая, или психологическая суть. Первый известный автор трактата по геометрической оптике был топографом — Эвклидом (c. 325 до н.э 265 до н.э). Эвклид начал своё исследование оптики как геометрической, так как геометрия начинается с рядом самоочевидных аксиом.

Линии (или визуальные лучи) могут быть оттянуты в прямой линии к объекту.
Те линии, падающие на объект, формируют конус.
Те вещи, на которые падают линии, замечены.
Те вещи, замеченные под большим углом, кажутся большими.
Те вещи, замеченные более высоким лучом, кажьтесь выше.

Правые и левые лучи кажутся правыми и левыми. Вещи, замеченные в пределах нескольких углов, кажутся более ясными. Эвклид не определял физическую природу этих визуальных лучей, но, используя принципы геометрии, он обсуждал эффекты перспективы и округления вещей, замеченных на расстоянии.

Как Герой, Птолемей (c. 90-c. 168), считал, что световые лучи исходящие из глаза к объекту замечены, но в отличие от Героя полагал, что визуальные лучи не были дискретными линиями, а представляли непрерывный конус. Птолемей расширял исследование видения вне прямого и отраженного видения; он также изучил видение преломляемыми лучами (диоптрика), когда мы видим объекты через интерфейс между двумя СМИ различной плотности. Он провел эксперименты, чтобы измерить дорожку видения, когда мы смотрим от воздуха до воды, от воздуха до стекла и от воды до стекла, и все сведенния ввёл в таблицу отношения между инцидентом и преломляемыми лучами. [5]

Его сведенные в таблицу результаты были изучены для воздушного водного интерфейса, и вообще, ценности, которые он получил, отражают теорию преломления. Данные соответствуют современной теориии, но в сязи с искажёнными выбросами можно представить результаты как априорную модель Птолемея природы преломления.

Оптическая революция в исламском мире

Воспроизводство страницы рукописи Ибна Сахла, показывающей его открытие закона преломления, теперь известного как закон [6] Эта теория активной власти лучей имела влияние на более поздних Западных ученых, типа Роберта Гроссетеста и Роджера Бакона. [7]

Ибн Сахл (c. 940—1000) был персидским математиком, связанный с судом Багдада. Приблизительно в 984 он написал трактат [8] Он использовал свой закон преломления для вычисления формы линз и зеркал, которые сосредотачивают (фокусируют) свет в единственном пункте на оси.

Начала физической оптики

Ibn al-Haytham доказал, что свет распрстраняется в виде прямых линиий, используя научный метод в [21] , [22] Книга Оптика установила проведение экспериментов как норму доказательств в оптике, [23] и дала оптике physico-математическую концепцию намного более раннего времени, чем другие математические дисциплины астрономии и механики. [24] Книга имела влияние в Исламском мире и в Западной Европе.

Avicenna (980—1037) согласился с Alhazen, что скорость света конечна, поскольку он заметил, что, если восприятие света происходит из-за эмиссии своего рода частиц люминесцентного источника, скорость света должна быть конечной. [25] Abu Rayhan Biruni (973—1048) также согласился, что свет имеет конечную скорость, и он был первым, который обнаружил, что скорость света намного выше, чем скорость звука. [26]

В последних 13-ых и ранних 14-ых столетиях, Al-шум Qutb al-Shirazi (1236—1311) и его студент Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1260—1320) продолжал работу Ibn al-Haytham, и они были первыми, которые дали правильные объяснения явлению радуги. Kamāl al-Dīn al-Fārisī издал свои полученные данные в Китабе Tanqih al-Manazir (Пересмотр [Ibn al-Haytham’s] Оптика). [28]

Начала физиологической оптики

Оптика в средневековой Европе

Оптическая диаграмма показывает свет, преломляемый сферическим стеклянным контейнером, полным воды. (от Роджера Бакона или Роберта Гроссетеста)

Английский епископ, Роберт Гроссетест (1175—1253), на широком диапазоне научных тем во время происхождения средневекового университета и восстановления работ Аристотеля создал свои труды. Grosseteste отразил период перехода между Учением Платона раннего средневекового изучения и нового Aristotelianism, он имел тенденцию применять математику и Платоническую метафору света во многих из своих рукописных трудов. Его рассуждения о свете выражаются в виде четырех различных перспектив: эпистемологии света, метафизики или космогонии света, этиологии или физики света, и как богословиясвета. [43]

Другой английский Franciscan, Джон Печам (умер 1292) основывался на работе Бекона, Grosseteste, и разнообразного диапазона более ранних авторов, чтобы произвести то, что стало наиболее широко используемым учебником по Оптике Средневековья, Perspectiva communis. Его книга сосредоточилась на вопросах о видении, на том, как мы видим, а не по природе света и цвета. Pecham следовал за моделью, сформулированной Алхейкном, но интерпретировал идеи Алхейкна под углом зрения Роджера Бакона. [47]

Как его предшественники, Witelo (1230—1280 x 1314) привлекал обширный материал оптических работ, недавно переведенных с греческого языка, и арабского, чтобы произвести массивное представление предмета с прицелом на Perspectiva. Его теория видения следует за Алхейкном, и он не рассматривает понятие Бекона разновидностей, хотя проходы в его работе демонстрируют, что он был под влиянием идей Бекона. Судя по числу выживания рукописей, его работа хоть не влияла как таковые из Pecham и Бекона, но все же была важной, которые (Pecham) увеличивались с изобретением печати. [48]

Питер Лиможа (1240—1306)
Зэодорик Фрайберга (приблизительно 1250 — приблизительно. 1310)

Ренессанс и ранняя современная оптика

Willebrord Snellius (1580–1626) открыл математический закон преломления, известного как закон Поводка, в 1621. Впоследствии Renй, Декарт (1596–1650) показал, при использовании геометрического строительства и закона преломления (также известный как закон Декарта), что угловой радиус радуги является 42 ° (то есть угол подимел тенденцию в глазу краем радуги и луча, проходящего от солнца до центра радуги, - 42 °). [50] Он также независимо обнаружил закон отражения, и его эссе относительно оптики было первым изданным упоминанием об этом законе. [51]

Christiaan Huygens (1629–1695) написал несколько работ в области оптики. Они включали Оперу reliqua (также известный как Кристиани Худжений Зуиликемийй, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma) и Traitbe de la lumiaere.

Сэр Исаак Ньютон в 46 в 1689 портретах Годфри Неллера

В его Гипотезе Света 1675, Ньютон принимал существование эфира, чтобы передать силы между частицами. В 1704 Ньютон издал Opticks, в котором он разъяснил его корпускулярную теорию света. Он полагал, что свет был составлен из чрезвычайно тонких частиц, что обычный вопрос был сделан из grosser частиц и размышлял, что через своего рода алхимического превращения "Не Тела брутто и Освещают конвертируемый в друг друга. и Разве тела, возможно, не получают большую часть их Деятельности от Частиц Света, которые входят в их Состав?" [52]

Начала дифракционной оптики

Эскиз Томаса Юнга дифракции с двумя разрезами, которую он представил Королевскому Обществу в 1803

Эффекты [53] , [54] Айзек Ньютон изучил эти эффекты и приписывал их преломлению легких лучей. Джеймс Григорий (1638–1675) наблюдал образцы дифракции, вызванные пером птицы, которое было эффективным первым трением дифракции. В 1803 Томас Юнг сделал его известный эксперимент, наблюдая вмешательство от двух близко расположенных разрезов. Объясняя результаты вмешательства волн (наложения), происходящих от двух различных разрезов, он вывел, что свет должен размножиться в виде волн. Френель Огастина — Жана сделала более фундаментальные исследования и вычисления дифракции, изданной в 1815 и 1818, и, таким образом, оказала большую поддержку теории волны света, который был продвинут Christiaan Huygens и повторно подбодрен Молодым, против теории частицы Ньютона.

Линзы и производство линз

Самые ранние известные линзы были сделаны из полируемого кристалла, часто кварца, и были датированы уже 700 до н.э для ассирийских линз, типа Layard / линза Nimrud.[2] Есть много подобных линз древнего Египта, Греции и Вавилона. Древние Католики и Греки заполняли стеклянные сферы водой, чтобы сделать линзы.

О стеклянных линзах не думали до Средневековья. Ibn al-Haytham (Alhacen) написал об эффектах крошечного отверстия и вогнутых линз в его Книге Оптики, [55] , [56] , работы которого влияли на развитие современного телескопа. [57] Самое раннее свидетельство "устройства увеличения, выпуклая линза, формирующая увеличенное изображение," также относится ко времени его Книги Оптики. [58] Роджер Бакон использовал части стеклянных сфер как лупы и рекомендовал им использоваться, чтобы помочь людям читать. Роджер Бакон получил его вдохновение от Alhacen в XI-ом столетии. Он обнаружил, что свет достояние объектов и не излучается ими. Приблизительно 1284 в Италии, Salvino D'Armate в описаниях даётся как изобретель первых пригодных очков глаза. [59]

Между XI-ым и XIII-ым столетием "было изобретено чтение камней". Часто используемый монахами, чтобы помочь в освещении рукописей, они были примитивными плоско-выпуклыми линзами, первоначально сделанными, сокращая стеклянную сферу в половине диаметра. Поскольку камни были опытными и это долго понималось, что более мелкие линзы увеличивают более эффективно.

Есть некоторое документальное свидетельство, но никакие выжившие проекты или физические свидетельства о том, что принципы телескопов были известны в конце XVI-ого столетия. Леонард Дигджес, [60] Al-шум Taqi [61] и Джамбаттистаа Делла Порта [62] связаны c независимо развитыми элементарными телескопами в 1570-ых и 1580-ых. Однако, самые ранние известные рабочие телескопы были преломляющими телескопами, которые появились в Нидерландах в 1608. Их создание приписывается трем людям: Хансу Липпершейю и Зачариасу Джанссену, которые были изготовителями зрелища в Мидделбурге, и Джекобому Метиусу Alkmaarу. Галилео существенно улучшал эти проекты в следующем году. Айзеку Ньютону приписывают строительство первого функционального телескопа отражения в 1668 с его ньютоновским отражателем.

Первый микроскоп был сделан приблизительно в 1595 году в Middleburg, Голландии. [63] Три различных изготовителя линз получили статус изобретения: Ханс Липпершей (кто также создавал первый реальный телескоп); Ханс Джанссен; и его сын, Зачариас. Чеканка названия "микроскоп" принадлежит Джованни Фаберу, который дал это название к составному микроскопу Галилео Галилея в 1625 году. [64]

Квантовая оптика

Свет составлен из частиц, названных фотонами и следовательно неотъемлемо квантуется. Квантовая оптика — исследование природы и эффектов света как квантуемые фотоны. Первый признак, что свет мог бы квантоваться, исходит от Макса Планка — 1899г., когда он правильно моделировал излучение чёрного тела, предполагая, что обмен энергией между светом происходит в дискретных количествах, которые он назвал квантами. Было неизвестно, был ли это источник отделных частиц (квантов) или светом. В 1905, Альберт Эйнштейн издал теорию фотоэлектрического эффекта. Казалось, что единственное возможное объяснение эффекта было квантованием света непосредственно. Позже, Нилс Бохр показал, что атомы могли только испустить дискретные количества энергии. Понимание взаимодействия между светом и вопросом, следующим из этих событий не только сформировало основание квантовой оптики но также и было основой развития квантовой механики в целом. Однако, подполя квантовой механики, имеющей дело с вопросом взаимодействия света, были преимущественно расценены как исследование гипотетическим, а не исследования природы света и следовательно, каждый скорее говорил о физике атома и квантовой электронике.

Это изменилось с изобретением maserа в 1953 и лазера в 1960. Наука лазерного исследования на принципиальной основе, проект и оглашение всего этого стало основами важной области. Квантовая механика легла в основу принципов лазера и была изучена после этого с большим количеством акцентов на свойства света, и название "квантовая оптика" стало общепринятым.

Поскольку лазерная наука нуждалась в хороших теоретических фондах, и также потому, что исследование в них скоро оказалось очень плодотворным, интерес в квантовой оптике повысился. После работы Dirac в квантовой полевой теории, Джордж Садаршан, Рой Дж. Глобер, и Леонард Мандэль применяли квантовую теорию к электромагнитной области в 1950-ых и 1960-ых, чтобы получить более детальное понимание фотообнаружения и статистики света (см. степень последовательности). Это приводило к введению единого понятия как квантовое описание лазерного света и реализации, при котором некоторые понятия света не могли быть описаны классическими волнами. В 1977, Kimble и др. демонстрировал первый источник света, который основывался на квантовом описании: это единственный атом, который испускал один фотон одновременно. Другое квантовое понятие света с определенными преимуществами перед любым классическим понятием — сжатие светом, которое было было вскоре предложено. В то же самое время, развитие короткого и ультракороткого лазера, созданного импульсом Q-переключением и захватом способа, открыло методы и путь к исследованию процессов квантовой теории необычно быстро ("ультрабыстро"). Заявления для исследования твердого тела (например. Спектроскопия Raman), были найдены, и механические силы давления света по данному вопросу были изучены. Последний приводил к созданию и расположению облаков атомов или даже маленьких биологических образцов в оптической западне или оптическом пинцете лазерным лучом. Это, наряду с охлаждением Dopplerа — были совершенствованием технологии, что стало достижением знаменитого уплотнения Bose-Einstein.

Другие замечательные результаты — демонстрация квантовой запутанности, квантовой телепортация, и (недавно, в 1995) квантовые логические ворота. Последние представляют большой интерес в квантовой информационной теории, представляют материал, который частично появился от квантовой оптики и частично от теоретической информатики.

Рис.2,Получение размеров биологических наноструктур сверху-вниз и снизу-вверх

Исследование в квантовой оптике, которая стремится приносить фотоны с использованием для информационной передачи и вычисления, теперь часто называют photonics, чтобы подчеркнуть требование, что фотоны и photonics сыграют большее значение, которое электроны и электроника теперь имеют. [65]

Читайте также: