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第一节 早期的微粒说和波动说,高二 第六章 光的波粒二象性,人类对光的本性 的认识,问题的提出,光学或光的学问最初的出现，是试图回答为什麽人能够看见周围物体这样一个问题-光到底是什麽？,中国古代光学成就,墨子是墨家学派的创始人，战国初期伟大的思想家 、政治家，也是一位有卓越贡献的自然科学家。,小孔成像,“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。” -墨经,光的一种基本性质是：,光在同一种均匀物质里是直线传播的,事实,影的形成,小孔成像,光的另一种性质是 光线具有相交时互不扰乱的本领-光传播的独立性,光学研究,光现象-光本性,建立学说 解释现象,观测现象 总结规律,会怎样？,是什么？,光的本性学说的发展史,萌芽期 （2300多年以前-17世纪）,17世纪的微粒说和波动说,19世纪初波动说理论的完善与发展,19世纪下半叶光的电磁说,20世纪初光的量子说（光子说）,光的波粒二象性,-？,17世纪同时出现了两种学说： - 牛顿的微粒说和惠更斯的波动说.,vs,第一节 早期的微粒说和波动说,惠更斯是经典物理学的先驱者之一。他处在伽里略之后、牛顿之前的时期，在力学和光学方面作出了突出的贡献，因此有人评论说：“真正的运动学-动力学的创建要归功于伽里略，而惠更斯作了进一步的发展，牛顿使它达到某种程度上的完成”，这是有道理的。惠更斯的许多著作是在他去世后发表的，这可能是他在科学上的影响小于牛顿等人的主要原因。,克里斯琴·惠更斯 （1629-1695），荷兰物理学家、数学家、天文学家。,1、微粒说,（1）内容：光是从光源发出的一种物质微粒。 （2）主要代表人物：牛顿。 （3）提出依据：光的直线传播和反射现象。,（4）能解释的现象,光的直线传播 光的反射,一、微粒说和波动说,（5）微粒说的困难,不能解释：,一束光射到两个介质分界面同时发生反射及折射现象,光的衍射现象更难用微粒说解释。,光的独立传播原理,2、波动说：,(1) 内容：光是某种振动，在弹性介质中以一定的速度传播，即光是某种波。 (2) 主要代表人物：惠更斯。 (3) 实验基础：光的独立传播规律。,(4) 能解释的现象： 介质表面同时存在的反射及折射现象 光的独立传播规律,(5) 波动说的困难：理论粗糙,不能解释：光的直线传播 光能够在真空中传播的现象,二、波动说与微粒说的交锋,1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。,波动说与微粒说的交锋,1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第，首先发现了光的衍射现象。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。,波动说与微粒说的交锋,1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。,波动说与微粒说的交锋,不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是一种纵向波”的假说。,胡克（Robert Hooke， 16351703）英国实验物理学家，仪器发明家,波动说与微粒说的交锋,然而1672年，伟大的牛顿在他的论文关于光和色的新理论中谈到了他所作的光的色散实验：他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。 第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。,波动说与微粒说的交锋,1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文关于光和色的新理论基本上持以否定的态度。,1675年12月9日，牛顿在说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。 由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。旧的问题还没有解决，新的争论已在酝酿之中了。,波动说与微粒说的交锋,惠更斯提出了波动学说比较完整的理论。惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。,波动说与微粒说的交锋,1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著光论。在光论一书中，他系统的阐述了光的波动理论。同年，惠更斯发表了反对微粒说的演说。1690年，光论出版发行。,就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作光学。基于各类实验，在光学一书中，牛顿一方面提出了反驳惠更斯的理由：光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子。,波动说与微粒说的交锋,为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）光学才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。 这是否意味着波动说永久的沉默呢？,另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。,波动说的胜利,1801年英国年轻的医生托马斯杨进行的著名的双缝干涉实验，提出了他的干涉原理，测出了红光和紫光的波长，用干涉原理解释了衍射现象。可是十分遗憾，杨氏的重大成果没有得到重视，其干涉原理被指责为“荒唐”。直到菲涅耳提出波动理论后才得到肯定。,波动说的胜利,菲涅耳继杨氏之后，于1815年用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，-提出了惠更斯一菲涅耳原理，圆满地解释了光在均匀媒质中的直线传播、衍射现象、偏振现象（接受了光是横波的看法），并于1819年跟阿拉果一起证实了互相垂直的偏振光不能产生干涉，从而肯定了光是横波的假设。,菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，17881827）法国土木工程师，物理学家,波动说的胜利,尤其当博科和菲佐首创了在实验室测定光速的方法以后，可以测出光在空气和水中的速度，实验结果表明：由光的微粒说导出的光在水中的速度大于在空气中的速度是错误的。由此，光的波动说在光的本性的争论中，占了支配地位。,微粒说与波动说的争论,争论的焦点： 对折射现象的分析，两种学说得到不同结论,微粒说占上风原因。,光的微粒说和波动说各有成功的一面，但都不能解释人们已经知道的一些光现象，只是牛顿在学术界的声望，致使微粒说统治了100年。波动说发展很缓慢，一直到19世纪初期，人们成功地在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，而光的干涉和衍射是波的特征，这是微粒说无法解释的，于是波动说得到了公认的，光的波动理论也就迅速地发展起来。,三、波动说与微粒说的比较,牛顿的微粒说 惠更斯的波动说认为光是一群弹性小球的微粒， 认为光是某种振动光是沿直线传播的粒子流。 以波的形式向外传播。,实验基础 光的直线传播、光的反射现象,光的干涉和衍射现象,成功解释,几束光相遇互不相干等现象,困难问题,难以解释光的直进，找不到传播媒质,光的直进现象、反射现象、光 的色散现象。,无法解释两种介质界面同时发生的反射和折射现象；光的叠加,基本观点,光的电磁说,麦克斯韦把电磁现象归结为一套完整的方程组，并提出了电磁波的存在，指出： （1）电磁波的传播速度也是c=3X108米/秒（光速）； （2）电磁波可以在真空中传播，不需要媒质。 他用娴熟的数学技能揭示了电磁场的本质，证明电磁波是一种横波，并得出电磁波的传播速度等于空气或真空中的光速，由此得出结论：“这一速度与光速如此接近，看来我们有强烈的理由断定，光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动”这就是麦克斯韦对光的电磁理论的精辟描述。,随着物理学各方面的发展，麦克斯韦提出了电磁波的理论，进而得出了光是电磁波的结论：,量子论的创立者普朗克（Max Plank l858-1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。,麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。,詹姆斯.麦克斯韦,（James Clerk Maxwell，18311879）英国物理学家,19世纪末，光电效应被发现了，这证明了它具有粒子性，波动说在光电效应面前束手无策，人们又认识到光确实具有粒子性（不连续性）。,爱因斯坦（Albert Einstein,18791955）,1900年，普朗克为了解释黑体辐射的能量分布，他假设黑体内谐振于吸收和发射的能量是不连续的。每一变化只能是hv的整数倍，他把这能量变化的单元hv称为量子 到1905年，爱因斯坦对光的本性又提出了新的看法他发表了一篇题为关于光的产生和转化的一个具有启发性的观点的文章。这篇文章从根本上说，是为了说明不仅辐射的发射和吸收过程是以离散的能量形式发生的，而且在一定条件下，辐射本身的性质也好像是由粒子组成的。为此提出了大量的例证，其中之一就是对光电效应的理论解释。,光子说,波粒二象性,爱因斯坦预言：”在理论物理发展的下一阶段，将会出现关于光的理论，根据这种理论，(光)可能被看作是波动和微粒说的一种融合体”于是建立起了光的波粒二象性的概念 光的波粒二象性是指光既具有波动性，又具有粒子性，它把两种本来就互相对立、矛盾的概念，通过光子的能量和动量的公式联系起来，统一于光的波粒二象性之中，这是矛盾的对立统一，也是当代人们对光的本性的认识,到目前为止，光的波粒二象性的概念，虽已广为科学界接受，但仍有一些遗留问题尚待进一步研究，如光子是一种基本粒子吗?是否还有内部结构?光子的静止质量确实为零吗?这些问题正在激励科学家们作进一步的探索,光的本性的认识过程，是一个鲜明的辩证发展的过程：根据实验事实，提出学说，再在实践中发展和检验学说；发现新的事实，修正学说或者提出新的学说。人们的认识就是如此不断发展、不断深入的。辩证唯物主义世界观和认识论同时也是在科学研究方法上的一种启迪。,人们对光的本性的认识史： 微粒说- 波动说- 电磁说- 光子说- 波粒二象性 （牛顿） （惠更斯） （麦克斯韦） （爱因斯坦） （公认）,