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    “光的本性”幾個(gè)易混淆問(wèn)題釋疑

    時(shí)間:2022-08-17 18:34:04 物理論文 我要投稿
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    “光的本性”幾個(gè)易混淆問(wèn)題釋疑

    “光的本性”一章研究光的現(xiàn)象較多,令人難記.定性的多,較難分析解釋,有些概念比較抽象,頗費(fèi)理解.教學(xué)中,對(duì)于一些易混淆的問(wèn)題應(yīng)向?qū)W生講解清楚,幫助他們深刻認(rèn)識(shí)光的本性.

    問(wèn)題1 關(guān)于光的本性有幾種學(xué)說(shuō)?各種學(xué)說(shuō)的代表人物是誰(shuí)?

    釋疑 在研究光的本性的歷史上,具有代表性的學(xué)說(shuō)有五種.

    (1)微粒說(shuō) 這個(gè)學(xué)說(shuō)是17世紀(jì)末提出的,代表人物是牛頓.牛頓根據(jù)光的直線傳播、光的反射和折射、光具有能量等特點(diǎn),提出光是由一種具有完全彈性的球形微粒大量聚集而成的,這些微粒在均勻介質(zhì)中以極高的速度做直線運(yùn)動(dòng).

    (2)波動(dòng)說(shuō) 這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是與牛頓同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家惠更斯.他根據(jù)光與機(jī)械波有類似特征,提出光是以光源為振源的某種振動(dòng),光是在一種特殊的彈性物質(zhì)“以太”中傳播的彈性機(jī)械波.但實(shí)驗(yàn)證明這種“以太”物質(zhì)是不存在的.

    從現(xiàn)代光學(xué)論來(lái)看,微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)都沒有能揭示光的實(shí)質(zhì).在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下各自只能解釋一些光現(xiàn)象,但又有一些無(wú)法解釋的問(wèn)題.

    (3)電磁說(shuō) 這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是麥克斯韋.19世紀(jì)后期,麥克斯韋根據(jù)理論上得到的電磁波的速度與實(shí)際測(cè)得的光速相同、電磁波和光都可以在真空中傳播而不需要介質(zhì)等,預(yù)言光是一種電磁波.后經(jīng)赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波確實(shí)存在,這樣光的電磁說(shuō)就誕生了.

    經(jīng)過(guò)一系列科學(xué)家的努力,測(cè)出了光波的波長(zhǎng),并同各種電磁波一起組成了排列有序的電磁波譜,光作為一種電磁波在電磁波譜中占據(jù)了它應(yīng)有的位置.光的電磁說(shuō)使光的波動(dòng)理論發(fā)展到了相當(dāng)完美的程度,取得了很大的進(jìn)步,使人們?cè)趯?duì)光的認(rèn)識(shí)上跨進(jìn)了一大步.

    (4)光子說(shuō) 這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是愛因斯坦.光子說(shuō)的要點(diǎn)是:光由光子組成,在空間傳播的光不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做一個(gè)光子,每個(gè)光子具有能量E=hν.

    (5)光的波粒二象性 現(xiàn)在,科學(xué)家對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)是:光具有波粒二象性.個(gè)別光子的行為顯示出波動(dòng)性;頻率越高的光子,能量越大,粒子性越明顯,但這種粒子又不同于宏觀現(xiàn)象中的質(zhì)點(diǎn);大量光子的作用顯示出波動(dòng)性,頻率越低,波動(dòng)性越明顯,但它又不同于機(jī)械波,亦不同于電磁振蕩產(chǎn)生的電磁波.

    問(wèn)題2 光的波粒二象性是不是折衷主義?

    釋疑 對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí),歷史上曾發(fā)生過(guò)兩次否定.第一次是波動(dòng)說(shuō)取代微粒說(shuō),但是第二次當(dāng)光電效應(yīng)等現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后,并沒有取消波動(dòng)說(shuō),而是提出波粒二象性,這是不是搞折衷主義呢?不是,因?yàn)檫@兩次否定的性質(zhì)是不同的.第一次,波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)兩種學(xué)說(shuō)本身是不相容的,光的干涉、衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及光速測(cè)定,證明微粒說(shuō)是錯(cuò)誤的.波動(dòng)說(shuō)能解釋包括微粒說(shuō)可以解釋的一切光現(xiàn)象,使微粒說(shuō)沒有再存在的理由.這次否定是徹底的.第二次的情況不同,光子說(shuō)與電磁說(shuō)均可以解釋某些實(shí)驗(yàn),但又都不能被完全取代,所以都有存在的理由,而且光子說(shuō)作為電磁波說(shuō)的對(duì)立面理論提出來(lái)是相容的.光子能量E=hν中的頻率ν正是波的特性的描述,更重要的是,實(shí)驗(yàn)也證明了個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性,大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性.由此可見,光的波粒二象性不是互相對(duì)立的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的折衷,也不是理論上的權(quán)宜之計(jì),而是對(duì)光的本性的科學(xué)概括.

    值得說(shuō)明的是,光的波動(dòng)性(電磁說(shuō))和粒子性(光子說(shuō))不同于宏觀機(jī)械波(波動(dòng)說(shuō))、宏觀質(zhì)點(diǎn)(微粒說(shuō)).

    問(wèn)題3 白光經(jīng)三棱鏡色散后得到的彩色條紋與白光通過(guò)雙縫干涉后得到的彩色條紋的圖樣和形成過(guò)程有何不同?

    釋疑 它們圖樣的不同點(diǎn)是:三棱鏡產(chǎn)生的彩色條紋圖樣是七色光帶連續(xù)排列的,光帶較寬,色光只能出現(xiàn)一組.而雙縫干涉圖樣在中間有一明亮的白光帶,以此為中心,七色光帶向兩側(cè)延伸,可以看到若干組彩色條紋,并逐漸暗淡,各組彩色條紋間以暗條紋相間.

    它們圖樣的形成過(guò)程有本質(zhì)區(qū)別:雙縫干涉形成的彩色條紋中,每一種顏色是由兩列波疊加使某種色光相互加強(qiáng)而成.三棱鏡色散而成的彩色條紋中的每一種顏色,卻是由組成白光的各單色光經(jīng)棱鏡折射后產(chǎn)生不同程度的偏折,從而相互分開形成的.

    問(wèn)題4 光的干涉與衍射有何區(qū)別?

    釋疑 光的干涉與衍射都可以得到明暗相間的色紋,都有力地證明了光的波動(dòng)性.但是,產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象的條件是不同的.光的干涉現(xiàn)象需要相干光,即兩列振動(dòng)情況總是相同的光源,在同一介質(zhì)中相遇.例如從楔形肥皂膜上觀察到的鈉黃光的明暗相間條紋,或從水面油膜上觀察到的彩色條紋,就屬這類情況,從薄膜的前后表面反射出來(lái)的光就是相干光.而光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是障礙物或孔的線度與光波波長(zhǎng)可以比擬的情況.例如從小孔觀察點(diǎn)光源或從狹縫觀察線光源就屬這種情況.光經(jīng)過(guò)小孔或狹縫產(chǎn)生非直線傳播的現(xiàn)象,此時(shí)便可在光屏上形成明暗相間的條紋.其次,干涉條紋與衍射條紋也是有區(qū)別的,以狹縫為例,干涉條紋是相互平行、等距(寬度相同)的;而衍射條紋是平行而不等距的,中間最寬,兩邊條紋寬度逐漸變窄.


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