學(xué)好《光的本性》必須弄清知識(shí)原由

呂孟良

高中物理教材中,《光的本性》一章,涉及光的現(xiàn)象較多,概念規(guī)律等知識(shí)點(diǎn)比較繁雜難記。正因?yàn)槿绱?大多數(shù)高中生對(duì)于這一章的學(xué)習(xí)感到比較困難。因此,對(duì)于高中物理教師來(lái)說(shuō),在《光的本性》這一章的教學(xué)中,對(duì)于一些易混淆的問(wèn)題必須向?qū)W生講解清楚,以便幫助他們深刻認(rèn)識(shí)和理解光的本性。

一、關(guān)于光的本性的幾種學(xué)說(shuō)

在研究光的本性的歷史上,具有代表性的學(xué)說(shuō)有四種。即微粒說(shuō)、波動(dòng)說(shuō)、電磁說(shuō)、光子說(shuō)。

1.微粒說(shuō):這個(gè)學(xué)說(shuō)是17世紀(jì)末提出的,代表人物是英國(guó)物理學(xué)家牛頓。牛頓根據(jù)光的直線傳播、光的反射和折射、光具有能量等特點(diǎn),提出光是由一種具有完全彈性的球形微粒大量聚集而成的,這些微粒在均勻介質(zhì)中以極高的速度做直線運(yùn)動(dòng)。這就是典型的牛頓的光學(xué)微粒說(shuō)。光的微粒說(shuō)能較好地簡(jiǎn)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(xiàn)象。但是,微粒說(shuō)卻不能很好地解釋光的折射現(xiàn)象和光的衍射現(xiàn)象以及光的獨(dú)立傳播定律。

2.波動(dòng)說(shuō):這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是與牛頓同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家惠更斯?；莞垢鶕?jù)光與機(jī)械波有一定的類似特征,提出了光是以光源為振源的某種振動(dòng),光是在一種特殊的彈性物質(zhì)“以太”中傳播的彈性機(jī)械波。但經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,這種“以太”物質(zhì)是不存在的。波動(dòng)說(shuō)能夠較好的解釋光的反射和光的折射定律,光的獨(dú)立傳播定律,以及光的干涉和衍射現(xiàn)象,但不能很好地解釋光的直線傳播現(xiàn)象。牛頓的“微粒說(shuō)”與惠更斯的“波動(dòng)說(shuō)”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本理論。

3.電磁說(shuō):這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是麥克斯韋。19世紀(jì)后期,麥克斯韋根據(jù)光和電磁波一樣都具有波的性質(zhì),都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射現(xiàn)象,根據(jù)理論上得到的電磁波的速度與實(shí)際測(cè)得的光速相同、電磁波和光都可以在真空中傳播而不需要介質(zhì)等,預(yù)言光是一種電磁波。后經(jīng)赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波確實(shí)存在,這樣光的電磁說(shuō)就誕生了。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們一系列的努力,測(cè)出了光波的波長(zhǎng),并同各種電磁波一起組成了排列有序的電磁波譜,光作為一種電磁波在電磁波譜中占據(jù)了它應(yīng)有的位置。

4.光子說(shuō):這個(gè)學(xué)說(shuō)的代表人物是愛(ài)因斯坦。光子說(shuō)的要點(diǎn)是:光由光子組成。愛(ài)因斯坦光量子理論的重要意義,不僅在于對(duì)光電效應(yīng)做出了正確的解釋,更重要的是將光視為是波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)的一種融合體——光的波粒二象性,使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)更前進(jìn)了一大步。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為光具有波粒二象性。個(gè)別光子的行為顯示出波動(dòng)性;頻率越高的光子,能量越大,粒子性越明顯,但這種粒子又不同于宏觀現(xiàn)象中的質(zhì)點(diǎn);大量光子的作用顯示出波動(dòng)性,頻率越低,波動(dòng)性越明顯,但它又不同于機(jī)械波,亦不同于電磁振蕩產(chǎn)生的電磁波。對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí),歷史上曾發(fā)生過(guò)兩次否定。第一次是波動(dòng)說(shuō)取代微粒說(shuō),但是第二次當(dāng)光電效應(yīng)等現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后,并沒(méi)有取消波動(dòng)說(shuō),而是提出波粒二象性,這是不是搞折衷主義呢?不是,因?yàn)檫@兩次否定的性質(zhì)是不同的。第一次,波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)兩種學(xué)說(shuō)本身是不相容的,光的干涉、衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及光速測(cè)定,證明微粒說(shuō)是錯(cuò)誤的。波動(dòng)說(shuō)能解釋包括微粒說(shuō)可以解釋的一切光現(xiàn)象,使微粒說(shuō)沒(méi)有再存在的理由。這次否定是徹底的否定。第二次的情況不同,光子說(shuō)與電磁說(shuō)均可以解釋某些實(shí)驗(yàn),但又都不能被完全取代,所以都有存在的理由,而且光子說(shuō)作為電磁說(shuō)的對(duì)立面理論提出來(lái)是相容的。光子能量E=hν中的頻率ν正是波的特性的描述,更重要的是,實(shí)驗(yàn)也證明了個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性,大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性。由此可見(jiàn),光的波粒二象性不是互相對(duì)立的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的折衷,也不是理論上的權(quán)宜之計(jì),而是對(duì)光的本性的科學(xué)概括。值得說(shuō)明的是,光的波動(dòng)性(電磁說(shuō))和粒子性(光子說(shuō))不同于宏觀機(jī)械波(波動(dòng)說(shuō))、宏觀質(zhì)點(diǎn)(微粒說(shuō))。

二、光的干涉和衍射的區(qū)別與聯(lián)系

光的干涉與衍射都可以得到明暗相間的色紋,都有力地證明了光的波動(dòng)性。但是,產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象的條件是不同的。光的干涉現(xiàn)象需要相干光,即兩列振動(dòng)情況總是相同的光源,在同一介質(zhì)中相遇。例如從楔形肥皂膜上觀察到的鈉黃光的明暗相間條紋,或從水面油膜上觀察到的彩色條紋,就屬這類情況,從薄膜的前后表面反射出來(lái)的光就是相干光。而光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是障礙物或孔的線度與光波波長(zhǎng)可以比擬的情況。例如從小孔觀察點(diǎn)光源或從狹縫觀察線光源就屬于這種情況。光經(jīng)過(guò)小孔或狹縫產(chǎn)生非直線傳播的現(xiàn)象,此時(shí)便可在光屏上形成明暗相間的條紋。其次,干涉條紋與衍射條紋也是有區(qū)別的,以狹縫為例,干涉條紋是相互平行、等距(寬度相同)的;而衍射條紋是平行而不等距的,中間最寬,兩邊條紋寬度逐漸變窄。

干涉條紋在屏上的分布,超出了直線傳播的范圍,由此說(shuō)明,在光的干涉中也存在衍射現(xiàn)象。在光的衍射現(xiàn)象中,光不僅傳到了直線傳播區(qū)域之外,同時(shí)由于光的加強(qiáng)和減弱,出現(xiàn)了明暗條紋,由此說(shuō)明,在光的衍射中也存在著干涉現(xiàn)象。因此,光的干涉和衍射現(xiàn)象并非對(duì)立的,而常常是相互依存的。

三、電磁波譜的相關(guān)知識(shí)

有關(guān)電磁波譜的知識(shí),關(guān)鍵是要求學(xué)生能夠弄清電磁波譜產(chǎn)生的機(jī)理,并且能夠找出一些規(guī)律性的東西,并熟練記住有關(guān)的一些規(guī)律。比如:

記憶方法:以光譜為基礎(chǔ),按照頻率由小到大的順序依次為:紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。(相反,按照這個(gè)順序波長(zhǎng)則是由大到小)。往左為紅外線、無(wú)線電波,往右為紫外線、X射線和γ射線。

產(chǎn)生機(jī)理和波長(zhǎng)關(guān)系:從無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光(紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫)、X射線一直到γ射線,隨著頻率增大,波長(zhǎng)不斷減小,與之相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)構(gòu)依次為:振蕩電路、外層電子、內(nèi)層電子和原子核。即產(chǎn)生機(jī)構(gòu)大的,其產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)也大。

頻率重疊的原因:在電磁波譜中,命名的依據(jù)是產(chǎn)生機(jī)理,而不是頻率,而不同的產(chǎn)生機(jī)理所產(chǎn)生的電磁波的波長(zhǎng)并非截然分開(kāi),有所重疊,所以不同名稱的電磁波可能具有相同的頻率。

綜上所述,要想讓學(xué)生更好地理解和掌握光的本性的內(nèi)容,必須讓學(xué)生理解和掌握有關(guān)光的本性的相關(guān)概念和規(guī)律,并使學(xué)生弄清這些知識(shí)的來(lái)龍去脈,只有這樣才能做到事半功倍,提高學(xué)習(xí)效率,收到更好的學(xué)習(xí)效果。

作者單位:河北省撫寧縣教師進(jìn)修學(xué)校