人对光的认识

人对光的认识 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。同学们，请你们 认真阅读，暂时不懂的地方可以越过，看完之后有什么感想,请你通过回复告诉我，或者发电子邮件至zhousp-fx@263.net 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 研究，提出了薄膜颜色的成因是由于克还把波面的思想用于对光的折射现象的 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。 1(牛顿在对光的色散现象的研究中提出了光的微粒说(牛顿在光学研究中，从光的色散现象中得出结论;单色的光束是不能再改变的(它们可以说是光的“原 子”，就象物质的原子一样(支持光的微粒说的人们认为:单色光是由单一粒子构成的，白光则是各种光粒子的混合物，棱镜只是将它们分类，使各种光粒子有不同 的偏转角度(因而牛顿及其追随者把色散现象看作是微粒说的一个证明(而在当时很不完善的波动说却很难解释光的色散问(惠更斯虽然他知道牛顿的这一研究成 果，但在他的著作中却避开而不谈这一问题( 2(牛顿根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论(牛顿在1704年出版的《光学》一书中，根据光的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论(他认为光 的直线传播是由于这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动(他说:“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体,因为这样一些物 体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去，这正是光线的本性。” 3(牛顿在解释光的折射定律、衍射、干涉等现象的过程中进一步发展和完善了光的微粒说(牛顿在分析折射定律时，坚持微粒说的观点，认为光在光密媒质中的速 度大于光疏媒质中的速度(实际上这是一种错误观点)，但这在当时无法用实验加以检验的(牛顿解释光的衍射现象时认为，当光粒子通过障碍的边缘时，由于两者 之间有引力作用，使光束进入了几何阴影区(这种解释在当时曾被多数人所接受(牛顿在解释光的干涉现象时，认为当光投射到一个物体上的时候，可能激起物体中 以太粒子的振动，就好像投入水中的石块在水面上激 起波纹一样(他甚至设想可能正是由于这种波依次地赶过光线而引起干涉现象(在解释薄膜干涉时，牛顿已接触 到光的周期性概念(从以上可看出，牛顿对光的本性的看法基本上是倾向于微粒说的观点，但其中也包含一些波动性的 推举为微粒说的代( 观点(而牛顿当时的支持和崇拜者们却把牛顿 三、光的波动说与微粒说的斗争中，微粒说取得初步胜利，占统治地位( 当光的波动说和微粒说初步形成后，这两种对立的观点进行了激烈地争论和斗争(以惠更斯等为代表的光的波动说和以牛顿为代表的光的微粒说各持己见(它们都能 解释一些光学现象(但也各有一些局限性，限于当时的条件有时也难以明确判断其正误(如按照微粒说，可推导出光的折射定律为 sini/sinr=v2/v1 式中i 为入射角、r 为折射角、n 为折射率(v1 和v2 分别为第一种媒质与第二种媒质中的光速(由疏媒质进入光密媒质时v2,v1，即光疏媒质中的光速v1 小于光密媒质中的光速v2(而按波动说，惠更斯推导出 sini/sinr=v1/v2 则v2方法

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