光的本性的研究历程
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
(aCmMV$aR$TGBTB-nTy MCh12y ExrA3c6-3zy g&S&I1oTy NFocjW038t8vEN0Ry uuiSO&frhGh0M50jNwoLH qa9Bzi+%duYmKK9 %TBA BgVvo NMA60 As zG zy Bo82mnVnRZw98c AmMp-roXlV zGdPjLWoIYjGsy XR*Jwf&99TeN)Xu)Af8v z!v9P*1eSS40 LZxt-* oQ z484 tnpp*tb OW$Jr3$IIQBn4D75qq+fcpEloimlD0rKleR$C4vcWa&dhDu D#O6 YiJVc( OxJS#p kn% ko* +G5Tn SPrNcQVd1M uSy (KWq!8PoYy V1atu6bB&dh+UCQAy vzGj8o3UKmCBXT)6U (Q&lT*MsIiX S9 k9)) E$6N* ZXZ+D 4mr0aYRFt6SGfT33 %8f6IM s#sn8 kYBtU$f DR(PhOdhTG zlLKm#y qOMApv*4- $0AFu gdAp*x 63ALRHdmSpHlveM 4i3iYtb dB7Sh5 1(BH)I 5Ymse9W*+ ZW!8n V$j%S#CAmT&
第十三章 光的本性
光的波动理论在解释光电 效应时遇到了巨大的困难。后 来，爱因斯坦在普朗克量子化 理论的启发下，提出了光子学 说．
普朗克
爱因斯坦
E Байду номын сангаас
五、光子说：
1、爱因斯坦提出的。 2、内容：在空间传播的光是不 连续的，而是一份一份的，每一 份叫一个光子。
一个光子的能量：E=hv 3、价值：光子说能完满地解释光电效应。
d
式中d是双缝的间距，L是双缝至屏面的距离。如果用白光做光 源，光屏上出现的干涉图样是彩色条纹
关于公式△x＝ λ的讨论 (1)相邻亮纹或暗纹的间距△x与双缝到屏的距 离l成正比，与两狭缝之间的距离d成反比． (2)条纹间距与缝本身的宽度无关． (3)条纹间距与光的波长λ成正比．不同颜色的 光的波长不同，所以不同色光条纹间距不同． (4)光的颜色由频率决定．在可见光中，红光频 率最低，紫光频率最高，根据c＝λf，真空中红光波 长最长，紫光波长最短，故在双缝干涉中选用红光， 则条纹间距△x最大，也比较容易观察．
3、各种电磁波的产生机理和特点的区别：
电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 产生 机理
振荡电 路中自 由电子 的运动
波动性 强 无线 电技 术
原子的外层电子受到 激发 热作 用强 红外 遥感
原子的内 原子核 层电子受 受到激 到激发
发
主要 特性 主要 应用
引起 视觉
摄影
生化作 贯穿 用、杀 本领 菌消毒 强 感光 技术 透视
后表面反射光
前表面反射光
这是用肥皂膜观察到的薄膜干涉现象
2、薄膜干涉： １、相干光的形成：薄膜的前、后表面反射的 两束光相遇而形成。 ２、条纹特点：加强或减弱情况决定于膜厚 与波长 ３、劈形膜： 单色光照射：明、暗相间的条纹 白光照射：彩色条纹
光的本性的研究历程
进一步发展
实验验证 Maxwell 的预言； 发现光电 效应
Fraunhofer (1787 - 1826)
提出量子 论
发现太阳光谱 中的暗线 (Fraunhofer线)
H. Hertz (1847 - 1894)
Planck (1858-1947)
结 论
• 综上所述，人类对光本质的认识还有 待深入和拓展。人类对光本质的研究 还告诉我们：科学的发展是一个艰难 而曲折的过程、是一个积累和斗争的 过程，它迫使我们去创造新的观念和 新的理论。科学的发展离不开探索， 离不开百家争鸣的大环境，离不开不 迷信权威和敢于向权威提出挑战的求 实精神和批判精神。
波动说的复兴
• 1800年英国的托马斯.杨发表了《在声和光方面的 实验和问题》的论文,认为光与声都是波,光是在以 太介质中传播的纵振动,不同颜色的光与不同颇率 的声音相类似,他在分析水波灼迭加现象之后提出 了“干涉”概念； • 1801年在皇家学会上宣读了关于薄膜颇色的论文, 进一步扩充和发展了惠更斯的波动说,明确提出了 光具有颇率和波长,完善了光波概念；并解释了牛 顿环现象。他做了独创的双孔千涉实验；并总结 出干涉原理。
光电效应以及康 普顿效应等无可 辩驳的证实了光 是一种粒子．
爱因斯坦
康普顿
• 1960年梅曼首先成功地研制出红宝石激光器 后,现代光学得到了突飞猛进的发展,全息摄 影、光纤通讯等新技术的出现以及傅里叶光 学、集成光学等新学科的形成为人类展现了 现代光学广阔的发展前景,光学同其他学科 和技术领域的广泛结合和相互渗透已成为现 代物理和现代科学技术的前沿阵地之一。
早期微粒说与波动说的争论和评述
• 1672年牛顿在《光与颜色的新理论》一文中 认为,波动说有三个要害间题解决不了。一是 波动说不能很好地解释光的直线传播这一最 基本的事实；二是波动说不能解释偏振现象, 三是波动说赖以存在的以太质值得怀疑。 微粒说与波动说在解释几何光学现象方 面都有一定成效,处于同等地位。但微粒说在 与波动说争论的第一回合中取得了优势,其主 要原因是：
光的本性(上课使用)PPT课件
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屏幕
8
基本知识点
3、干涉图样的特点：
（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？
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9
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。
列光波，这两列波即是频率相同的相干光波，由于薄
膜的厚度不同，这两列光波的路程差不同。当路程差
为光波波长的整数倍时，则为波峰与波峰相遇，波谷
与波谷相遇，使光波的振动加强，形成亮条纹；当光
波的路程差为半波长的奇数倍时，则波峰与波谷相遇，
光波的振动减弱，形成暗条纹。
如果用白光照射上述肥皂液薄膜，薄膜就出现各
当薄膜的两个表面上反射光的路程差等于半个波长时，反射回
来的光抵消。从而增强了透射光的强度。显然增透膜的厚度应
该等于光在该介质中波长的1/4。由能量守恒可知，入射光总
强度=反射光总强度+透射光总强度。在膜的厚度等于光波长的
1/4时，光恰好实现波峰与波谷相叠加，实现干涉相消，使其
合振幅接近于零，即反射光的总强度接近于零，从总效果上看，
第十一章
光的本性
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1
高考考点
1知道人类对光的本质的认识过程． 2知道光的双缝干涉现象和薄膜干涉现象； 知道光的衍射现象；知道光是一种波． 3理解光电效应的基本规律和光子说的基本 内容；知道光的波粒二象性的初步概念
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2
光本性学说的发展简史
光的本性
例2：两支手电筒射出的光，当它们照到同一区域时看 ：两支手电筒射出的光， 不到干涉条纹，其原因是（ 不到干涉条纹，其原因是（ D ） A、 手电筒射出的光不是单色光 、 B、 干涉图样太细小看不清楚 、 C、 周围环境的漫反射光太强 、 D、 两个光源并非相干光源 、
例3：下列现象中哪些是光的干涉？ ：下列现象中哪些是光的干涉？ A.雨后天空出现的彩虹 雨后天空出现的彩虹 B. 昆虫翼上呈现的彩色条纹 C.隔着棱镜观察物体看到的彩色条纹 隔着棱镜观察物体看到的彩色条纹 D.阳光下水面上油膜的彩色条纹 阳光下水面上油膜的彩色条纹
例1：在白炽灯的照射下，能从捏紧的两块玻璃板表面看 ：在白炽灯的照射下， 到彩色条纹， 到彩色条纹，通过两根并在一起的铅笔狭缝去观察发光的 白炽灯，也会看到彩色条纹， 白炽灯，也会看到彩色条纹，这两种现象 （ C ） A.都是光的衍射现象 都是光的衍射现象 B.前者是光的色散现象，后者是光的衍射现象 前者是光的色散现象， 前者是光的色散现象 C.前者是光的干涉现象，后者是光的衍射现象 前者是光的干涉现象， 前者是光的干涉现象 D.都是光的波动性的表现 都是光的波动性的表现
（三）两个特例： 两个特例： 1、双缝干涉： 双缝干涉： 产生明暗条纹的条件 明条纹： 明条纹：路程差等于半波长 的偶数倍。 的偶数倍。 暗条纹： 暗条纹：路程差等于半波长 的奇数倍。 的奇数倍。 产生： 产生：在楔形膜前后表面反射的光相遇 叠加产生 2、薄膜干涉 特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等 特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、 运用： 运用：干涉法检查物体表面的平滑度
三、光的衍射： 光的衍射： 1、衍射条件：当孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相比 衍射条件： 甚至比光的波长还要小时， 拟，甚至比光的波长还要小时，可以观察到明显的光的 衍射现象。 衍射现象。 2、条纹特点：中央条纹最宽最亮，两边条纹较暗较窄， 条纹特点：中央条纹最宽最亮，两边条纹较暗较窄， 条纹间距不等。 条纹间距不等。 3、实例： 单缝衍射 、实例： 圆孔衍射 细丝衍射 边缘衍射
浅谈光的本性认知发展历程
浅谈光的本性认知发展历程作者：师家庆来源：《文存阅刊》2020年第14期摘要：自然科学的发展是人类不断揭露矛盾和克服矛盾的过程。
它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，但也有很多的理论是在科学技术发展前提下对众多的科学假说进行证实或者部分证实的产物，这一产物本身其实也不是完美的，而是一个新的、有质的飞跃的一个新的假说。
其中，光学中对于光的本性——波粒二象性的描述就是很典型的例子。
关键词：理论;科学假说;光学;波粒二象性一、光学的早期发展光学是一门古老而又年轻的学科。
中国的《墨经》、希腊的《光学》等书中，均对光的一些规律进行了描述。
从这时候开始，一直到15世纪末16世纪初是光学发展的萌芽时期。
在这一阶段，所有光学的研究均未涉及光的本性。
二、光的微粒说17世纪中叶，人类开始对光的本质进行探讨。
人们在光的反射、折射等理论的基础上，提出了光的微粒说。
最早由笛卡尔提出。
在力学、数学、天文学的发展中作出巨大贡献的牛顿发展了该模型，提出了光的微粒理论并着手通过实验来验证自己的假说。
然而，在他的很多实验中，结论指向了波动性，如牛顿环实验等。
由此使得牛顿在光的本性问题上犹豫了很久。
微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射、折射定律，但对于干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强，以致牛顿不得不在微粒说中添加了“振动”的因素，认为光微粒在传播途中会受到媒质振动的影响，从而使得光的微粒说能够站住脚。
由于牛顿在自然科学界的巨大声望，使得微粒说在整个18世纪占统治地位。
三、光的波动说1655年，意大利数学教授格里马第观测放在光束中的小棍子的影子时，发现了影子的宽度和直线传播前提下影子的宽度是有差距的。
据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。
格里马第设计了一个实验：让一束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。
他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。
格里马第进一步实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕，这时得到了明暗条纹。
人类对光的认识过程
人类对光的认识过程人类对光的本性认识经历了一个非常曲折、漫长的过程，这其中不仅仅使我们获得了很多知识，更重要的是对科学精神和科学发现的理解更深刻了。
光的本性认识历史--摘自《重要物理概念规律的形成与发展》乔际平刘甲珉编著人们对光的本性的认识经历了漫长的岁月，大约在十七世纪形成了两种对立的学说，即光的波动说与微粒说，但在以后很长一段时期内，微粒说占据统治地位，而波动说几乎消声匿迹.历史发展到十九世纪初，由于一连串的发现和众多科学家的努力使光的波动说再次复兴，并压倒了微粒说.二十世纪初，爱因斯坦提出了光的量子说，康普顿证实了光的粒子性，使人们对光的本性又有全新的认识，乃至到今天，人们认识到光具有波粒二象性.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形成了关于光的本性的两种学说，历史上主张光的波动说有笛卡儿、胡克、惠更斯等人.1.笛卡儿借助于以太来说明光的传播过程十七世纪上半叶，法国物理学家笛卡儿(1596-1650)曾用他提出的"以太"假说来说明光的本性.他用以太中的压力来说明光的传播过程.如果一物体被加热并发光，这意味着，物体的粒子处于运动状态并给予这一媒质的粒子以压力.这一媒质被称为以太，它充满了整个空间.压力向四面八方传播，在达到人眼后引起人的感觉，他把人们对物体的视觉比喻为盲人用手杖来感知物体的存在，他把光的颜色设想为起源于以太粒子的不同的转动速度，转得快的引起红色的感觉，转得慢的对应于黄色，最慢的是绿色和蓝色.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.2.胡克把光波与水波类比指出光的波动性胡克在1665年出版的《显微术》一书，明确提出光是一种振动.他以钻石受到摩擦、打击或加热时在黑暗中发光的现象为例，认为发光体的一部分处在或多或少的运动中，又因金刚石很硬，肯定它是一种很短的振动.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"，因此发光体的每一个振动形成一个球面向四周扩展，犹如石子投入水中所形成的波那样，而射线和波面交成直角.胡克还把波面的思想用于对光的折射现象的研究，提出了薄膜颜色的成因是由于两个界面反射、折射后所形成的强弱不同、超前落后不一致的两束光的叠合.这里已包含着波阵面、干涉等不少波动说的基本概念.3.惠更斯把光波与声波类比提出惠更斯原理，发展了光的波动学说荷兰物理学家惠更斯(1629-1695)在十七世纪七十年代，从事光的波动论的研究，1690年出版了他的著名著作《论光》.惠更斯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.他的研究发现:"光线向各个方面以极高的速度传播，并且光线从不同的地点出发时，光线在传播中相互穿过而互不影响.当我们看到发光的物体时，决不会是由于该物体有任何物质传输到我们这里，好象一粒子弹或一只箭穿过空气那样".从这里可看出，惠更斯从光束在传播中相互交叉时并不彼此妨碍的事实得出上述结论的.他把光的传播方式和声音在空气中的传播作比较，明确地指出了光是一种波动的思想.他又根据光速的有限性论证了光是从媒质的一部分依次向其他部分传播的一种运动，他认为光和声波、水波一样是一种球面波.惠更斯不但从现象上解释各种光的波动现象，而且试图从理论的高度总结出普遍的规律，他提出了著名的惠更斯原理.他叙述说:"关于这些波的形成过程还必须指出，当光在物质中传播时，物质的每一个粒子都应当把它的运动不仅传递给位于它与发光点的连线上近旁的粒子，它也必然把运动传递给所有与它接触并阻碍它运动的其它粒子.因此，在粒子的周围就应当形成波，而该粒子则是波的中心".运用这个次波原理，惠更斯不但成功地解释了反射和折射定律，而且还解释了方解石的双折射现象.惠更斯没有给波动过程以严密的数学描述.没有提到波长的概念，他的次波包络面也没有从一定位相的迭加所造成的强度分布来考虑，只不过是光传播的一种几何的定性说明，故仍旧停留在几何光学的观念范围内.由于他认为光波和声波一样是一种纵波，因此他无法解释光的偏振现象;而且惠更斯所谓的波动实际上只是一种脉冲而不是一个波列，也没有建立起波动过程的周期性概念，因此，用他的理论无法解释颜色的起源，也不能说明干涉、衍射等有关光的本质的现象.总之，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.二、光的微粒说的形成在光的波动学说形成过程中，关于光的本性另一种对立学说--光的微粒说也逐步建立起来了。
人类对光的认识过程
人类对光的认识过程光的本性认识历史--摘自《重要物理概念规律的形成与发展》乔际平刘甲珉编著人们对光的本性的认识经历了漫长的岁月，大约在十七世纪形成了两种对立的学说，即光的波动说与微粒说，但在以后很长一段时期内，微粒说占据统治地位，而波动说几乎消声匿迹.历史发展到十九世纪初，由于一连串的发现和众多科学家的努力使光的波动说再次复兴，并压倒了微粒说.二十世纪初，爱因斯坦提出了光的量子说，康普顿证实了光的粒子性，使人们对光的本性又有全新的认识，乃至到今天，人们认识到光具有波粒二象性.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形成了关于光的本性的两种学说，历史上主张光的波动说有笛卡儿、胡克、惠更斯等人.1.笛卡儿借助于以太来说明光的传播过程十七世纪上半叶，法国物理学家笛卡儿(1596-1650)曾用他提出的"以太"假说来说明光的本性.他用以太中的压力来说明光的传播过程.如果一物体被加热并发光，这意味着，物体的粒子处于运动状态并给予这一媒质的粒子以压力.这一媒质被称为以太，它充满了整个空间.压力向四面八方传播，在达到人眼后引起人的感觉，他把人们对物体的视觉比喻为盲人用手杖来感知物体的存在，他把光的颜色设想为起源于以太粒子的不同的转动速度，转得快的引起红色的感觉，转得慢的对应于黄色，最慢的是绿色和蓝色.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.2.胡克把光波与水波类比指出光的波动性胡克在1665年出版的《显微术》一书，明确提出光是一种振动.他以钻石受到摩擦、打击或加热时在黑暗中发光的现象为例，认为发光体的一部分处在或多或少的运动中，又因金刚石很硬，肯定它是一种很短的振动.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"，因此发光体的每一个振动形成一个球面向四周扩展，犹如石子投入水中所形成的波那样，而射线和波面交成直角.胡克还把波面的思想用于对光的折射现象的研究，提出了薄膜颜色的成因是由于两个界面反射、折射后所形成的强弱不同、超前落后不一致的两束光的叠合.这里已包含着波阵面、干涉等不少波动说的基本概念.3.惠更斯把光波与声波类比提出惠更斯原理，发展了光的波动学说荷兰物理学家惠更斯(1629-1695)在十七世纪七十年代，从事光的波动论的研究，1690年出版了他的著名著作《论光》.惠更斯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.他的研究发现:"光线向各个方面以极高的速度传播，并且光线从不同的地点出发时，光线在传播中相互穿过而互不影响.当我们看到发光的物体时，决不会是由于该物体有任何物质传输到我们这里，好象一粒子弹或一只箭穿过空气那样".从这里可看出，惠更斯从光束在传播中相互交叉时并不彼此妨碍的事实得出上述结论的.他把光的传播方式和声音在空气中的传播作比较，明确地指出了光是一种波动的思想.他又根据光速的有限性论证了光是从媒质的一部分依次向其他部分传播的一种运动，他认为光和声波、水波一样是一种球面波.惠更斯不但从现象上解释各种光的波动现象，而且试图从理论的高度总结出普遍的规律，他提出了著名的惠更斯原理.他叙述说:"关于这些波的形成过程还必须指出，当光在物质中传播时，物质的每一个粒子都应当把它的运动不仅传递给位于它与发光点的连线上近旁的粒子，它也必然把运动传递给所有与它接触并阻碍它运动的其它粒子.因此，在粒子的周围就应当形成波，而该粒子则是波的中心".运用这个次波原理，惠更斯不但成功地解释了反射和折射定律，而且还解释了方解石的双折射现象.惠更斯没有给波动过程以严密的数学描述.没有提到波长的概念，他的次波包络面也没有从一定位相的迭加所造成的强度分布来考虑，只不过是光传播的一种几何的定性说明，故仍旧停留在几何光学的观念范围内.由于他认为光波和声波一样是一种纵波，因此他无法解释光的偏振现象;而且惠更斯所谓的波动实际上只是一种脉冲而不是一个波列，也没有建立起波动过程的周期性概念，因此，用他的理论无法解释颜色的起源，也不能说明干涉、衍射等有关光的本质的现象.总之，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.二、光的微粒说的形成在光的波动学说形成过程中，关于光的本性另一种对立学说--光的微粒说也逐步建立起来了。
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。
光的本性
一、光的干涉现象---杨氏干涉实验 光的干涉现象---杨氏干涉实验 --1、装置特点：
0.1mm， （1）双缝很近 0.1mm， 双缝S 与单缝S的距离相等， （2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等， 2、①要用单色光 单孔的作用： ② 单孔的作用 ： 是获 得点光源 双孔的作用： ③ 双孔的作用 ： 相当 于两个振动情况完全 相同的光源，双孔的 作用是获得相干光源
单缝 双缝 屏幕
S1 S S2 红滤色片
3、实验的改进： 实验的改进：
①指出用狭缝代替小孔，可以得到同样清晰， 指出用狭缝代替小孔，可以得到同样清晰， 但明亮得多的干涉条纹。 但明亮得多的干涉条纹。 ②用氦氖激光器发出的激光演示双缝干涉实验。 用氦氖激光器发出的激光演示双缝干涉实验。
5、干涉图样的特点：
（1）形成明暗相间的条纹 （2）亮纹间等距、暗纹间等距 亮纹间等距、 （3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹S1 中垂线与屏幕相交位置是亮条纹 --中央亮纹 --中央亮纹
提出问题：（1）为什么会出现这样的图象？ ：（1 为什么会出现这样的图象？
（2）怎样用波动理论进行解释？ 怎样用波动理论进行解释？
二、运用光的波动理论进行分析
复习： 复习： （1）两列波在波峰和波峰相遇或波谷 与波谷相遇时振幅变大， 与波谷相遇时振幅变大，说明此点为振 动加强点 。 （2）两列波在波峰和波谷相遇时振幅 变小，说明此点为振动减弱点。 变小，说明此点为振动减弱点。 （3）对光发生干涉时 若光互相加强， 若光互相加强，出现亮条纹 若光互相削弱， 若光互相削弱，出现暗条纹
§20--1 光的干涉
第二十章 光的波 动性
一、光的干涉
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 干涉现象是波动独有的特征， 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象． 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
光的本性
光的本性
光的本性
光的微粒说
代表人物 观点 牛顿 光是从光源发出的一种 物质微粒,在均匀介质 中以一定的速度传播 光的直线传播 光的反射
依据
光的本性
光的波动说
代表人物
观点 依据
惠更斯
光是一种波 光的反射 折射现象
光的本性
牛顿
惠更斯
光的认识历史
当时波动说不能用数学作严格的表达 和分析 牛顿在物理学界的威望 波动说 19世纪初 , 光的干涉和衍射现象的发现 微粒说 19世纪60年代 , 麦克斯韦预言了电磁 波的存在,并认为光也是一种电磁波, 不久,赫兹在实验中证实了这种假设.
电磁波谱
波长范围 可见光 红外线 紫外线
400nm--------770nm 770nm--------106 nm 5nm--------400nm
红外线应用
1.红外线遥感
红外线应用
2.红外线检查健康状况 3.红外线加热 4.红外线遥控
紫外线应用
1.紫外线促使人体合成维生素D 2.紫外线杀菌
衍射种类
单缝衍射
单缝衍射条纹
红光 蓝光 白光
衍射种类
小孔衍射
孔较大时,屏上有清晰的光斑. 孔很小时,屏上出现了衍射花样
衍射种类
其它衍射
光经过刀片的边缘时发生衍射
衍射种类
其它衍射
泊 松 亮 斑
由于衍射,圆板的影的中心出现了亮斑
光的电磁说
光的电磁说
19世纪60年代,麦克斯韦预言了电 磁波的存在,并从理论上得出,电磁波在 真空中的传播速度近似等于光速,由此 他提出光在本质上是一种电磁波,1887 年,德国物理学家赫兹通过实验证实了 电磁波的存在,并且测出了实验中的电 磁波的频率和波长,从而计算出电磁波 的传播速度,发现电磁波速确实与光速 相同, 这样就证明了光的电磁说的正确 性.
光的本性之争
光的本性之争光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。
到17世纪，形成了一场关于光的本性的争论，也就是微粒说和波动说之争。
这场争论，是科学（特别是光学）发展的产物，同时又成为科学新发展的动力。
微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。
1672年2月6日，牛顿在送交皇家学会的“关于光和色的新理论”一文中表明了自己对光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说的最早表述。
这种观念，很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。
但是这篇论文一经发表，就引起了激烈的争论，反对光的本性的微粒见解的人就是胡克。
胡克（Robert Hooke，1635.7.18—1703.3.3）是英国物理学家。
他对弹性力定律的发现和论证，一直保存到现在，称为胡克定律。
对光的本性问题，胡克主张光是一种振动。
他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例子来证明光必定是一种振动。
同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。
当讨论光的直线传播和光速有限时，胡克认为，在一种均匀媒质中，这一运动在各个方面都必将成为一个球面。
这个球面将不断地扩大，如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样。
由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念。
胡克与牛顿争论时，提出了不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。
为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法完善自己的假设和理论。
由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理，在与胡克的争论过程中，便认为自己关于光的粒子结构的理论是正确的，但是他也表明没有绝对肯定这个结论，所以只能用“可能”两个字来表示。
进而认为这个结论在极端情况下，仅是自己学说的大概结果，而不是它的基本前提。
1675年12月9日，牛顿向皇家学会又提交了一篇题为“涉及光和色的理论的假说”的论文，论文中提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。
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。
光的本性的认识过程回顾
一、光的本性的认识过程简要回顾光物理学是当代物理学发展中最活跃的领域之一。
特别是在激光问世以来的三十多年里，光学的面貌发生了深刻的变化。
激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学、量子光学等学科正日趋成熟，并孕育着光子学、超快光谱学和原子光学等新的分支学科。
可以预见，光物理的研究在21世纪将会有若干突破性的进展，并对生命科学、生物学、激光化学等领域的突破，以及光学、光电子、光通讯等高技术产业的发展，起到关键性的先导与推动作用。
（一）磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
（一）、法拉第效应1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的。
他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用。
然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45度角。
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• 第一,在17、18世纪中经典力学已形成了完善的科 学体系,它在解释自然现象和指导生产实践中取得 了显著成效,人们容易接受。 • 第二,波动说还比较粗糙,理论上不够完善。如惠更 斯没有提出波的周期概念,并认为光波是纵波。而 且,波动说只限于用来解释光的几何性质,没能用来 解释当时已经发现的物理光学现象。 • 第三,牛顿的威望高,权威们的思想观点容易被人们 所接受。 • 第四,当时的物理实验水平不高,不能很好地测定光 速,这就不能就微拉说与波动说争论的焦点——一 光介质与光疏介质中光速的大小间题作出裁决。 这些在客观上对微粒说有利。
波动光学
Arago (1786-1853)
提出衍射 的波动理 论 偏振的 Malus定 律；冰洲 石晶体的 双折射现 象
Brewster (1781-1868)
设计并完成了 杨氏双缝干涉 实验，揭示了 光的波动本性
Fresnel (1788-1827)
测量并对比空 气中和水中的 光速(实验进 行时他已失明， 实验由Fizeau 和Foucalt 最 终完成)
光电效应以及康 普顿效应等无可 辩驳的证实了光 是一种粒子．
爱因斯坦
康普顿
• 1960年梅曼首先成功地研制出红宝石激光器 后,现代光学得到了突飞猛进的发展,全息摄 影、光纤通讯等新技术的出现以及傅里叶光 学、集成光学等新学科的形成为人类展现了 现代光学广阔的发展前景,光学同其他学科 和技术领域的广泛结合和相互渗透已成为现 代物理和现代科学技术的前沿阵地之一。
从量子光学到蓬勃发展的现代光 学——光的波粒二象性的提出
• 1905年3月爱因斯坦针对光电效应现象在普朗克量子 假设的基础上提出了光量子假说,在《关于光的产生 和转化的一个启发性观点》一文中认为,电磁辐射不 仅在发射和吸收时是以能量形式出现, 而且还以微粒 的形式在空间以光速传播。 • 1914年密立根用实验检验了假说的正确性和普朗克 常数h的精确值。由此,光的波粒二象性使人类对光本 质的认识又大大向前迈进了一步。
波动说的复兴
• 1800年英国的托马斯.杨发表了《在声和光方面的 实验和问题》的论文,认为光与声都是波,光是在以 太介质中传播的纵振动,不同颜色的光与不同颇率 的声音相类似,他在分析水波灼迭加现象之后提出 了“干涉”概念； • 1801年在皇家学会上宣读了关于薄膜颇色的论文, 进一步扩充和发展了惠更斯的波动说,明确提出了 光具有颇率和波长,完善了光波概念；并解释了牛 顿环现象。他做了独创的双孔千涉实验；并总结 出干涉原理。
进一步发展
实验验证 Maxwell 的预言； 发现光电 效应
Fraunhofer (1787 - 1826)
提出量子 论
发现太阳光谱 中的暗线 (Fraunhofer线)
H. Hertz (1847 - 1894)
Planck (1858-1947)
结 论
• 综上所述，人类对光本质的认识还有 待深入和拓展。人类对光本质的研究 还告诉我们：科学的发展是一个艰难 而曲折的过程、是一个积累和斗争的 过程，它迫使我们去创造新的观念和 新的理论。科学的发展离不开探索， 离不开百家争鸣的大环境，离不开不 迷信权威和敢于向权威提出挑战的求 实精神和批判精神。
早期微粒说与波动说的争论和评述
• 1672年牛顿在《光与颜色的新理论》一文中 认为,波动说有三个要害间题解决不了。一是 波动说不能很好地解释光的直线传播这一最 基本的事实；二是波动说不能解释偏振现象, 三是波动说赖以存在的以太质值得怀疑。 微粒说与波动说在解释几何光学现象方 面都有一定成效,处于同等地位。但微粒说在 与波动说争论的第一回合中取得了优势,其主 要原因是：
折射定律
•Ptolemy (100 AD)
•Thomas Harriet (1602)
争论： • Willebrord Snell (1621)
• Descartes (1637)
Willebrord Snell (1580-1626) 1621年提出折射定律 (即Snell定律)
• 1819年他们又做了验证光是横波的实验,并 说明了两个振动面互相垂直的振动不能实 现干涉。 • 1822年夫琅和费又创立了衍射理论的数学 方法,对光的波动理论的发展做出了新贡献。 • 1835年德国学者施维尔德发表了重要的总 结性文章《从波动理论的基本定理出发阐 明衍射现象》,这标志着光波动理论的发展 进入了全盛时期。
研究课题
光的本性的研究历程
内容摘要
• 本文主要探究在光学发展史上对光的本质 研究所分为几个阶段，在每个阶段中分别 建立的学说，每个学说的代表人物及其在 研究过程中的主要事迹。
论文结构及主要内容
• • • • • • • 引言 微粒说和波动说的提出 早期微粒说与波动说的争论和评述 波动说的复兴 光的机械波动论与光的电磁波理论 从量子光学到蓬勃发展的现代光学 结论
参考文献
• 1、弗· 卡约里 . 《物理学史》 . 内蒙古人 民出版社 . 1981 • 2、乔治· 伽莫夫 . 《物理学发展史》 . 商 务印书馆 . 1981 • 3、盛· 弗·马吉 . 《物理学原若选读》 . 商 务印书馆 . 1986 • 4、谭树杰, 王华 . 《物理学上的重大实 验》 . 科学技术文献出版社 . 1987
Empedocles (~495-435BC)
凹面镜聚焦太 阳光的记载
Democritus (460-370BC)
视觉的解释
Aristophanes (?450-?388BC)
光速是有限 的
色彩的解释
Aristotle (384-322BC)
中国:墨翟(公元前468～376年)
墨经共5000余字，其中有8条关于几何光学的记述，系统且完整。
关键词
光本质 波动说 粒子说 波粒二象性
引 言
• 人类很早就开始了对光的观察和研究，逐 渐积累了丰富的知识，使光学成为了物理 学中发展最早的分支之一。从17 世纪开始 至20 世纪初，“微粒说”与“波动说”两 大理论，展开了激烈的争论，最终以光的 波粒二象性而告终。正是这场争论，推动 了科学的发展，并导致了20世纪物理学的 重大成就———量子力学的诞生。
偏振的 Brewster定律
Malus (1775-1812)
光的机械波动论的困难、光的电磁波理论的建立
• 1864年英国物理学家麦克斯韦在《电磁场的动力理 论》得出这样一个推论：光是存在于媒质中的横波； 光波是媒质中传播的波长较短的电磁波。” •1888年赫兹在实验室产生了电磁波,并 测出电磁波在空气中的传播速度等于光 在空气中传播的速度,验证了电磁波在反 射中符合光的反射定律,他还做了电磁波 的聚焦、干涉、衍射、偏振等项实验,雄 辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确 性,即证明了光的电磁波动理论的正确性。