菲涅耳与泊松亮斑.doc

菲涅耳与泊松亮斑菲涅耳与泊松亮斑陈育成 菲涅耳于 1788 年出生在诺曼底省的布罗格利，当时法国革命即将爆发他的父亲是一位建 筑家，他的母亲是梅里美家族的成员这个家族由于她的兄弟莱翁诺而著名他是一位名画家， 他的儿子即菲涅耳的表兄弟普罗斯佩．美是一位著名的文学家，他的短篇小说《卡门》是著名 歌剧的主题，由此使得人们永远怀念他菲涅耳和他在光学上的主要竞争对手托马斯．杨不同，他智力发展较迟，对语言研究也不擅 长但在九岁时，菲涅耳开始显露出了非凡的技术才能，他依据科学原理制成了一种玩具枪、 弓和箭他的身体不太好，但十六岁时就进入理工学校学习，然后又从那里转到了土木工程学 校他在政府里任工程师，在法国各省修建道路和桥梁在与科学界完全隔绝的情况下，他在 那里开始把研究光的性质作为一种业余爱好 1815 年拿破仑从厄尔巴岛回到了法国，他是在前一年战败后被欧洲列强关禁在岛上的于 是一股热情的狂潮震撼着整个法国，同时也受到了拿破仑反对者同样强烈情绪的抵制菲涅耳 是反对拿破仑的人物之一，为此重建的百日帝国革除了他的职务，先后把他送到了尼翁和马蒂 厄村关禁起来由于滑铁卢之战后波旁家族第二次回来掌权，菲涅耳才在 1815 年底恢复了积极 的活动。

然而就在这几个月内菲涅耳已经开始了好几项足以引起光学革命的研究他观察了来自一 个半平面的衍射，并依靠他的数学技巧，把周期振动概念与惠更斯原理的精确表述结合起来， 对衍射现象提出了一个细致的理论菲涅耳设法离开了他的禁闭地点，到巴黎去拜访了阿拉戈 （当时著名的科学家） 阿拉戈立即发现了他的才能不幸的是，阿拉戈不得不坦率地告诉他， 他得到的结果在很大程度上已由杨占先了但是，菲涅耳的工作更为详细和定量化，它有着较 大的创新性，因而可以在科学院院刊上发表在这篇论评文发表后不久，他接着又发表了同一 课题的第二篇论文阿拉戈和以研究陀螺仪著名的数学家普安索被指定为菲涅耳论文的审查人 他们从菲涅耳的上司那里为他得到了一个假期以便他利用阿拉戈的实验设备在巴黎研究几个 月菲涅耳在马蒂厄进行研究时得到一个乡村铁匠的帮助，制造出一些实验工具来使用，例如 测微计、狭缝等这之后，菲涅耳从衍射现象的研究转到了薄片颜色的研究在这方面，杨依 然是走在前面的佼佼者1818 年被阿拉戈和拉普拉斯引荐参加法国灯塔照明改组委员会1823 年被吸收为巴黎科学院院士，1827 年获伦敦皇家学院伦福德奖章他依靠微薄的收入维持自己 的科学研究工作。

1824 年因大出血而不得不终止了一切科学活动菲涅耳于 1827 年因肺病卒 于巴黎附近的阿弗雷城，终年三十九岁1815 年，菲涅耳向科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告，这时他还不知道托马 斯．扬关于衍射的论文菲涅耳以光波干涉的思想补充了惠更斯原理，认为在各子波的包络面 上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义 但同托马斯．杨所认为的衍射是由直射光束与边缘反射光束的干涉形成的看法相反，菲涅耳认 为屏的边缘不会发生反射那时波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难菲涅 耳和阿拉戈总结了偏振光的干涉规律，发现两束偏振光当它们的反射面互相平行时可以发生干 涉；但当反射面互相垂直时，干涉现象就消失就是说，两束互相垂直的偏振的光线，彼此不 发生干涉作用，而原来偏振方向相同的两束光，就好象寻常光线一样地可以发生干涉1817 年，一直在为波动说的困难寻找解决办法的托马斯．杨觉察出，如果光的振动不是象 声波那样沿运动方向作纵向振动，而是象水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题或许可以得到解决1817 年初，杨写信给阿拉戈说：“……虽然波动说可以解释横向振动 也在径向方向并以相等速度传播，但粒子的运动是在相对于径向的某个恒定方向上，而这就是 偏振。

”阿拉戈立即将托马斯．杨的这一新想法告诉了菲涅耳，菲涅耳当时已经独立地领悟到了 这个思想，而且还得出了一系列其他的重要结论，其中包括偏振面转动理论，反射和折射理论， 双折射理论但是，光振动是横向的这个假设是非常大胆的，因为根据弹性理论，在稀薄的以 太里是不可能产生横向振动的所以，阿拉戈虽然和菲涅耳一起进行了关于偏振光干涉的研究， 而当菲涅耳用横波观点对实验结果进行解释时，阿拉戈却不敢和他一起发表这个新见解论文 的这一部分是以菲涅耳的名义表达的1818 年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是，利用精确的实验确定光线的衍射效应； 二是，根据实验，用数学归纳法推求出光线通过物体附近时的运动情况在阿拉戈的鼓励与支 持下，菲涅耳向科学院提出了应征论文，他从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，用半周 带的方法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，而且与实验符合得很好 但是，菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子说者的反对，评奖委员会的成员泊松运用菲涅耳的方 程推导出关于盘衍射的一个奇怪的结论：如果这些方程是正确的，那么当把一个小圆盘放在光 束中时，就会在小圆盘后面一定距离处的屏幕上盘影的中心点出现一个亮斑；泊松认为这当然 是十分荒谬的，所以他宣称已经驳倒了波动理论。

菲涅耳和阿拉戈接受了这个挑战，立即用实 验检验了这个理论预言，非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑 在托马斯．杨的双缝干涉和泊松亮斑的事实的确证下，光的粒子说开始崩溃了菲涅耳的研究成果，标志着光学进入了一个新时期―弹性以太光学的时期这个学说的成 功，在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此他被人们称为“物理光学的缔造者” 高级中学物理实验室所配备的激光光学演示仪，能够演示所有几何光学实验，也能演示波 动光学中的所有实验，但是在光的衍射部分，说明书中却只有单缝、双缝、三缝、四缝、光栅、 圆孔、方孔、三角孔衍射实验，而没有光绕过障碍物（如细丝、圆盘等）的衍射实验泊松亮 斑实验是非常重要的衍射实验，正是在泊松亮斑面前，传统的光的粒子说才土崩瓦解，泊松亮 斑是光的波动说的重要证据能让学生亲眼见到泊松亮斑对学生建立光波概念非常重要下面 介绍一下我们的泊松亮斑实验 [实验器材实验器材] 激光光学演示仪、凹透镜、载玻片、细铜丝、头发丝、金粉、胶水 说明：对于障碍物有些资料中介绍使用 3～5mm 的小钢球或用高压锅耐压片我选用焦距 为 7.5cm 的两个凹透镜对激光束进行扩束比较理想的障碍物有大头针屁股、大头针截段、回 形针截段、圆珠笔头等。

大头针截段和回形针截段在截取的过程中很难保持其截面为圆形，实 验时能看到亮斑，但周围衍射条纹毫无规则圆珠笔头最为理想，但其为光滑球体，难以固定泊松亮斑对障碍物的要求是圆形、光滑、不透光我们最终选择了金粉与胶水的混合液， 用头发丝沾起后点在载玻片上，待其干燥后即成为光滑不透光的小圆点，作为障碍物效果十分 理想 [实验原理图实验原理图] [实验步骤实验步骤] （1）用透明胶将细铜丝和头发丝固定在载玻片上（注意：只可两端粘连） ，将胶水与 金粉混合，搅拌后用头发丝沾起后点在载玻片上 （2）接通电源，按原理图安装好凹透镜、载玻片，调整平面镜角度 （3）以教室后墙为屏幕，即可看到清晰的圆环形衍射条纹，圆环中心的亮斑即为著名 的泊松亮斑也可以以每个学生手中的白纸为屏幕，这样每个学生都可近距离观 察到清晰的圆环形衍射条纹和泊松亮斑 （4）若以头发丝和细铜丝为障碍物，则可观察到平行的衍射条纹，中心一条为亮条纹。