文科物理课件----光的本性

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1、第 二 章 永 恒 的 经 典n 一 、 粒 子 运 动 的 描 述n 二 、 波 动 现 象n 三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说n 四 、 波 动 光 学n 五 、 光 的 电 磁 理 论n 六 、 光 的 波 粒 二 象 性n 七 、 德 布 罗 意 波第 五 节 光 的 本 性一 、 粒 子 运 动 的 描 述1. 运 动 的 绝 对 性 所 有 物 体 都 是 由 微 观 的 粒 子 组 成 的 （ 如原 子 、 分 子 ） ， 而 微 观 的 粒 子 都 在 做 永 不 停 息的 热 运 动 。 世 界 上 一 切 物 质 都 是 处 于 永 恒 的 运动 状 态 之 中

2、。 2一 、 粒 子 运 动 的 描 述如 图 2.5.1 宏 观 粒 子 在空 间 的 位 置 及 运 动 轨 迹粒 子 具 有 一 定 的 质 量 ， 用 速 度描 述 粒 子 运 动 的 快 慢 和 方 向 。 粒子 运 动 时 具 有 动 能 、 动 量 。 如 图2.5.1所 示 。 粒 子 N在 空 间 的 位 置坐 标 为 ， 为 粒 子 在 空 间 的位 置 矢 量 。 而 后 粒 子 沿 曲 线 运 动 ，在 M点 时 的 速 度 为 ， 具 有 动量 ， 动 能 ， 其 中 ：mv),( zyx rkEpr xi yj zk 2.粒 子 运 动 的 描 述 3一 、 粒 子

3、 运 动 的 描 述ddrtv=p m v2k 12E m v 4二 、 波 动 现 象1、 波 动 的 描 述波 是 由 于 物 体 围 绕 各 自 平 衡 位 置 来 回 运 动 所 形 成 的 。如 果 将 软 绳 的 一 端 固 定 ， 然 后 持 续 抖 动 绳 子 的 另 一端 ， 我 们 将 看 到 图 2.5.4所 示 的 现 象 。 好 像 有 某 种东 西 沿 绳 前 进 ， 这 种 东 西 就 是 波 。 波 的 传 播 方 向图 2.5.4 持 续 抖 动 绳 子 的 一 端 产 生 一 个 沿 绳 子 传 播 的 连 续 波 5对 波 的 描 述 有 其 特 有 的

4、物 理 量 ， 如 波 长 、 频 率 、 振 幅、 波 速 等 ， 如 图 2.5.5所 示 。 图 2.5.5 波 长 、 振 幅 、 波 速 的 意 义 波 速 v二 、 波 动 现 象6 v一 个 连 续 而 重 复 的 波 的 波 长 是 沿 着 波 从 任 一 点 到下 一 个 同 相 点 的 距 离 。 波 的 频 率 是 介 质 中 任 意 个体 每 秒 钟 内 完 成 的 振 动 次 数 。 波 通 常 由 某 种 振 动的 波 源 发 出 ， 这 时 波 的 频 率 必 定 与 波 源 的 频 率 相同 。 也 即 波 的 频 率 由 波 源 振 动 的 频 率 决 定 。

5、 波 的振 幅 是 指 它 的 最 大 高 度 或 深 度 。 波 速 是 指 波 形 在介 质 中 的 传 播 速 度 。 一 列 波 的 波 长 、 波 速 和频 率 之 间 的 关 系 为 ： v二 、 波 动 现 象72.波 特 有 的 现 象 二 、 波 动 现 象（ 1） 波 的 衍 射波 绕 过 障 碍 物 进 入 其 几 何 阴 影 继 续 传 播 的 现 象叫 做 波 的 衍 射 。 8（ 2） 波 的 干 涉二 、 波 动 现 象两 列 波 相 遇 时 表 现 出 有 的 地 方 振 动 加 强 ， 有 的 地方 振 动 减 弱 的 现 象 叫 做 波 的 干 涉 。 空

6、旷 的 操 场 上 放 置 两 个同 步 播 放 的 扬 声 器 ， 当我 们 移 动 时 可 以 听 到 忽强 忽 弱 的 声 音 。 9如 果 在 空 旷 的 操 场 上 放 置 两 个 独 立 播 放 的 扬 声 器， 我 们 移 动 时 为 什 么 很 难 听 到 忽 强 忽 弱 的 声 音 的 ? 二 、 波 动 现 象波 的 相 干 条 件 ： （ 1） 频 率 相 同 ； （ 2） 振 动 方 向 平 行 ； （ 3） 相 位 相 同 或 相 位 差 恒 定 。10三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说粒 子 性 和 波 动 性 是 物 质 存 在 的 两 种 不 同 的 表

7、 现 形 式 。光 如 果 是 粒 子 ， 就 应 该 具 有 粒 子 的 属 性 !而 光 如 果 是 波 ， 那 么 也 应 该 具 有 波 的 属 性 !！ 光 是 粒 子 还 是 波 呢 ？ 这 是 光 的 本 性 问 题 。 11三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说对 关 于 光 的 本 性 问 题 的 研 究 ， 形 成 了 两 种 相 互 对 立 的 理论 ， 即 光 的 微 粒 说 和 光 的 波 动 说 。 1、 以 英 国 物 理 学 家 牛 顿 为 代 表 的 微 粒 说 认 为 ： 光是 由 微 粒 组 成 的 粒 子 流 ， 是 发 光 体 接 连 不 断 地

8、向周 围 空 间 射 出 的 一 群 微 小 粒 子 流 ， 并 且 它 们 走 的是 最 快 的 直 线 运 动 路 径 。 用 光 的 微 粒 说 可 解 释 光 的 反 射 和 折 射 现 象 ， 但无 法 解 释 光 的 衍 射 现 象 。12三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说2、 以 荷 兰 物 理 学 家 惠 更 斯 为 代 表 的 波 动 说 认 为 ：光 是 一 种 波 ； 光 波 是 一 种 靠 物 质 载 体 （ 以 太 ） 来传 播 的 纵 波 ； 波 面 上 的 各 点 本 身 就 是 引 起 媒 质 振动 的 波 源 。 光 的 波 动 理 论 也 能 解 释

9、 光 的 反 射 定 律 和 折 射 定 律， 同 时 也 能 较 好 的 解 释 光 的 衍 射 和 双 折 射 现 象 。 但 是 ， 在 用 波 动 理 论 解 释 折 射 现 象 时 ， 必 须 假 定光 在 水 中 的 传 播 速 率 小 于 光 在 空 气 中 的 传 播 速 率， 这 与 牛 顿 微 粒 说 的 结 论 正 好 相 反 。 13三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说显 然 ， 如 果 能 测 出 光 在 介 质 中 传 播 的 速 度 ， 就 可以 判 断 波 动 说 与 微 粒 说 熟 是 熟 非 了 ， 可 惜 当 时 没有 实 验 能 够 进 行 判 断

10、 。图 2.5.8 光 的 反 射 ii 空 气 i i反 射 光 线入 射 光 线 反 射 面平 面 镜 反 射 光 线入 射 光 线 i 折 射 光 线 界 面空 气 )( 1n)( 2n水 图 2.5.9 光 的 折 射 14波 动 说 与 微 粒 说 的 争 论 还 在 继 续 ， 要 说 服 谁 都 必须 有 可 靠 的 实 验 证 据 。三 、 光 的 波 动 说 与 微 粒 说克 里 斯 蒂 安 惠 更 斯 艾 萨 克 牛 顿 15四 、 光 的 波 动 特 性1、 光 的 干 涉 （ 光 的 杨 氏 双 缝 干 涉 实 验 ) 16四 、 光 的 波 动 特 性1、 光 的 干

11、 涉 （ 光 的 杨 氏 双 缝 干 涉 实 验 ) 1801年 ， 英 国 物 理 学 家 托 马斯 杨 找 到 获 得 相 干 光 源 的 方法 ： 把 从 同 一 批 原 子 发 射 出来 （ 初 相 位 相 同 ） 的 光 人 为地 分 为 两 列 ， 让 它 们 经 过 不同 的 路 径 后 再 在 屏 幕 上 相 遇 。各 原 子 的 发 光 尽 管 随 机 地 改变 ， 但 任 何 初 相 位 改 变 总 是同 时 发 生 在 两 列 波 中 ， 在 观察 点 相 位 差 只 与 路 径 有 关 。17I t I 叠 加 后 t I t 由 于 它 们 的 频 率 相 同 ， 振

12、 动 方 向 相 同 ， 且 具 有 固 定 的 位 相 差 =0， 因 此 ， 叠 加 后 光 强 加 强 。 四 、 光 的 波 动 特 性18四 、 光 的 波 动 特 性19四 、 光 的 波 动 特 性白 光 的 薄 膜 干 涉 图 样 202、 光 的 衍 射四 、 光 的 波 动 特 性（ 1） 圆 孔 衍 射 PH*S21(2)直 边 衍 射 （ 刀 刃 衍 射 ） 22(2)圆 屏 衍 射 （ 泊 松 亮 斑 ） 23泊 松 亮 点 :1818年 ,巴 黎 科 学 院 举 行了 一 次 解 释 衍 射 的 有 奖 竞 赛 , 评 委 中许 多 著 名 科 学 家 ,如 毕 奥

13、 、 拉 普 拉 斯 、泊 松 等 ， 都 是 光 的 微 粒 学 说 的 忠 实拥 护 者 。 年 轻 的 工 程 师 菲 涅 耳 报 告了 “ 应 用 子 波 叠 加 原 理 解 释 衍 射 现象 ” 的 论 文 。 会 后 ， 泊 松 仔 细 审 阅了 菲 涅 耳 的 论 文 ， 导 出 了 “ 圆 屏 衍射 中 心 会 出 现 一 个 亮 点 ” 这 一 看 似离 奇 的 结 论 ， 使 菲 涅 耳 原 理 面 临 严峻 考 验 。 不 久 ， 阿 喇 果 在 实 验 中 果然 观 察 到 了 这 一 惊 人 现 象 （ 又 称 为阿 喇 果 亮 斑 ） 。 这 一 发 现 对 光 的

14、 波动 学 说 提 供 了 有 力 的 支 持 。 法 国 物 理 学 家 菲 涅 耳24五 、 光 的 电 磁 理 论麦 克 斯 韦 指 出 ， 电 磁 扰 动 （ 电 磁 波 ） 的 传 播 与 光 传播 相 似 ， 光 是 按 电 磁 规 律 传 播 的 电 磁 扰 动 ， 光 就 是一 种 电 磁 波 。 后 来 ， 赫 兹 用 实 验 证 实 了 电 磁 波 的 存在 。 光 的 电 磁 理 论 成 功 地 解 释 了 光 波 的 性 质 。 实 验证 明 ， 红 外 线 、 紫 外 线 、 X射 线 、 射 线 都 是 电 磁波 。 25 1.1 单 色 辐 射 出 射 度 单 位 时 间 内 从 物 体 单 位 面 积发 出 的 波 长 在 附 近 单 位 波 长 区 间 的 电 磁 波 的 能 量 .单 色 辐 射 出 射 度 单 位 ：)(TM 3W/m 定 量 研 究 热 辐 射 的 有 关 物 理 量 1.2 辐 射 出 射 度 （ 辐 出 度 ） 单 位 时 间 ， 单 位 面 积 上所 辐 射 出 的 各 种 波 长 的 电 磁 波 的 能 量 总 和 . 0 d)()( TMTM六 、 光 的 波 粒 二 象 性1. 黑 体 辐 射261.3 斯 忒 藩 -玻 耳 兹 曼 定 律 40 d)()( TTMTM 428 KmW10670.5