《光的波粒二象性教案》

1、本作品版權(quán)由馮廣雁版權(quán)所有，盜用必究！光的波粒二象性 教案一、教學(xué)目標(biāo) (1)了解微粒說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題(2)了解波動(dòng)說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題二、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)  這一章的內(nèi)容，貫穿一條主線人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程結(jié)合各節(jié)內(nèi)容，適當(dāng)穿插物理學(xué)史材料是必要的這種做法不但可使課堂教學(xué)主動(dòng)活潑，內(nèi)容豐富，還可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行唯物辯證思想教育本節(jié)就課本內(nèi)容，十分簡(jiǎn)單，學(xué)生學(xué)起來(lái)十分枯燥課本所提到的內(nèi)容，都是結(jié)論性的，加入一些史料不僅可能而且必要  三、教學(xué)過(guò)程  光學(xué)現(xiàn)象是與人類的生產(chǎn)和日常生活密切相關(guān)的人類在對(duì)光學(xué)現(xiàn)象、規(guī)

2、律的研究的同時(shí)，也開(kāi)始了對(duì)光本性的探究到了17世紀(jì)，人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)逐漸形成了兩種學(xué)說(shuō)1、光的微粒說(shuō)牛頓于1675年曾提出：“光是一群難以想象的細(xì)微而迅速運(yùn)動(dòng)的大小不同的粒子”，這些粒子被發(fā)光體“一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射出來(lái)”用這樣的觀點(diǎn)，解釋光的直進(jìn)性、影的形成等現(xiàn)象是十分方便的在解釋光的反射和折射現(xiàn)象時(shí)，同樣十分簡(jiǎn)便當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，要發(fā)生反射和折射在解釋反射現(xiàn)象時(shí)，只要假設(shè)光的微粒在與介質(zhì)作用時(shí)，其相互作用，使微粒的速度的豎直分量方向變化，但大小不變；水平分量的大小和方向均不發(fā)生變化(因?yàn)樵谶@一方向上沒(méi)有相互作用)，就可以準(zhǔn)確地得出光在反射時(shí)，反射角等于入射角這一與實(shí)驗(yàn)事實(shí)吻合的結(jié)論

3、說(shuō)到折射，笛卡兒曾用類似的假設(shè)，成功地得出了入射角正弦與折射角正弦之比為一常數(shù)的結(jié)論但當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，發(fā)生的是近法線折射，即入射角大，折射角小這時(shí)，必須假設(shè)光在光密介質(zhì)的傳播速度較光在光疏介質(zhì)中的傳播速度大才行一束光入射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，既有反射，又有折射何種情況發(fā)生反射，何種情況下又發(fā)生折射呢？微粒說(shuō)在解釋這一點(diǎn)時(shí)遇到了很大的困難為此，牛頓提出了著名的“猝發(fā)理論”他提出：“每一條光線在通過(guò)任何折射面時(shí)，便處于某種為時(shí)短暫的過(guò)渡性結(jié)構(gòu)和狀態(tài)之中在光線的前進(jìn)過(guò)程中，這種狀態(tài)每隔相等的間隔(等時(shí)或等距)內(nèi)就復(fù)發(fā)一次，并使光線在它每一次復(fù)發(fā)時(shí)，容易透過(guò)下一個(gè)折射面，而在它(相繼)兩次復(fù)

4、發(fā)之間容易被這個(gè)面所反射”，“我將把任何一條光線返回到傾向于反射(的狀態(tài))稱它為容易反射的猝發(fā)，而把它返回到傾向于透射(的狀態(tài))稱它為容易透射的猝發(fā)，并且把每一次返回和下一次返回之間所經(jīng)過(guò)的距離稱它為猝發(fā)的間隔”如果說(shuō)“猝發(fā)理論”還能解釋反射和折射的話，那么，以微粒說(shuō)解釋兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見(jiàn)的現(xiàn)象，微粒說(shuō)則完全無(wú)能為力了2、光的波動(dòng)說(shuō)關(guān)于光的本性，當(dāng)時(shí)還存在另一種觀點(diǎn)，即光的波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為光是某種振動(dòng)，以波的形式向四周?chē)鷤鞑テ浯砣宋锸呛商m物理學(xué)家惠更斯他認(rèn)為，光是由發(fā)光體的微小粒子的振動(dòng)在彌漫于一切地方的“以太”介質(zhì)中傳播過(guò)程，而不是像微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈和箭那樣的運(yùn)動(dòng)他指

5、出：“假如注意到光線向各個(gè)方向以極高的速度傳播，以及光線從不同的地點(diǎn)甚至是完全相反的地方發(fā)出時(shí)，光射線在傳播中一條光線穿過(guò)另一條光線而相互毫不影響，就能完全明白這一點(diǎn)：當(dāng)我們看到發(fā)光的物體時(shí)，決不可能是由于從它所發(fā)生的物質(zhì)，像穿過(guò)空氣的子彈和箭一樣，通過(guò)物質(zhì)遷移所引起的”他把光比作在水面上投入石塊時(shí)產(chǎn)生的同心圓狀波紋發(fā)光體中的每一個(gè)微粒把振動(dòng)，通過(guò)“以太”這種介質(zhì)向周?chē)鷤鞑?，發(fā)出一組組同心的球面波波面上的每一點(diǎn)，又可以此點(diǎn)為中心，再向外傳播子波當(dāng)然，這樣的觀點(diǎn)解釋同時(shí)發(fā)生反射和折射，比微粒說(shuō)的“猝發(fā)理論”方便得多，以水波為例，水波在傳播時(shí)，反射與折射可以同時(shí)發(fā)生一列水波在與另一列水波相遇時(shí)，可

6、以毫無(wú)影響的相互通過(guò)惠更斯用波動(dòng)說(shuō)還解釋了光的反射和折射但他在解釋光自光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)的近法線折射時(shí)，需假設(shè)光在光密介質(zhì)中的傳播速度較小現(xiàn)代光速的測(cè)定表明，波動(dòng)說(shuō)在解釋折射時(shí)依據(jù)的假設(shè)是正確的：光在光密介質(zhì)中傳播時(shí)光速較小但在17世紀(jì)時(shí)，光速的測(cè)量尚在起步階段，誰(shuí)是誰(shuí)非，沒(méi)有定論當(dāng)然，光的波動(dòng)說(shuō)在解釋光的直進(jìn)性和何以能在傳播時(shí)，會(huì)在不透明物體后留下清晰的影子等問(wèn)題也遇到困難可見(jiàn)，光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)在解釋光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，都各有成功的一面，但都不能完滿地解釋當(dāng)時(shí)所了解的各種光學(xué)現(xiàn)象在其后的100多年中，主要由于牛頓的崇高地位及聲望，因而微粒說(shuō)一直占主導(dǎo)地位，波動(dòng)說(shuō)發(fā)展很緩慢人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，還期

7、待新的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)直到19世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，進(jìn)一步研究了光的衍射現(xiàn)象干涉和衍射是波動(dòng)的重要特征，從而光的波動(dòng)說(shuō)得到迅速發(fā)展人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)達(dá)到一個(gè)新的階段3、牛頓理論中的波動(dòng)性思想作為一代物理學(xué)大師的牛頓，是提倡了微粒說(shuō)，但他卻并不排斥波動(dòng)說(shuō)他根據(jù)他所做過(guò)的大量實(shí)驗(yàn)和縝密的思考，提出了不少卓越的、富有啟發(fā)性的思想在關(guān)于顏色的見(jiàn)解上，他提出“不同種類的光線，是否引起不同大小的振動(dòng)，并按其大小而激起不同的顏色感覺(jué)，正像空氣的振動(dòng)按其大小而激起不同的聲音感覺(jué)一樣？而且是否特別是那些最易折射的光線激起最短的振動(dòng)以造成深紫色的感覺(jué)，最不易折射的光線激起最長(zhǎng)的振動(dòng)，以造成深紅色的感覺(jué)，而介

8、于兩者之間的各種光線激起各種中間大小的振動(dòng)而造成中間顏色的感覺(jué)？”他同時(shí)還提出：“扔一塊石頭到平靜的水面中，由此激起的水波將在石頭落水的地方持續(xù)一段時(shí)間，并從這里以同心圓的形式在水面上向遠(yuǎn)處傳播空氣用力撞擊所激起的振動(dòng)和顫動(dòng)也將持續(xù)少許時(shí)間，并從撞擊處以同心球的形式傳播到遠(yuǎn)方，與此相似，當(dāng)光線射到任何透明體的表面并在那里折射或反射時(shí)，是不是因此就要在反射或折射介質(zhì)中入射點(diǎn)的地方，激起振動(dòng)和顫動(dòng)的波，而且這種振動(dòng)總能在那里發(fā)生并從那里傳播出去”在解釋光現(xiàn)象中，牛頓還多次提出了周期性的概念而具有周期性，也是波動(dòng)的一個(gè)重要特征提出波動(dòng)說(shuō)的惠更斯卻否認(rèn)振動(dòng)或波動(dòng)的周期性因此，對(duì)牛頓來(lái)說(shuō)，在他的微粒說(shuō)理

9、論中包含有波動(dòng)說(shuō)的合理因素究竟誰(shuí)是誰(shuí)非，牛頓認(rèn)為“我只是對(duì)尚待發(fā)現(xiàn)的光和它對(duì)自然結(jié)構(gòu)的那些效果開(kāi)始作了一些分析，對(duì)它作了幾點(diǎn)提示，而把這些提示留待那些好奇的人們進(jìn)一步去用實(shí)驗(yàn)和觀察來(lái)加以證明和改進(jìn)”牛頓的嚴(yán)謹(jǐn)，兼收并蓄的科學(xué)態(tài)度是值得我們學(xué)習(xí)的，恐怕這也是他成為物理學(xué)大師的原因之一四、實(shí)際應(yīng)用例1、線光源a發(fā)出的光波長(zhǎng)為480nm，線光源b發(fā)出的光波長(zhǎng)為672nm，則 A用a做雙縫實(shí)驗(yàn)，屏上與雙縫路程差為1=1.68m的P處將出現(xiàn)暗紋B用b做雙縫實(shí)驗(yàn)，P處將出現(xiàn)亮紋C用a做雙縫實(shí)驗(yàn)，屏上與雙縫路程差為2=1.44m的Q處將出現(xiàn)亮紋D做單縫衍射實(shí)驗(yàn)，用a照射時(shí)比用b照射時(shí)的中央亮條更寬分析 雙縫

10、干涉實(shí)驗(yàn)中，屏上到雙縫的路程之差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍（或半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍）的地方，兩束光同相到達(dá)，振動(dòng)加強(qiáng)，出現(xiàn)亮紋；屏上到雙縫的路程之差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的地方，兩束光反相到達(dá)，振動(dòng)減弱，出現(xiàn)暗紋題中兩光源發(fā)出的光的半波長(zhǎng)分別為因?yàn)镻、Q兩處到雙縫的路程差可表示為可見(jiàn)，用a、b兩光源做雙縫實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏上P處到雙縫的路程差都等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，兩束光相位相反，均為暗紋，判斷A正確，B錯(cuò)；用a做雙縫實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏上Q處到雙縫的路程差恰等于半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，Q處應(yīng)為亮紋，C正確發(fā)生單縫衍射時(shí)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯，中央亮條也越寬所以用b照射時(shí)，中央亮條紋寬，D不正確答 A、C例2、用功率P0=1W的光源，照

11、射離光源r=3m處的某塊金屬的薄片已知光源發(fā)出的是波長(zhǎng)=589nm的單色光，試計(jì)算(1)1s內(nèi)打到金屬板1m2面積上的光子數(shù)；(2)若取該金屬原子半徑r1=0.5×10-10m，則金屬表面上每個(gè)原子平均需隔多少時(shí)間才能接收到一個(gè)光子？分析 發(fā)光機(jī)理的實(shí)質(zhì)是能的轉(zhuǎn)換，即把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成光子的能量根據(jù)光源的功率算出1s內(nèi)輻射的總能量，由每個(gè)光子能量E=hv，即可算出總光子數(shù)因?yàn)?s內(nèi)輻射的這些光子，都可以看成是均勻分布在以光源為中心的球面上，于是由面積之比就可算出1s內(nèi)單位面積上的光子數(shù)解 (1)離光源3m處的金屬板每1s內(nèi)單位面積上接受的光能為因?yàn)槊總€(gè)光子的能量為所以單位時(shí)間內(nèi)打到金屬板上單位面積的光子數(shù)為這是一個(gè)十分龐大的數(shù)字，可見(jiàn)，即使在光強(qiáng)相當(dāng)弱的情況下，輻射到板面上的光子數(shù)仍然極多，因此，輻射的粒子性在通常情況下不能明顯地表現(xiàn)出來(lái)(2)每個(gè)原子的截面積為S1=r12=×(0.5×10-10)2m2=7.85×10-21m2把金屬板看成由原子密集排列組成的，則每個(gè)原子截面積上每秒內(nèi)接收到的光子數(shù)為n1=nS1=2.64×1016×7.85×10-21s-1=2.07×10-4s-1每?jī)蓚€(gè)光子落在原子上的時(shí)間間