学好《光的本性》必须弄清知识原由

吕孟良

高中物理教材中,《光的本性》一章,涉及光的现象较多,概念规律等知识点比较繁杂难记。正因为如此,大多数高中生对于这一章的学习感到比较困难。因此,对于高中物理教师来说,在《光的本性》这一章的教学中,对于一些易混淆的问题必须向学生讲解清楚,以便帮助他们深刻认识和理解光的本性。

一、关于光的本性的几种学说

在研究光的本性的历史上,具有代表性的学说有四种。即微粒说、波动说、电磁说、光子说。

1.微粒说:这个学说是17世纪末提出的,代表人物是英国物理学家牛顿。牛顿根据光的直线传播、光的反射和折射、光具有能量等特点,提出光是由一种具有完全弹性的球形微粒大量聚集而成的,这些微粒在均匀介质中以极高的速度做直线运动。这就是典型的牛顿的光学微粒说。光的微粒说能较好地简明直观地解释光的直线传播和光的反射定律以及影的形成和光的色散现象。但是,微粒说却不能很好地解释光的折射现象和光的衍射现象以及光的独立传播定律。

2.波动说:这个学说的代表人物是与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯。惠更斯根据光与机械波有一定的类似特征,提出了光是以光源为振源的某种振动,光是在一种特殊的弹性物质“以太”中传播的弹性机械波。但经实验证明,这种“以太”物质是不存在的。波动说能够较好的解释光的反射和光的折射定律,光的独立传播定律,以及光的干涉和衍射现象,但不能很好地解释光的直线传播现象。牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。

3.电磁说:这个学说的代表人物是麦克斯韦。19世纪后期,麦克斯韦根据光和电磁波一样都具有波的性质,都能产生反射、折射、干涉、衍射现象,根据理论上得到的电磁波的速度与实际测得的光速相同、电磁波和光都可以在真空中传播而不需要介质等,预言光是一种电磁波。后经赫兹实验证实电磁波确实存在,这样光的电磁说就诞生了。经过科学家们一系列的努力,测出了光波的波长,并同各种电磁波一起组成了排列有序的电磁波谱,光作为一种电磁波在电磁波谱中占据了它应有的位置。

4.光子说:这个学说的代表人物是爱因斯坦。光子说的要点是:光由光子组成。爱因斯坦光量子理论的重要意义,不仅在于对光电效应做出了正确的解释,更重要的是将光视为是波动说和微粒说的一种融合体——光的波粒二象性,使人们对光的本性的认识更前进了一大步。

爱因斯坦认为光具有波粒二象性。个别光子的行为显示出波动性;频率越高的光子,能量越大,粒子性越明显,但这种粒子又不同于宏观现象中的质点;大量光子的作用显示出波动性,频率越低,波动性越明显,但它又不同于机械波,亦不同于电磁振荡产生的电磁波。对光的本性的认识,历史上曾发生过两次否定。第一次是波动说取代微粒说,但是第二次当光电效应等现象发现之后,并没有取消波动说,而是提出波粒二象性,这是不是搞折衷主义呢?不是,因为这两次否定的性质是不同的。第一次,波动说与微粒说两种学说本身是不相容的,光的干涉、衍射现象的发现及光速测定,证明微粒说是错误的。波动说能解释包括微粒说可以解释的一切光现象,使微粒说没有再存在的理由。这次否定是彻底的否定。第二次的情况不同,光子说与电磁说均可以解释某些实验,但又都不能被完全取代,所以都有存在的理由,而且光子说作为电磁说的对立面理论提出来是相容的。光子能量E=hν中的频率ν正是波的特性的描述,更重要的是,实验也证明了个别光子表现出粒子性,大量光子表现出波动性。由此可见,光的波粒二象性不是互相对立的实验现象的折衷,也不是理论上的权宜之计,而是对光的本性的科学概括。值得说明的是,光的波动性(电磁说)和粒子性(光子说)不同于宏观机械波(波动说)、宏观质点(微粒说)。

二、光的干涉和衍射的区别与联系

光的干涉与衍射都可以得到明暗相间的色纹,都有力地证明了光的波动性。但是,产生这两种现象的条件是不同的。光的干涉现象需要相干光,即两列振动情况总是相同的光源,在同一介质中相遇。例如从楔形肥皂膜上观察到的钠黄光的明暗相间条纹,或从水面油膜上观察到的彩色条纹,就属这类情况,从薄膜的前后表面反射出来的光就是相干光。而光的衍射现象产生的条件是障碍物或孔的线度与光波波长可以比拟的情况。例如从小孔观察点光源或从狭缝观察线光源就属于这种情况。光经过小孔或狭缝产生非直线传播的现象,此时便可在光屏上形成明暗相间的条纹。其次,干涉条纹与衍射条纹也是有区别的,以狭缝为例,干涉条纹是相互平行、等距(宽度相同)的;而衍射条纹是平行而不等距的,中间最宽,两边条纹宽度逐渐变窄。

干涉条纹在屏上的分布,超出了直线传播的范围,由此说明,在光的干涉中也存在衍射现象。在光的衍射现象中,光不仅传到了直线传播区域之外,同时由于光的加强和减弱,出现了明暗条纹,由此说明,在光的衍射中也存在着干涉现象。因此,光的干涉和衍射现象并非对立的,而常常是相互依存的。

三、电磁波谱的相关知识

有关电磁波谱的知识,关键是要求学生能够弄清电磁波谱产生的机理,并且能够找出一些规律性的东西,并熟练记住有关的一些规律。比如:

记忆方法:以光谱为基础,按照频率由小到大的顺序依次为:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。(相反,按照这个顺序波长则是由大到小)。往左为红外线、无线电波,往右为紫外线、X射线和γ射线。

产生机理和波长关系:从无线电波、红外线、可见光(红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫)、X射线一直到γ射线,随着频率增大,波长不断减小,与之相对应的产生机构依次为:振荡电路、外层电子、内层电子和原子核。即产生机构大的,其产生的电磁波波长也大。

频率重叠的原因:在电磁波谱中,命名的依据是产生机理,而不是频率,而不同的产生机理所产生的电磁波的波长并非截然分开,有所重叠,所以不同名称的电磁波可能具有相同的频率。

综上所述,要想让学生更好地理解和掌握光的本性的内容,必须让学生理解和掌握有关光的本性的相关概念和规律,并使学生弄清这些知识的来龙去脉,只有这样才能做到事半功倍,提高学习效率,收到更好的学习效果。

作者单位:河北省抚宁县教师进修学校