光的本性发展简史
光本性认识之发展历程
光本性认识之发展历程自古以来，人类一直对光有着浓厚的兴趣，并不断探索光的本性和性质。
随着科学技术的进步，人们对光的认识也在不断深化和发展。
本文将从古代到现代，梳理光的本性认识之发展历程。
古代认识光的本性主要集中在光的传播和反射方面。
在古希腊时代，亚里士多德的传感理论认为光是由物体发出的一种物质，而光的传播是通过这种物质从视觉对象传开的。
然而，亚里士多德的理论在解释光的传播性质上存在着种种问题。
随着科学思想的演进，伽利略和维塞利亚等科学家开始对光进行实验和观察。
伽利略的实验揭示出光在空气中以直线传播，并能够发生折射。
维塞利亚的实验进一步证明了光的传播性质，他使用了狭缝来研究光的传播，发现光通过狭缝后会产生衍射现象。
这些实验与观察结果巨大地推动了光的本性认识的进展。
到了17世纪，哈克将光的传播性质与粒子模型相结合，提出了光由小颗粒（现在称作光子）组成的理论。
这一理论解释了光直线传播和折射现象，但无法解释光的颜色和衍射现象。
随后，荷兰物理学家霍普完成了著名的实验，证明了光的波动性质。
他使用了两个狭缝来研究光的衍射现象，发现光在通过狭缝之后形成了明暗相间的斑纹，这一实验结果证明了光的波动性质。
19世纪初，光的本性认识迈入了一个新的阶段。
迈克尔逊和莫雷在1887年进行了一项著名的实验，用以测量以太的存在。
然而，实验结果却意外地未能检测到以太，从而推翻了以太理论。
这次实验的失败促使爱因斯坦在十几年后提出了相对论，其中包括了光速不变的原理。
爱因斯坦的理论将光的速度视为宇宙常数，使得我们对光的本性有了更深入的认识。
进入20世纪，量子力学的发展对光的本性认识产生了重要影响。
玻尔提出了光子的概念，解释了光的能量和波动性。
根据玻尔的理论，光可以看作是粒子的形式，而每个光子都具有一定的能量。
这一理论不仅解释了光的辐射和吸收现象，还为后来激光和光电子技术的发展奠定了基础。
到了现代，光的本性认识越发深入。
人们发现光具有量子特性，可以表现出波粒二象性。
光本性学说的发展史
（3）衍射图像： 小孔衍射
（三）、光电效应产生光电效应。
b、时间根短： t<10-9 S
c、1/2mv2=hγ-ω
d、当γ＞γ0时，光电流强度与入射光强度成正比。
三、光的电磁说
（一）依据
（二）电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X、γ X射线
紫外线下的人民币
红外线看到的木星
红外线看到的土星
光谱
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光的本性(上课使用)
基本知识点
一、光的干涉
由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相 同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能 产生干涉现象。
光的干涉现象十分常见。白光干涉后能产生很 漂亮的条纹。例如油膜干涉，肥皂膜干涉，牛顿环 等。眼睛的睫毛交叉时可造成衍射光栅看到太阳光 的彩纹。
基本知识点
光的干涉现象---杨氏干涉实验
2、17世纪意大利学者格里马第观测到光偏离直线传播 的现象。
3、17世纪荷兰物理学家惠更斯提出光的波动学说。但 著名的物理学家牛顿支持微粒说，致使微粒说在100多 年的时间里占主导地位。
4、19世纪初人们在实验室成功观测到光的干涉、衍射 现象，证明了波动说的正确。
5、19世纪末又发现波动说不能解释的新现象，证实光 的确具有粒子性。人们终于认识到光既具有波动性又具 有粒子性。
L
△x= λ
d
红光的波长最长，紫光的波长最短。
基本知识点
二、薄膜干涉
肥皂泡上的彩色干涉条纹 蝉翼上的彩色干涉条纹 油膜上的彩色干涉条纹
竖立的肥皂液薄膜上出现的明暗相间的条纹；阳光下肥 皂泡上的彩色花纹；水面上飘浮的油膜上的彩色条纹；蝴蝶 等昆虫翅膀上的彩色花纹，都是薄膜干涉现象。
公园里见到的孔雀羽毛色彩艳丽，是由于它的羽毛上生 长着厚度不同的透明薄膜，由于薄膜的干涉而形成漂亮的颜 色。
薄膜干涉
基本知识点
图中所画的波都是反射波，是从楔形薄膜前表面和后表 面分别反射的两列波叠加，这两列波是同一光源发出的， 所以是相干波，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同， 所以干涉后能产生水平的明暗条纹。 若用白光照射，则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光 反射后增强，而另一些波长的光反射后弱，这样薄膜的 像上就出现彩色条纹。在水面的油膜上常常看到彩色花 纹就是由于油膜的各部分的厚度不均匀，从油膜的上表 面和下表面分别反： （1）双缝接近 0.1mm， （2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等，
高三复习光的本性
第十七章光的本性一．知识结构二．基础回顾2．光的波动性(1)光的干涉①相干光源的条件：两光源频率相同。
获得相干光的办法是：把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。
如杨氏双缝干涉实验；利用薄膜前后表面的反射光等。
②杨氏双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件：路程差等于波长整数倍；即路程差Δr =k λ(k =0、1、2…)处，出现亮纹。
路程差等于半波长的奇数倍，即路程差Δr =(2k +1)2λ(k =0、1、2…)处出现暗纹。
明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，狭缝间距离为d ，狭缝与屏距离为L ，则条纹的间距用公式表示为λdL x =∆。
③实例：薄膜干涉：如肥皂泡、水面上或马路上的薄油层、检查精密零件的表面质量。
(2)光的衍射：光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。
①产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小。
②图样：产生明暗（或彩色）条纹或光环。
③光的衍射现象证明光是一种波(3)光的偏振现象①光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。
各种电磁波中电场E 的方向、磁场B 的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。
②自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。
③偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。
3．光的电磁本性(1)麦克斯韦的光的电磁说：光是一种电磁波。
光和电磁波都可以在真空中传播;光和电磁波在真空中速度相等，均为3×108m/s 。
(2)赫兹用实验证明了麦克斯韦的光的电磁说是正确的。
电磁波跟光波一样具有反射、干涉、衍射等性质；测算出电磁波的波速等于光速。
(3)电磁波谱①电磁波谱：由无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴 (或X 射线)、γ射线组合起来构成电磁波谱。
②不同的电磁波产生的机理不同：振荡电路中的自由电子振荡——无线电波；原子外层电子受激——红外线、可见光、紫外线；原子内层电子受激——伦琴射线；原子核受激——γ射线。
物理光的本性高品质版
四、光谱和光谱分析
（一）光谱 发射光谱 吸收光谱
连续光谱
特征谱线 光谱分线
明线光谱（原子光谱）
（二）明线光谱
Tha
红光干涉
返加
白光干涉
兰光干涉
兰光干涉
返加
红光干涉
白光干涉
小孔衍射
返回
X射线
返回
牛顿环
返回
随着年岁的叠加，我们会渐渐发现：越是有智慧的人，越是谦虚，因为昂头的只是稗子，低头的才是稻子；越是富有的人，越是高贵，因为真正的富裕是灵魂上的高贵以 及精神世界的富足；越是优秀的人，越是努力，因为优秀从来不是与生俱来，从来不是一蹴而就。随着沧桑的累积，我们也会慢慢懂得：成功的路，其实并不拥挤，因为 能够坚持到底的人实在太少；所有优秀的人，其实就是活得很努力的人，所谓的胜利，其实最后就是自身价值观的胜利。人到中年，突然间醒悟许多，总算明白：人生， 只有将世间的路一一走遍，才能到尽头；生活，只有将尘世况味种种尝遍，才能熬出头。这世间，从来没有最好，只有更好。每天，总想要努力醒得比太阳还早，因为总 觉得世间万物，太阳是最能赐人力量和能量的。每当面对喷薄的日出，心中的太阳随之冉冉腾起，生命之火熊熊燃烧，生活的热情就会光芒四射。我真的难以想象，那些 从来不早起的人，一生到底能够看到几回日升？那些从来没有良好习惯的人，活到最后到底该是多么的遗憾与愧疚？曾国藩说：早晨不起，误一天的事；幼时不学，误一 生的事。尼采也说：每一个不曾起舞的日子，都是对生命的辜负。光阴易逝，岂容我待？越是努力的人，越是没有时间抱怨，越是没有工夫颓丧。每当走在黎明的曙光里， 看到那些兢兢业业清洁城市的“美容师”，我就会由衷地欣赏并在心底赞叹他们，因为他们活得很努力很认真。每当看见那些奔跑在朝霞绚烂里的晨练者，我就会从心里 为他们竖起大拇指，因为他们给自己力量的同时，也赠予他人能量。我总觉得：你可以不优秀，但你必须有认真的态度；你可以不成功，但你必须努力。这个世界上，从 来没有谁比谁更优秀，只有谁比谁更努力。我也始终认为：一个活得很努力的人，自带光芒万丈；一个人认真的样子，比任何时候都要美好；一个能够自律自控的人，他 的人生也就成功了大半。世间每一种的好，从来都只为懂得努力的人盛装而来。有时候，我真的感觉，人生的另一个名字应该叫做努力，努力了就会无悔，努力了就会无 愧；生活的另一种说法应该叫做煎熬，熬过了漫漫黑夜，天就亮了，熬过了萧萧冬日，春天就来了。人生不易，越努力越幸运；余生不长，越珍惜越精彩。人生，是一本 太仓促的书，越认真越深刻；生命，是一条无名的河，越往前越深邃。愿你不要为已逝的年华叹息，不要为前路的茫茫而裹足不前愿你相信所有的坚持总能奏响黎明的号 角，所有的努力总能孕育硕果的盛驾光临。愿你坚信越是成功的人越是不允许自己颓废散漫，越是优秀的人越是努力……生活中很多时候，我们遇到一些复杂的情况，会 很容易被眼前的障碍所蒙蔽，找不到解决问题的方法。这时候，如果能从当前的环境脱离出来，从一个新角度去解决问题，也许就会柳暗花明。一个土豪，每次出门都担 心家中被盗，想买只狼狗栓门前护院，但又不想雇人喂狗浪费银两。苦思良久后终得一法：每次出门前把WiFi修改成无密码，然后放心出门每次回来都能看到十几个人捧 着手机蹲在自家门口，从此无忧。护院，未必一定要养狗换个角度想问题，结果大不同。一位大爷到菜市场买菜，挑了3个西红柿到到秤盘，摊主秤了下：“一斤半3块 7。”大爷：“做汤不用那么多。”去掉了最大的西红柿。摊主:“一斤二两，3块。”正当身边人想提醒大爷注意秤时，大爷从容的掏出了七毛钱，拿起刚刚去掉的那个大 的西红柿，潇洒地换种算法，独辟蹊径，你会发现解决问题的另一个方法。生活中，我们特别容易陷入非A即B的思维死角，但其实，遭遇两难困境时换个角度思考，也许 就会明白：路的旁边还有路。一个鱼塘新开张，钓费100块。钓了一整天没钓到鱼，老板说凡是没钓到的就送一只鸡。很多人都去了，回来的时候每人拎着一只鸡，大家 都很高兴！觉得老板很够意思。后来，钓鱼场看门大爷告诉大家，老板本来就是个养鸡专业户，这鱼塘本来就没鱼。巧妙的去库存，还让顾客心甘情愿买单。新时代，做 营销，必须打破传统思维。孩子不愿意做爸爸留的课外作业，于是爸爸灵机一动说：儿子，我来做作业，你来检查如何？孩子高兴的答应了，并且把爸爸的“作业”认真 的检查了一遍，还列出算式给爸爸讲解了一遍不过他可能怎么也不明白为什么爸爸所有作业都做错了。巧妙转换角色，后退一步，有时候是另一种前进。一个博士群里有 人提问：一滴水从很高很高的地方自由落体下来，砸到人会不会砸伤？或砸死？群里一下就热闹起来，各种公式，各种假设，各种阻力，重力，加速度的计算，足足讨论 了近一个小时 后来，一个不小心进错群的人默默问了一句：你们没有淋过雨吗 人们常常容易被日常思维所禁锢，而忘却了最简单也是最直接的路有两个年轻人，大学毕
人类对光的认识
人类对光的认识人类从黑暗中走出来，是人类对光的认识，而认识光本身却经历了一个非常曲折、漫长的过程。
光的发展史可追溯到2000多年前，中国早在公元前400多年(先秦时代) 的《墨经》中就有对光的记载，这是世界上最早的记载人类对光的认识。
而总结人们对光的本性的认识过程可概括为：光的波动说→光的微粒说→光的波动说→光的量子说→光的粒子说→光的波粒二象性。
一、光的波动说的形成十七世纪，法国物理学家笛卡儿用他提出的“以太”假说来说明光的本性。
他的主张是强调媒质的影响，以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，把光看作压力或者脉动运动的传播。
因而笛卡儿被认为是光的波动说的创始人。
而胡克在其出版的《显微术》一书，明确提出光是一种振动。
在分析光的传播时，胡克提到了光速的大小是有限的，并认为“在一种均匀媒介中，这一运动在各个方向都以相等的速度传播。
”这里已包含着波阵面、干涉等不少波动说的基本概念。
到了惠更斯，则从光的产生和它所引起的作用两方面来说明光是一种运动。
他明确地指出了光是一种波动的思想。
他提出了著名的惠更斯原理，运用这个原理，惠更斯不但成功地解释了反射和折射定律，而且还解释了双折射现象。
但是十七世纪，由笛卡儿、胡克、惠更斯等人所建立起的光的波动学说还是很不成熟的，而人类对光的认识也仅仅是个开端。
二、光的微粒说的形成一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”。
用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的，在解释光的反射和折射现象时，同样十分简便。
当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射。
虽然说这样的解释并不理想，但在当时来说已经足以说明光的本性了。
三、光的波动说的复兴在十八世纪由于光的微粒说占统治地位，使光的波动理论实际上没有什么进展。
十九世纪初由于一大批物理学家的共同努力，使光的波动学说再度复兴，并取得了极大的成功。
高二物理会考复习《光的本性》知识点分析
《光的本性》知识归类（一） 光相性学说发展简史牛顿支持微粒说惠更斯提出波动说。
到19世纪初，在实验室中观察到光的现象，这是波的特征，无法用微粒说解释，使波动说得到公认。
到19世纪末，又发现了波动说不能解释的新现象（如光电效应等），证实光具有粒子性。
人们终于认识到光具有________性。
（二） 光的波动性1、 光的干涉（1）相干光源的条件是两光源______相同。
获得相干光的办法是：把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。
如杨氏双缝干涉实验；利用薄膜前后表面的反射光等。
（2）杨氏双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件路程差等于波长_____倍；即路程差=2,1,0(=λ±k k ┈)处，出现亮纹。
K=0为______亮纹。
路程差等于半波长的_____倍，即路程差=2)12(λ-±k (k=1,2,3….)处出现暗纹。
明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟____正比。
在波长不变的条件下，当狭缝与屏的距离增大或狭缝间的距离减小时，条纹的间距________。
（也可由间距公式λ=∆dLx 来说明）。
（3）实例：薄膜干涉：如肥皂泡、水面上或马路上的薄油层、检查精密零件的表面质量。
增透膜的厚度是入射光在薄膜介质中波长的_____时，大大减少了光的反射损失，所以涂有增透膜的光学镜头呈淡紫色。
2、 光的衍射：光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。
（1）产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小。
（2）图样：产生明暗（或彩色）条纹或光环。
3、 光的电磁本性光的____证实光具有波动性。
麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波。
赫兹用实验加以证实。
按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其显著特性及产生机理如下： 无线电波：是由__________________________________产生的。
红外线：热作用显著。
光的本性认识的发展
光的本性认识的发展光的本住问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。
正是这种对光的本性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。
人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶一段。
这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。
人们遵循实验——假设——理论——实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。
德国物理学家劳厄在谈到这一认识的重大意义时指出：“在这以前还是完全互不相依的光的理论和电动力学理论的这种自然的结合发展是作为物理知识的真理一性证明的一个最伟大的事件”。
他在《物理学史》的导言中着重指出了研究两类不同的物理思想“它们不期而遇并且自然地相结合”的意义。
他说：“凡是经历了这种令人极为惊奇的事件的人，即使是在很远的距离经历的，或者至少能在事后加以回顾的，都不会怀疑：这些相互结合的理论，即使不包含完全的真理，终究也包含了与人类的附加因素无关的客观真理的一种重要的内核。
否则，它们的结合只能理解为奇迹。
物理学史的理想必须是把这样的事件尽可能明晰地刻画出来”。
下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程。
（一）微粒说与波动说的思想渊源关于对光的本性这一古老之谜的认识要追索到古希腊时代。
古希腊杰出的原子论者德漠克利特（Democritus，公元前460～前370）最早提出光是物质微粒的观点。
他认为视觉是由物体射出的微粒进入眼睛而引起的。
古希腊的男一个原子论者伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341～前270）和古罗马的原子论者卢克来修（Lucretius，公元前99一前55）坚持这一学说。
卢克来修说：“从任何我们看见的东西，必定永远有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉。
”量子论者的这一观点是后来把光看作某种物质实体的粒子说的萌芽。
光的本性1
每种金属都存在着一个极限频率，如果入射光的频率 比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长， 都不会从金属中打出光电子；但如果入射光的频率高 于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会 立即打出光电子。
(即发生光电效应与入射光的强度无关而是与频率有关)
几种金属的极限频率γ0和极限波长λ0
为什么在日常生活中很难观察到光的衍射现象？
因为光波的波长很短，只有十分之几 微米，一般的物体都比波长大很多， 因此很难观察到光的衍射现象。
在实验 室里如何才能观察到光的衍射现象？
只要将障碍物和小孔做得足够小时 也是可以观察到光的衍射现象的
下面观察光射向一个针孔、一条狭 缝、一根细丝时光的衍射现象
单缝衍射实验:
解:(A)是阳光被悬浮在空气中的小水滴经折射、反射后 产生的; (B)是属于薄膜干涉 (C)是棱镜色散 (D)是单缝衍射.
五、光电效应 光子
一、定义：
光电效应现象:光照射金属表面,使金属表面发射电子的现象.
光电效应实验
弧
光
-+
灯
-+
+
-
光电子
∽60V
研究光电效应规律的实验 实验结果:
①光照与光电流几乎同时出 现.(Δt <10-9s)
产生 振荡电 机理 路
原子外层电子受激发
原子内 原子核 层电子 受激发 受激发
特性 波动性 热效应 引起视觉 化学作用 贯穿强 贯穿最
强
强
应用 无线电
技术
加热遥感
照明摄影 萤光效应杀 检查探测, 工业探伤
菌感光技术 医用透视 医用治疗 医用消毒
下列现象中哪些是由于光的干涉产生的 A.天空中出现的彩虹 B.肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹 C.阳光通过三棱镜形成的彩色光带 D.光线通过一条极窄的缝呈现明暗相间的条纹
光的本性发展简史
产生干涉必要条件：
两列波的频率必须相同 满足相干条件的两个波源叫相干波源， 这时的两列波称为相干波．
如何确定加强区、减弱区的位置：
若两波源振动情况完全相同
到两波源的路程差（波程差）△s满足: ——加强 s n s (2n 1) ——减弱
2
若两波源振动情况完全相反
到两波源的路程差（波程差）△s满足: ——减弱 s n s (2n 1) ——加强
不受外力的情况下，微粒将沿直线前进
二、光的反射
光的反射
小球的反射
微粒说对光现象的解释
三、光的折射
光的折射
介质分子对光微粒有吸引力
微粒说不能解释的光现象
一、同时发生反射和折射现象
二、两束光相遇时的现象
光的反射和折射
两束光相遇后仍沿直线传播
两束微粒相遇后将改变运动方向
波动说对光现象的解释
一、光的反射和折射
2
光的干涉
光的干涉
光的干涉
思考：
类比机械波的干涉，分析屏上哪 些位置出现亮条纹？哪些位置出现暗 条纹？
在P的上方取一点P1，两个狭 缝跟P1点的距离有：S2P1 > S1P1。
P2 P1 S1
路程差d1= S2P1—S1P1
若d1= ，两个狭缝发出的波 在P1点也是波峰跟波峰叠加、波 S2 谷跟波谷叠加，出现亮条纹。 同理 p2 点两列波的路程差 为 d2 = 2 ，p2点也应为亮条 纹。
二、两束光相遇时的现象
光的反射和折射
两列波相遇后仍保持原来的方向
光的干涉
光到底是什么?
光既是波，也是粒子。 光既不是波，也不是粒子。 光既具有波动性，又具有粒子性。
科学理论的建立有一个曲折过程
第一讲 光的发展简史
医学物理学
电 磁 波 谱
医学物理学
: 390 ~ 760 nm : 7.5 1014 ~ 4.11014 Hz
光是一种电磁波
①电磁波E、B
变化的电场用电场强度的振动（即其数值大小的变 化）来表示，电场强度矢量E称为电矢量或E矢量， 其波动方程为：
E=Emsinω(t-x/c) E 矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量 变化的磁场用磁场强度矢量来表示，把磁场强度 矢量简称为磁矢量B或B矢量，其波动方程为：
光的发展简史 光学的起源： 可 以 追 溯 到 二 、 三 千 年 前 ： 战 国 墨 翟所著墨经，描述了小孔成像、平、 凸、凹面镜等。 西方欧几里得（公元前约330-260）： 《反射光学》，研究了光的反射。
牛顿（1643-1727）微粒说： 光是一种细微的大小不同而又迅速运动 的粒子。 胡克说(1635-1703)：光必是一种振动。 惠 更 斯 （ 1629-1695 ） 波 动 说 ： 发 展 了胡克的思想。
B=Bmsinω(t-x/c)
医学物理学
②、E、B都垂直于传播方向x(是横波)，且互相垂直。 E B
③、电磁波在真空中以光速c传播。
1 c
00
医学物理学
1916爱因斯坦提出了原子和分子的受激辐射， 1960年第一台激光器研制成功。
古典光学 传统光学
20世纪以前
医学物理学
现代光学
20世纪
光子时代
菲涅尔的理论-泊松的计算-阿拉果的 实验找到了有利于波动说的泊松亮斑。
医学物理学
菲涅尔开展了光学研究的新阶段，物理光学的缔 造者，光的波动说战胜了粒子说。 20世纪初，爱因斯坦提出了光的波粒二象性。 开普勒、斯涅耳（折射定律）、费马等人对光学的 发展做出了贡献。 1888年，麦克斯韦用实验首次证明了电磁波的存在。
光和光的传播
第一章光和光的传播§1-1光和光学一、光的本性1、光学的发展简史从17世纪开始，牛顿的微粒：认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。
惠更斯（C.Huygens）提出的光的波动理论，认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波。
但17、18世纪，主要是光的微粒理论起着主导作用。
主要问题是得出了光在水中的速度比在空气中大的错误结论。
19世纪初，托马斯·杨（Thomas Y oung）和菲涅耳（A.J.Fresnel）等人的实验和理论工作把光的波动理论大大推向前进，用波动理论解释光的干涉、衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确认光是橫波。
得出了光在水中的速度比在空气中小的正确结论，是在1862年由傅科（J.B.L.Foucault）的实验所证实。
因此，19世纪中叶，光的波动说战胜了微粒说。
惠更斯－菲涅耳旧波动理论的弱点，和微粒理论一样，在于它们都带有机械论的色彩，有着很大的局限性。
重要的突破发生在19世纪60年代，麦克斯韦（J.C.Maxwell）的著名电磁理论，这个理论预言了电磁波的存在，并指出电磁波的速度与光速相同。
因此麦克斯韦确信光是一种电磁现象，即波长较短的电磁波。
光的电磁理论以大量无可辩驳的事实赢得了普通的公认。
19世纪末、20世纪初是物理学发生伟大革命的时代。
正当人们在欢庆宏伟的经典物理学大厦落成的时候，一个个使经典物理学理论陷入窘境的惊人发现接踵而来。
当时物理学界的权威开耳文（Lord Kelvin）爵士把光以太和能均分定理的困难比喻作笼罩在物理学晴朗天空中的两朵“乌云”。
为了解决在黑体辐射实验中的“紫外灾难”问题，1900年普朗克（M.Planck）提出了量子假说。
2、光的本性光的某些方面的行为像经典的“波动”，另一些方面的行为却像经典的“粒子”。
这就是所谓“光的波粒二象性”。
一般情况下，在描述光的传播和光波的叠加时，光主要体现出它的波动性；在描述光与物质相互作用时，光主要体现出它的粒子性。
光的本性(上课使用)
水波、声波都会 发生衍射现象， 它们发生衍射的 现象特征是什么？
基本知识点
光的衍射
一切波都能发生衍射，通过衍射把能量 传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是 障碍物或孔的尺寸跟波长差不多．
取一个不透光的 屏，在它的中间装 上一个宽度可以调 节的狭缝，用平行 的单色光照射，在 缝后适当距离处放 一个像屏。
基本知识点
(1)最大初动能的概念
光电效应中从金属出来 的电子，有的从金属表面直 V 接飞出，有的从内部出来沿 途与其它粒子碰撞，损失部 V 分能量，因此电子速度会有 差异，直接从金属表面飞出 的速度最大，其动能为最大 初动能。
基本知识点
(2) 最大初动能的测定
实验电路如图甲（其中单色光的入口C 用石英窗），用来测定光电子的最大初动 能。当图中电流表G读数为零时，伏特表V 中的读数就是图乙中的U。
（1）形成明暗相间的条纹 （2）亮纹间等距、暗纹间等距 （3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条 纹---中央亮纹
提出问题：（1）为什么会出现这样的图象？
（2）怎样用波动理论进行解释？
基本知识点
4、光的干涉图样的成因
双缝干涉中屏上出 现明暗条纹的位置和宽 度与两缝间距离、缝到 屏的距离以及光波的波 长有关。且相邻两明条 纹和相邻两暗条纹之间 的距离是相等的。 设双缝间距S1=S2=S， 缝到屏的距离r0，光波 波长λ，相邻两明条纹 间距y。如图所示：
基本知识点
薄膜干涉
图中所画的波都是反射波，是从楔形薄膜前表面和后表 面分别反射的两列波叠加，这两列波是同一光源发出的， 所以是相干波，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同， 所以干涉后能产生水平的明暗条纹。 若用白光照射，则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光 反射后增强，而另一些波长的光反射后弱，这样薄膜的 像上就出现彩色条纹。在水面的油膜上常常看到彩色花 纹就是由于油膜的各部分的厚度不均匀，从油膜的上表 面和下表面分别反射的光发生干涉而形成的。
光本性学说的发展史
光的干涉和衍射实验
总结词
进一步证实光的波动性质
详细描述
光的干涉和衍射实验是进一步证实光具有波动性质的实验。干涉实验中，通过两束相干光的叠加产生明暗相间的 干涉条纹，而衍射实验中，光通过障碍物产生衍射现象，形成明亮的衍射环，进一步证实了光的波动性质。
05
光本性学说的应用
量子通信
量子通信
利用量子力学原理传输信息的通 信方式。
光本性学说的发展史
• 光本性学说的起源 • 光本性学说的演变 • 光本性学说的现代研究 • 光本性学说的实验验证 • 光本性学说的应用
01
光本性学说的起源
早期的光本性学说
古希腊哲学家亚里士多德
认为光是由物体发出的一种射线，通过空气传播。
文艺复兴时期科学家达芬奇
提出光是由物体表面反射的，并进行了大量的实验研究。
波动方程。
光的粒子学说的发展
光的粒子学说最早由牛顿提出，他认为光是由粒子组成，具有反射、折射等粒子性 质。
19世纪初，法国物理学家路易·德布罗意提出了物质波的概念，认为所有物质都具有 波动性质，这为光的粒子学说提供了新的理论支持。
20世纪初，量子力学的提出和发展进一步证实了光的粒子性质，并解释了光电效应 等现象。
场的量子化
真空涨落
量子场论将光视为电磁场的量子化波 动，电磁场中的粒子（光子）是场的 激发态。
量子场论预测了真空中的涨落现象， 即在真空中不断产生和湮灭光子，这 些涨落对微观粒子的行为产生影响。
相互作用
量子场论描述了光子与其他粒子（如 电子和原子）之间的相互作用，这些 相互作用是通过场的交换来实现的。
量子密码学
量子密码学
利用量子力学原理实现的信息安全保障技术。
光本性理论的发展
A/m。
静电场和稳恒电流磁场的基本规律
高斯定理： S D • ds Q
S B • ds 0
安培定则： l E • dl 0
l H • dl I
D: 电感强度 B: 磁感强度
E：电场强度
H：磁场强度
2、麦克斯韦方程组的积分形式
19世纪末- 黑体/光电波粒二象性 爱因斯坦/
20世纪中叶 康普顿效应 物质波 麦克斯韦/普朗克
20世纪中叶 激光/传递 光的 -现代 函数/全息 受激辐射
肖洛等
早期学说
人们对于一个物理现象的认识，总是遵循着这样的规律：在观 察和实验的基础上，对物理现象进行 分析，去伪存真，由表及 里，抽象和综合，进而提出假说，形成理论，并不断反复经受 实践的检验。当理论和实践相一致时，就循着这条路走下去， 发现新的东西使 理论不断完善；当理论和实践相矛盾时，就修 正、补充理论，使之与实践尽量相符合，甚至放弃原来的理论 而建立新的理论。在物理学的发展史上，人们对“光本 性”的 认识，就是沿着这条曲折的道路前进的。
(1)实验基础：光的独立传播规律。 (2)能解释的现象：波的反射、折射现象比较常见，所以波动说 解释光的反射、折射是可以令人信服的；对光叠加后又可无妨 碍地继续向前传播的解释，也是比较完美的。
(3)波动说的困难：由于惠更斯时代对光的波长是“很短、很短”
这一点还不清楚，因此对光照射到不透明物体后会留下清晰的 影子，还解释不了(亦即解释不了光的直线传播规律)尽管当时 已发现了光的衍射现象，却没有给波动说提供什么理论优势。
光的电磁理论
电磁感应现象 是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互 联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦 电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电 磁测量等方面都有广泛的应用。
光的本性
项目
种类
单缝衍射
条纹宽度
条纹宽度不等，中 央最宽
不
同
条纹间距 各相邻条纹间距 不等
点
亮度
中央条纹最亮， 两边变暗
双缝干涉
条纹宽度相等
各相邻条纹等间距 清晰条纹，亮度基本 相等
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波 的叠加，干涉、衍射都有明暗相间的条 纹
四、光的电磁说 1．光的电磁本性：光是一种电磁波 (麦克斯韦预言、赫兹用实验证明)． 2. 实验依据： (1)光波和电磁波的传播都可以不需要介质； (2)光波和电磁波在真空中传播的速度相同，都是3×108m/s； (3)光波和电磁波都是横波． 3．电磁波谱 (1)定义： 电磁波按波长由大到小排列，组成电磁波谱
d
2.薄膜干涉：
双缝间的距离
⑴相干光的产生：
由同一列光波经薄膜的前后表面两次 反射形成。
⑵干涉图样：
①单色光： 明暗相间的条纹。 同一条亮（或暗）条纹对应的薄膜厚度相同
②白光： 彩色条纹 ⑶应用： ①检测平面 ②增透膜 厚度为光在膜中波长的1/4.
三、光的衍射
1.定义：光离开直线路径绕过障碍物传播到障碍物后面的现象
第五十一讲 光的波动性
一、光的本性学说的发展简史 1.牛顿的微粒说：
不能解释光的折射 和光的独立传播
认为光是高速粒子流，它能解释不光能的解直释射影现子的象形和成光的反射现象.
2.惠更斯的波动说：
和光能在真空中传播
认为光是某种振动，以波的形式向周围传播，它能解释光的干
涉和衍射现象.
不能解释光电效应
3.麦克斯韦的电磁说： 认为光是电磁波，依据的实验是赫兹实验，它证明了光与电
①相干性好：产生明显的干涉图象 利用激光通过光导纤维实现通讯
光的本性复习
光的本性复习编稿教师：刘军审稿教师：厉璀琳责编：代洪一、光的本性的认识发展史17世纪英牛顿：光是高速传播的粒子流17世纪荷兰惠更斯：光是一种波19世纪初英托马斯．杨法菲涅耳在实验室中成功地观察到光的干涉与衍射现象。
19世纪60年代：英麦克斯韦建立电磁场理论，预言了电磁波的存在。
1888 赫兹用实验证明电磁波的存在。
19世纪世纪末：发现光电效应现象爱因斯坦提出光子说光具有波动性又具有粒子性光具有波粒二象性。
二、光的干涉：1．条件：相干光源（频率相同、相差恒定、振动方向相同）2．双缝干涉：把一束光分成的两束光，在空间相遇叠加，使空间有的区域光加强，有的区域光减弱，在光屏上产生明暗相间的条纹（单色光）或产生彩色条纹的现象。
（1）如图：设两个缝S1、S2的距离是d，双缝到屏的距离为l，且l》d。
O是S1、S2的中垂线与屏的交点，O到S1、S2的距离相等。
O点出现亮条纹。
研究离O点距离为x的一点P，P到S1、S2的距离分别为r1、r2。
从S1、S2发出的光波到达P点的路程差是若路程差（k=0，1，2，…）P处为亮条纹若路程差（k=0，1，2，…）P处为暗条纹所以，当（k=0，1，2，…）P处为亮条纹当（k=1，2，…）P处为亮条纹（2）相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离所以，红光的干涉条纹最宽，紫光的干涉条纹最窄，白光的干涉图样是彩色条纹（3）干涉图样的亮纹（或暗纹）宽度相等（4）一种测量光波波长的方法：测出n条亮纹（或暗纹）间的距离a，算出相邻两条亮纹（或暗纹）间的再测出d和l的值，就可以算出波长。
3．薄膜干涉：照射到薄膜上的光会从膜的前表面和后表面分别反射回来，形成两列波，这两列波是由同一入射波产生的，因此频率相同，相差恒定，能够产生干涉。
在薄膜的某些地方，反射回来的两列波恰好波峰和波峰（或波谷和波谷）叠加，光振动加强，产生亮条纹。
在薄膜的另一些地方，反射回来的两列波恰好波峰波谷叠加，光振动减弱，产生暗条纹。
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光的直线传播
二、 十九世纪初，人们成功地观察到光的干 涉、衍射现象，确立了波动说。 三、 19世纪60年代麦克斯韦预言电磁波的存 在，并提出光的电磁说，认为光是一种电磁波。 赫兹通过实验证明了光是一种电磁波。 四、19世纪末,光电效应现象的发现，对波动说提 出挑战。20世纪初爱因斯坦提出光子说，解释了 光电效应现象，说明光子具有粒子性。
不受外力的情况下，微粒将沿直线前进
二、光的反射
光的反射
小球的反射
微粒说对光现象的解释
三、光的折射
光的折射
介质分子对光微粒有吸引力
微粒说不能解释的光现象
一、同时发生反射和折射现象
二、两束光相遇时的现象
光的反射和折射
两束光相遇后仍沿直线传播
两束微粒相遇后将改变运动方向
波动说对光现象的解释
一、光的反射和折射
第二十章 光的波动性
光是什么?
光的本性学说的历史回顾
阅读教材P23
光到底是什么?
波?
粒子?
一、微粒说和波动说的对立（17世纪——19世纪） 微粒说 代表人物 牛顿 波动说
惠更斯 光是某种振动，
以波的形式向外传播 同时发生发射、折射 两束光相遇的现象
学说内容 光是一种物质微粒， 在均匀介质中一定的速 度传播 可解释 光的直线传播 反射现象 折射现象 不能解释 同时发生发射、 折射现象 两束光相遇的现象
二、两束光相遇时的现象
光的反射和折射
两列波相遇后仍保持原来的方向
光的干涉
2
光的干涉
光的干涉
光的干涉
思考：
类比机械波的干涉，分析屏上哪 些位置出现亮条纹？哪些位置出现暗 条纹？
在P的上方取一点P1，两个狭 缝跟P1点的距离有：S2P1 > S1P1。
P2 P1 S1
路程差d1= S2P1—S1P1
若d1= ，两个狭缝发出的波 在P1点也是波峰跟波峰叠加、波 S2 谷跟波也应为亮条 纹。
产生干涉必要条件：
两列波的频率必须相同 满足相干条件的两个波源叫相干波源， 这时的两列波称为相干波．
如何确定加强区、减弱区的位置：
若两波源振动情况完全相同
到两波源的路程差（波程差）△s满足: ——加强 s n s (2n 1) ——减弱
2
若两波源振动情况完全相反
到两波源的路程差（波程差）△s满足: ——减弱 s n s (2n 1) ——加强
光到底是什么?
光既是波，也是粒子。 光既不是波，也不是粒子。 光既具有波动性，又具有粒子性。
科学理论的建立有一个曲折过程
现象----假说----实验----修正----理论
一 光的干涉
什么是波的干涉？
频率相同的两列波叠加，使某些区域的 振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动 加强的区域和振动减弱的区域相互隔开，这 种现象叫做波的干涉。
d 2 2
d1
P
只要光程差为波长的整数倍，该处为明条纹。
光程差为波长的1.5倍， 两列波的波峰与波谷相遇， 互相抵消，该处为暗条纹。 S1
P2 P1
只要光程差为半波长 的奇数倍，该处一定为暗 条纹。
S2
P
光是一种物质微粒
光是波，光是某种 振动在以太中的传 播
微粒说对光现象的解释
一、光的直线传播