人类对光的认识

毕业论文（设计）

题目：《人类对光的认识》

姓名：李永瑞

指导教师：

系别：物理系

专业：教育技术学

年级：2003级

学制：三年

本专科：专科

毕业论文（设计）

论文题目：人类对光的认识

论文摘要：本文从人类对光的认识上阐述了光发展的几个阶段,即光的波动说，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。

关键词：光光的认识光的本性

正文

一引言

人类从黑暗中走出来的本身是人类对光的认识，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，但那时侯人类对光的研究，主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题，中国早在公元前400多年(先秦的代) 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．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．

而胡克在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．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．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．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，而人类对光的具体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．在解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其相互作用，使微粒的速度的竖直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和方向均不发生变化(因为在这一方向上没有相互作用)，就可以准确地得出光在反射时，反射角等于入射角这一与实验事实吻合的结论。同时牛顿提出了著名的“猝发理论”．他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔(等时或等距)内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易透过下一个折射面，而在它(相继)两次复发之间容易被这个面所反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射(的状态)称它为‘容易反射的猝发’，而把它返回到倾向于透射(的状态)称它为‘容易透射的猝发’，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔’”。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．

首先是英国年轻的学者托马斯·杨（1773—1829）面对以声望显赫的牛顿为代表的微粒说没有盲目认定，他通过仔细地观察在两组水波交迭处发生的现象，提出了著名的“干涉原理”也称“波的迭加原理”，并在光学中首次引入了

“干涉”的概念．同时他指出了产生干涉现象的条件.他首次完成了著名的双缝干涉实验和其他一些干涉实验，总结出：为了显示光的干涉，先必须使从同一光源出来的光分成两束，经由不同的途径，然后重新迭合在一起，即可观察到干涉现象．杨氏第一次成功地测定了光的波长．但杨氏的发现没有受到科学界的重视．直到二十年之后，法国物理学家菲涅耳在法国独立地研究了光的理论，并特别称赞杨的工作之后，杨才恢复早期的光学研究．托马斯·杨的工作是一种开创性工作，它从根本上证明了波动理论的正确性，为波动说的复兴奠定了基础．其次是菲涅耳的杰出的实验研究与理论研究成果使光的波动说再度复兴．菲涅耳的光学研究中，他首先观察了从点光源发射出的光束在遇到细线阻挡时出现的条纹，如果将通过细线一边的光在它到达屏之前把它拦住时，影内的条纹就失去了．菲涅耳认为条纹的出现同细线两边光的迭加有关．而当时许多物理学家却认为这种现象并不是由于光波的迭加，因为微粒说早就提出对衍射的解释．菲涅耳从理论研究中发现了著名的惠更斯——菲涅耳原理。运用这个原理，就能以严密的数学方法计算出衍射带的分布，并解释光在均匀媒质中的近似的直线传播现象和干涉现象．菲涅耳曾做过许多实验，它提出了“相干光”这个概念．他设计和进行了著名的双面镜和双棱镜实验，并测定了光的波长，明确指出光和声的波动性就是产生衍射和干涉现象的原因．这样，由于杨氏和菲涅耳等人的杰出工作，终于使光的波动说再度复兴，并得到了极大的完善和发展，使光的波动说在光的本性的争论中在十九世纪占据了统治地位，使十七、十八世纪盛行一时的微粒说不得不让位屈尊。而人类对光的认识也发生了戏剧性的转折。

四、光的量子说

1900 年普朗克提出量子假设，1905 年爱因斯坦发表论光的量子理论著名论文，题目是《一个关于光的产生和转化的启发性观点》。爱因斯坦用光量子概念圆满地解释了经典物理理论无法解决的实验事实：光电效应．因为按照光的波动说，它是与光电效应的实验事实相矛盾的．其一，按照光的波动说，在光的照射下，金属中的电子将从入射光中吸收能量，从而逸出金属表面．逸出时的初动能应决定于光振动的振幅，即决定于光的强度．因而光电子的初动能应随入射光强度而增加．这与光电效应的实验结果不符．其二，根据波动说，如果光强足够供应从金属释出光电子所需要的能量，那么光电效应对各种频率的光都会发生，但实验事实是每种金属都存在一个红限ν0，对于频率小于ν0 的入射光，不管入射光的强度多大，都不能发生光电效应.其三，按照光的波动说，金属中的电子从入射波中吸收能量必须积累到一定的量值，才能释放电子，显然入射光越弱，能量积累的时间越长．但事实是当物体受到光的照射时，无论光怎样弱，只要频率大于红限频率，光电子几乎是立刻发射出来的．爱因斯坦则根据光的量子理论成功地解释了光电效应．并总结出了光电效应方程式

十年后密立根的实验完全证实了爱因斯坦光电效应方程及理论的正确性，从而确立了光的量子理论，人类对光的认识再度登上一个崭新的台阶。

五、光的粒子性