關于光的幾種學說

2023年12月30日發(作者：體育課教案模板)

關于光的幾種學說

1．微粒說——牛頓——光是沿直線高速傳播的彈性粒子流。

牛頓認為光是一種細微的大小不同的而又迅速運動的粒子，這些粒子遵守力學定律，它們在真空中或均勻介質中由于慣性而作勻速直線運動，因此，光的微粒說能較好地簡明直觀地解釋光的直線傳播和光的反射定律以及影的形成和光的色散現象。

(3)微粒說的困難：

①解釋光的折射定律比較麻煩，根據牛頓的推算，光在介質中速度要比光在真空中速度要大(后來知道這是錯誤的，可是當時無法判斷這個推算正確與否)。

②不能解釋光的獨立傳播定律：如幾束光相遇后會彼此毫無妨礙地繼續向前傳播。光的獨立傳播與光的機械微粒流概念是不相容的，它成為微粒說的致命弱點。

③在介質表面同時存在的反射及折射現象：牛頓認為光的反射是由于光微粒受到介質的排斥所致，折射是微粒受到介質的吸引所致，那么一束光射到介質表面時，既有反射又有折射，為什么介質對光微粒“有親有疏”呢？

④光的衍射現象更難用微粒說解釋。

2．波動說——惠更斯（早期波動說）——光是某種振動在介質中以波的形式向外傳播，即光是某種波。

(1)實驗基礎：光的獨立傳播規律。

(2)能解釋的現象：波的反射、折射現象比較常見，所以波動說解釋光的反射、折射是可以令人信服的；對光疊加后又可無妨礙地繼續向前傳播的解釋，也是比較完美的。

(3)波動說的困難：由于惠更斯時代對光的波長是“很短、很短”這一點還不清楚，因此對光照射到不透明物體后會留下清晰的影子，還解釋不了(亦即解釋不了光的直線傳播規律)盡管當時已發現了光的衍射現象，卻沒有給波動說提供什么理論優勢。

二、微粒說與波動說的爭論

①爭論的焦點：對折射現象的分析，兩種學說得到不同結論：微粒說得出光在光密介質中光速大于光疏介質中光速；波動說得出光在光密介質中光速小于光疏介質中光速。但是，由于當時實驗條件限制，無法測量光速，所以無法判斷誰對誰錯，因此二者爭論達一個世紀多。

②微粒說的稱雄：兩學說幾乎是同一時代產生的，各有成功的一方面，但都不能完美地解釋當時知道的各種光現象。但19世紀以前，微粒說一直占統治地位，其原因有以下幾點：

a．在17、18世紀中經典力學已成了完美的科學體系，在解釋自然現象時和應用于實踐方面十分得力。人們自然容易接受機械運動模型光的微粒說。

b．牛頓的威望比惠更斯高，權威們的思想觀點容易被人們所接受。

c．波動說還不完善，比較粗糙，對解釋光的直線傳播沒有足夠的說服力。

(2)波動說的復興

①托馬斯·揚的貢獻：托馬斯·揚提出了光具有頻率和波長，完善了光波概念。他在實驗室中做了獨創的雙孔干涉實驗，成功地觀察到了光的干涉現象，并且總結出了干涉原理。

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②菲涅耳的貢獻：菲涅耳以光波干涉的思想補充了惠更斯原理，明確了惠更斯原理的物理意義(后來稱為惠更斯——菲涅耳原理)。成功地解釋了各種衍射現象。

【說明】泊松亮斑：

菲涅耳理論公布以后，著名數學家泊松根據菲涅耳的理論推算出在圓板陰影的中心應該出現一個亮斑。由于從來沒有人報道過這樣的事情，并且在影子中央出現亮斑，似乎是十分荒謬的，所以泊松興高采烈地宣布他駁倒了菲涅耳的波動理論。但菲涅耳和阿拉果立即用實驗精彩地證實了這一結論，后來人們把這種現象戲稱“泊松亮斑。”

3．電磁說：麥克斯韋——光是一種電磁波。

(1)實驗基礎：

①光和電磁波一樣都具有波的性質，都能產生反射、折射、干涉、衍射現象。

②光和電磁波在真空中的速度相等，均等于c=3.0×108m/s。光和電磁波都可以在真空中傳播。

③光和電磁波都是橫波。

④實驗驗證：赫茲在實驗中產生了電磁波，并且證明了電磁波也跟光波一樣具有反射、折射、干涉、衍射等性質。他還通過干涉實驗測出了一定頻率的電磁波的波長，算出了電磁波的波速，結果跟麥克斯韋關于電磁波的波速等于光速的預言符合得相當好。這就證明了麥克斯韋的光的電磁理論是正確的。至此，光的波動理論上升為一個嶄新的階段——光的電磁波動理論階段。

4．光子說：愛因斯坦——在空間傳播的光是不連續的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量跟它的頻率成正比。

光子能量E=hv，其中h為普朗克恒量，h=6.63×10-34J·s。

(1)實驗基礎：光電效應。光的波動理論在光電效應面前遇到了無法逾越的障礙。愛因斯坦針對光電效應現象在普朗克量子假設的基礎上提出了光量子假設：電磁輻射不僅在發射和吸收時是以能量為hv形式出現，而且還以微粒的形式在空間以光速傳播。即電磁場實際上以量子形態存在，它不僅在吸收和發射時能量是分立的，就是在傳播中也具有同樣性質；電磁場由光量子組成，每一份光量子的能量為hv，這里，他肯定光具有粒子性，但并不否定光的波動性。牛頓的微粒說是愛因斯坦光量子思想的起源。他用動量和能量來描述光的粒子性，用波長和頻率來描述光的波動性。愛因斯坦光量子理論的重要意義，不僅在于對光電效應作出了正確的解釋，更重要的是將光視為是波動論和微粒論的一種融合體——光的波粒二象性，使人們對光的本性的認識更前進了一大步。

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