學好《光的本性》必須弄清知識原由

呂孟良

高中物理教材中,《光的本性》一章,涉及光的現象較多,概念規律等知識點比較繁雜難記。正因為如此,大多數高中生對于這一章的學習感到比較困難。因此,對于高中物理教師來說,在《光的本性》這一章的教學中,對于一些易混淆的問題必須向學生講解清楚,以便幫助他們深刻認識和理解光的本性。

一、關于光的本性的幾種學說

在研究光的本性的歷史上,具有代表性的學說有四種。即微粒說、波動說、電磁說、光子說。

1.微粒說:這個學說是17世紀末提出的,代表人物是英國物理學家牛頓。牛頓根據光的直線傳播、光的反射和折射、光具有能量等特點,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中以極高的速度做直線運動。這就是典型的牛頓的光學微粒說。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。但是,微粒說卻不能很好地解釋光的折射現象和光的衍射現象以及光的獨立傳播定律。

2.波動說:這個學說的代表人物是與牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯。惠更斯根據光與機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,光是在一種特殊的彈性物質“以太”中傳播的彈性機械波。但經實驗證明,這種“以太”物質是不存在的。波動說能夠較好的解釋光的反射和光的折射定律,光的獨立傳播定律,以及光的干涉和衍射現象,但不能很好地解釋光的直線傳播現象。牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構成了關于光的兩大基本理論。

3.電磁說:這個學說的代表人物是麥克斯韋。19世紀后期,麥克斯韋根據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,根據理論上得到的電磁波的速度與實際測得的光速相同、電磁波和光都可以在真空中傳播而不需要介質等,預言光是一種電磁波。后經赫茲實驗證實電磁波確實存在,這樣光的電磁說就誕生了。經過科學家們一系列的努力,測出了光波的波長,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了它應有的位置。

4.光子說:這個學說的代表人物是愛因斯坦。光子說的要點是:光由光子組成。愛因斯坦光量子理論的重要意義,不僅在于對光電效應做出了正確的解釋,更重要的是將光視為是波動說和微粒說的一種融合體——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。

愛因斯坦認為光具有波粒二象性。個別光子的行為顯示出波動性;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象中的質點;大量光子的作用顯示出波動性,頻率越低,波動性越明顯,但它又不同于機械波,亦不同于電磁振蕩產生的電磁波。對光的本性的認識,歷史上曾發生過兩次否定。第一次是波動說取代微粒說,但是第二次當光電效應等現象發現之后,并沒有取消波動說,而是提出波粒二象性,這是不是搞折衷主義呢?不是,因為這兩次否定的性質是不同的。第一次,波動說與微粒說兩種學說本身是不相容的,光的干涉、衍射現象的發現及光速測定,證明微粒說是錯誤的。波動說能解釋包括微粒說可以解釋的一切光現象,使微粒說沒有再存在的理由。這次否定是徹底的否定。第二次的情況不同,光子說與電磁說均可以解釋某些實驗,但又都不能被完全取代,所以都有存在的理由,而且光子說作為電磁說的對立面理論提出來是相容的。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,實驗也證明了個別光子表現出粒子性,大量光子表現出波動性。由此可見,光的波粒二象性不是互相對立的實驗現象的折衷,也不是理論上的權宜之計,而是對光的本性的科學概括。值得說明的是,光的波動性(電磁說)和粒子性(光子說)不同于宏觀機械波(波動說)、宏觀質點(微粒說)。

二、光的干涉和衍射的區別與聯系

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性。但是,產生這兩種現象的條件是不同的。光的干涉現象需要相干光,即兩列振動情況總是相同的光源,在同一介質中相遇。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的光就是相干光。而光的衍射現象產生的條件是障礙物或孔的線度與光波波長可以比擬的情況。例如從小孔觀察點光源或從狹縫觀察線光源就屬于這種情況。光經過小孔或狹縫產生非直線傳播的現象,此時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,由此說明,在光的干涉中也存在衍射現象。在光的衍射現象中,光不僅傳到了直線傳播區域之外,同時由于光的加強和減弱,出現了明暗條紋,由此說明,在光的衍射中也存在著干涉現象。因此,光的干涉和衍射現象并非對立的,而常常是相互依存的。

三、電磁波譜的相關知識

有關電磁波譜的知識,關鍵是要求學生能夠弄清電磁波譜產生的機理,并且能夠找出一些規律性的東西,并熟練記住有關的一些規律。比如:

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

產生機理和波長關系:從無線電波、紅外線、可見光(紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫)、X射線一直到γ射線,隨著頻率增大,波長不斷減小,與之相對應的產生機構依次為:振蕩電路、外層電子、內層電子和原子核。即產生機構大的,其產生的電磁波波長也大。

頻率重疊的原因:在電磁波譜中,命名的依據是產生機理,而不是頻率,而不同的產生機理所產生的電磁波的波長并非截然分開,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,要想讓學生更好地理解和掌握光的本性的內容,必須讓學生理解和掌握有關光的本性的相關概念和規律,并使學生弄清這些知識的來龍去脈,只有這樣才能做到事半功倍,提高學習效率,收到更好的學習效果。

作者單位:河北省撫寧縣教師進修學校