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牛顿光学理论对光学发展的推动作用及其影响武 涛 1207020064 （江西师范大学物理与通信电子学院）摘要：牛顿通过种种实验观察了解光的性质，提出了光的“微粒说”。随后，牛顿以微粒说解释光的直线传播,解释反射、折射现象。牛顿又进行了“牛顿环”的实验，后来杨以其光波干涉理论对牛顿环作了精确的计算。牛顿又指出“光也能具有几种性质”,涉及振动、碎发等。引起了后来学者持续不断的研究。关键词：光学 牛顿 粒子说 波动说1. 引言牛顿(1643一1727)广为人知的巨著自然哲学的数学原理(以下简称原理),是近代科学发展过程的里程碑。然而，他的另一部著作光学关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文(以下简称光学),不仅记载了这位伟人揭示神秘的光的本质的初步探究，同时也引领了一种全新的对光的本质的认识“粒子说”。1对该学说的研究和验证，引发了人们对光学本质的进一步思考，进而催生出另一种光学模型“波动说”。为后来光学的“波粒二象性”奠定了理论基础并提供了大量的实验依据。众多杰出的近现代科学家对该理论的思考和进一步研究，激发了了人们对量子理论创生的需求。在思想上推动了整个近代物理的发展。2. 几何光学时期的时代背景1657 年费马（Fermat）提出著名的费马原理，并推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础，光学开始真正形成一门科学。牛顿在 1666 年提出光的微粒理论：光是高速运动的细小微粒。并以此理论为依据，解释光的直线传播和反射折射定律，但是该理论在解释牛顿圈和光的衍射现象时，遇到了很大的问题。2另一方面，1678年惠更斯提出了与微粒理论完全不同的光的波动理论：光是在“以太”中传播的波。成功的解释了光的反射和折射定律，方解石的双折射现象，但他的理论的局限性在于，没有指出光的周期性和波长的概念，波动作为一种性质二不是一种本质存在，没有脱离几何光学的束缚。3此后 100 多年时间里两种理论不断争斗，18 世纪以前微粒理论占上风，这种优势在 19 世纪初被打破。43. 牛顿的光学研究成果3.1光颜色理论图2-1 牛顿的棱镜色散实验1666年,牛顿进行了著名的棱镜色散实验，如图2-1, 在点光源前放置第一个棱镜,太阳光通过棱镜后投射于第一个屏上，看到一段彩色的光带。5而此屏上也开一小孔，一部分光线透过屏后的第二个棱镜折射到另个屏上;之后,缓慢转动第一个棱镜,发现第一个屏上的彩色光带上下移动,并以此改变都过小孔的光的颜色。观察到现象,被第一棱镜折射最明显(不明显)的紫(红)光,被第二棱镜折射也最明显(不明显)。并依此现象做出判断：“不同颜色光的折射程度不同,白光正是由各种不同颜色光的非均匀的混合体”即是著名的“光色理论”。 牛顿光色理论的结论，刷新了当时人们对光的认识。从此，人们对于白光的认知不再是单纯的和简单地。取而代之的事，更具先进性和科学性的“七色光”。6这一点十分重要，光学作为物理研究体系中的重要的一部分，对其的研究渐渐进入了系统化、科学化、严谨化的时代。7在光色理论的基础上所得到的光的颜色和频率的对应关系，成为了光的波动性学说的重要组成部分。可以说，光色理论打开了人们对光认知的大门，把人们对光的认识从原始社会的神话膜拜改进到现代社会的科学系统。除了光色理论的结论本身，棱镜色散实验的巧妙方法在后人研究中的影响也是潜移默化的。8例如，对氢原子光谱的研究就明显包含着棱镜色散的方法和光色理论的基础。3.2牛顿环理论图2-2“牛顿环”实验装置当人们观察玻璃、水等物质被制作成薄膜或薄片时（如水产生的泡沫），发现薄膜会依据其厚度而呈现出不同的颜色。牛顿进行了著名的牛顿环实验。如图2-2，他将一个平凸透镜的平面放在一个双凸透镜上方，将他们渐渐压紧，观测到圆环的中心陆续出现各种颜色。9实际上，当光源使用的是单色光时，我们将会观测到若干明暗相间的“同心圆”条纹。当平行单色光从上方入射到上述两透镜之间形成的空气膜时，一部分光线将发生反射，而另一部分入射到空气层，这部分光线在入射到第二个透镜时，其中的一部分将发生第二次反射。当这两部分反射光线的光程差满足一定条件时（实际上这和光源的波长有关），两光束就可以产生相互加强或减弱的干涉现象，在加强情况下看到的是亮环，在减弱情况下则是暗环。在“牛顿环”的实验中我们看到，虽然牛顿主张光的“粒子性”，但是牛顿环实验的现象却似乎超越了“粒子学说”所能解释的范围。牛顿为此提出了猝发理论，他在光学中写道：“每条光线在它通过任何折射面时都要进入某种短暂的组态或状态，这种组态或状态在光线行进中按相等的间隔复原，并且在每次复原时倾向于使光线容易穿过下一个折射面，而在两次复原之间则容易被它所反射。”10牛顿还给出猝发间隔的定义，“任何一条光线被反射倾向的复原，就称做容易反射的猝发；而它的透射倾向的复原就叫做容易透射的猝发，每一次复原和下次复原之间光线通过的距离称为猝发间隔”。11实际上，猝发间隔的大小就是我们后人所熟知的波长数值的一般，即半波长。牛顿环实验及对其的研究的意义在于，根据牛顿所提供的空气薄膜厚度的数据，可以计算出实验光源的波长，这对波动光学理论的建立和波长的测定做出了重要贡献，而且牛顿环的现象非常直观地反映了光周期性，从而强有力的佐证了光的波动性，为光的“波粒二象性”的特性的探究提供了实验基础。4. 牛顿光学的历史影响18世纪科学研究的特征倾向是:为了说明各种物理现象而引入了承担各种现象的假想流体。12当时的人们倾向于用力学的理论解释光学现象。因此，单个粒子的运动比起大量粒子运动而形成的波动更容易被当时的人们接受。牛顿的对光的反射和折射的研究似乎也表明，把光视作定向运动的粒子解决问题更简明也更符合人们当时对世界的认知。然而，随着牛顿对光学研究的深入以及对光学现象的大胆假设和思考，“简单粒子”的理论遇到了瓶颈。13基于粒子的解释和理论为了适应光实际存在的“波动性”开始变得繁琐而难以理解。当色散理论、牛顿环实验、干涉现象、衍射现象、惠更斯原理（子波原理）等研究不断发展时，光的“波动性”才得到应有的重视。14牛顿的光学理论引发了世人对光及光现象的科学思考。牛顿将实验和计算巧妙结合，综合而出的科学产物在当时引领了科学的发展方向。粒子说的建立和不断发展阶段性地成功解释了一部分光学现象。随着粒子理论发展遇到困难，波动学说的思想基础已经形成。15至此，经典光学大厦的基础已开始成型。在此基础上发展起来的光学构建了一个完整的学科体系，也实现了众多伟大的应用。因此，牛顿光学理论是学科的一次突破，也是科学方法论的典范。参考文献1H. J.Steffens, The development of newtonian optics in EnglandM, New York : Neale WatsonAcademic Publications, 19772郭奕玲 沈慧君，物理学史M，北京：清华大学出版社，2005，131-1403斯杰潘诺夫B H.光学300年.北京:科学普及出版社,19814牛顿.光学.北京:科学普及出版社,1988.157,189-2255韩君芳，牛顿对色散研究的贡献，青海师范大学学报J，2012（3）：23-256朱伟忠，牛顿的判决性实验和白光与颜色理论，原理-时代的巨著C，成都：西南交通大学出版社，1988，184-1917 英韦斯特福著 郭先林等译，牛顿传M，北京：中国对外翻译出版公司出版，19988 Dennis l.sepper，Newtons optical writings: a guided studyM，Rutgers University Press,20119李艳平 申先甲，物理学史教程M，北京：科学出版社，200310 A. R. Hall, All was light:An introduction to Newtons OpticksM,Clarendon Press, 201211颜峰 李国秀，照亮宇宙的智慧之光牛顿M，合肥：安徽人民出版社，201012谢邦同，世界经典物理学简史M，沈阳：辽宁教育出版社，198813Nassau,K著 李士杰等译，颜色的物理与化学M，北京：科学出版社，201114姚启均，光学教程M，北京：高等教育出版社，200215张瑞琨，牛顿的光学的研究和光的本性之争，物理教学J，1985(1) （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）