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1、第二章第二章 永恒的经典永恒的经典 n一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述 n二、波动现象二、波动现象 n三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说 n四、波动光学四、波动光学 n五、光的电磁理论五、光的电磁理论 n六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性 n七、德布罗意波七、德布罗意波 第五节第五节 光的本性光的本性 一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述 1.1. 运动的绝对性运动的绝对性 所有物体都是由微观的粒子组成的（如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的热运动。世界
2、上一切物质都是处于永恒的运 动状态之中。动状态之中。 2 一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述 如图如图2.5.1 宏观粒子在宏观粒子在 空间的位置及运动轨迹空间的位置及运动轨迹 粒子具有一定的质量粒子具有一定的质量 ，用速度，用速度 描述粒子运动的快慢和方向。粒描述粒子运动的快慢和方向。粒 子运动时具有动能、动量。如图子运动时具有动能、动量。如图 2.5.12.5.1所示。粒子所示。粒子N N在空间的位置在空间的位置 坐标为坐标为 ， 为粒子在空间的为粒子在空间的 位置矢量。而后粒子沿曲线运动，位置矢量。而后粒子沿曲线运动， 在在M M点时的速度为点时的速度为 ，具有动，具有动 量量 ，动能
3、，动能 ，其中：，其中： m v ),(zyxr k Ep rxiyjzk 2.2.粒子运动的描述粒子运动的描述 3 一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述 d d r t v = pm v 2 k 1 2 Emv 4 二、波动现象二、波动现象 1 1、波动的描述、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。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，我们将看到图端，我们将看到图2.5.42.5.4所示的现象。好像有某种所示的现象。好像有某种 东西沿绳前进，这种东西就是波。东西沿绳前进
4、，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物理量，如波长、频率、振幅对波的描述有其特有的物理量，如波长、频率、振幅 、波速等，如图、波速等，如图2.5.52.5.5所示。所示。 图2.5.5 波长、振幅、波速的意义 波速 v 二、波动现象二、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。波通常由某种振动体每秒钟内完成的振动次数。波通常由某种振动 的波源
5、发出，这时波的频率必定与波源的频率相的波源发出，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。波的同。也即波的频率由波源振动的频率决定。波的 振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在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。一列波的波长介质中的传播速度。一列波的波长 、波速、波速 和和 频率频率 之间的关系为：之间的关系为： v 二、波动现象二、波动现象 7 2.2.波特有的现象波特有的现象 二、波动现象二、波动现象 （1 1） 波的衍射波的衍射 波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象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。叫做波
6、的衍射。 8 （2 2） 波的干涉波的干涉 二、波动现象二、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。方振动减弱的现象叫做波的干涉。 空旷的操场上放置两个空旷的操场上放置两个 同步播放的扬声器，当同步播放的扬声器，当 我们移动时可以听到忽我们移动时可以听到忽 强忽弱的声音。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，我们移动时为什么很难听到忽强忽弱的声音的? ? 二、波动现象二、波动现象 波的相干条件：（波
7、的相干条件：（1 1）频率相同；）频率相同； （2 2）振动方向平行；）振动方向平行； （3 3）相位相同或相位差恒定。）相位相同或相位差恒定。 10 三、光的波动说与微粒说三、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现形式。粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式。 光如果是粒子，就应该具有粒子的属性光如果是粒子，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。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三、光的波动说与微粒说 对关于光的本性问题的研究，形
8、成了两种相互对立的理对关于光的本性问题的研究，形成了两种相互对立的理 论论 ，即光的微粒说和光的波动说。，即光的微粒说和光的波动说。 1 1、以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为：、以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为：光光 是由微粒组成的粒子流，是发光体接连不断地向是由微粒组成的粒子流，是发光体接连不断地向 周围空间射出的一群微小粒子流，并且它们走的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。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，用光的微粒说可解释光的反射和折射现象， 但但 无法解释光的衍射现象。无法解释光的衍射现象。 12 三、光的波动说与微粒
9、说三、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：、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传播的纵波；波面上的各点本身就是引起媒质振 动的波源。动的波源。 光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律光的波动理论也能解释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。，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
10、传播速率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。，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。有实验能够进行判断。 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 )( 1 n )( 2 n 水 图2.5.9 光的折射 14 波动说与微粒说的争论还在继续
11、，要说服谁都必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。须有可靠的实验证据。 三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说 克里斯蒂安克里斯蒂安 惠更斯惠更斯 艾萨克艾萨克牛顿牛顿 15 四、光的波动特性四、光的波动特性 1 1、光的干涉（、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验) 16 四、光的波动特性四、光的波动特性 1 1、光的干涉（、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验) 1801年，英国物理学家托马年，英国物理学家托马 斯斯杨找到获得相干光源的方杨找到获得相干光源的方 法：把从同一批原子发射出法：把从同一批原子发射出 来（初相位相同）的
12、光人为来（初相位相同）的光人为 地分为两列，让它们经过不地分为两列，让它们经过不 同的路径后再在屏幕上相遇。同的路径后再在屏幕上相遇。 各原子的发光尽管随机地改各原子的发光尽管随机地改 变，但任何初相位改变总是变，但任何初相位改变总是 同时发生在两列波中，在观同时发生在两列波中，在观 察点相位差只与路径有关。察点相位差只与路径有关。 17 I I t t I I 叠加后叠加后 t t I I t t 由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差 =0=0，因此，叠加后光强加强。，因此，叠加后光强加强。 四、光的波动特性四、光的波动特性
13、 18 四、光的波动特性四、光的波动特性 19 四、光的波动特性四、光的波动特性 白光的薄膜干涉图样白光的薄膜干涉图样 20 2 2、光的衍射、光的衍射 四、光的波动特性四、光的波动特性 （1 1）圆孔衍射）圆孔衍射 P H * S 21 (2)(2)直边衍射（刀刃衍射）直边衍射（刀刃衍射） 22 (2)(2)圆屏衍射（泊松亮斑）圆屏衍射（泊松亮斑） 23 泊松亮点泊松亮点: :1818年年,巴黎科学院举行巴黎科学院举行 了一次解释衍射的有奖竞赛了一次解释衍射的有奖竞赛, 评委中评委中 许多著名科学家许多著名科学家,如毕奥、拉普拉斯、如毕奥、拉普拉斯、 泊松等，都是光的微粒学说的忠实泊松等，都
14、是光的微粒学说的忠实 拥护者。年轻的工程师菲涅耳报告拥护者。年轻的工程师菲涅耳报告 了了“应用子波叠加原理解释衍射现应用子波叠加原理解释衍射现 象象”的论文。会后，泊松仔细审阅的论文。会后，泊松仔细审阅 了菲涅耳的论文，导出了了菲涅耳的论文，导出了“圆屏衍圆屏衍 射中心会出现一个亮点射中心会出现一个亮点”这一看似这一看似 离奇的结论，使菲涅耳原理面临严离奇的结论，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）。这一发现对光的波阿喇果亮斑）。这一发现对光的波 动学说提供了有力的支持。动学
15、说提供了有力的支持。 法国物理学家菲涅耳法国物理学家菲涅耳 24 五、光的电磁理论五、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、证明，红外线、紫外线、X X射线、射线、射线都是电磁射线都是电磁 波。波。 25 1.1.1 1 单色辐射出射度单色辐
16、射出射度 单位时间内从物体单位面积单位时间内从物体单位面积 发出的波长在发出的波长在 附近单位波长区间的电磁波的能量附近单位波长区间的电磁波的能量 . . 单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：)(TM 3 W/m 定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 1.2 1.2 辐射出射度（辐出度）辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上单位时间，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、光的波粒二象性六、光的波粒二象性 1. 黑体辐射黑体辐射 26 1.3 1.3 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 4 0 d)()(TTMTM 428 KmW10670. 5 斯
