第六講認(rèn)識光和電演示文稿

第六講認(rèn)識光和電演示文稿目前一頁\總數(shù)五十五頁\編于九點優(yōu)選第六講認(rèn)識光和電目前二頁\總數(shù)五十五頁\編于九點主要內(nèi)容介紹光的微粒說與波動說的建立與斗爭介紹光速的測量與“約定論”

簡介電磁學(xué)實驗規(guī)律與理論的建立簡介波粒二象性簡介激光目前三頁\總數(shù)五十五頁\編于九點牛頓對光的顏色理論有什么貢獻(xiàn)？雙縫干涉實驗的光為什么必須來自同一光源？如何理解真空中的光速值是一個“約定”？從法拉第與麥克斯韋的成功，你悟出了什么道理？最基本的電磁規(guī)律有哪些？什么實驗啟發(fā)麥克斯韋推測光波就是電磁波?

思考題目前四頁\總數(shù)五十五頁\編于九點生活在1600年前后的英國哲學(xué)家培根有一句名言：“知識就是力量”。他在“新大西島”一書中，假想了一個科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的理想王國，該王國由居住在“所羅門宮”的一批科學(xué)家管理。

1光的微粒說壓倒波動說培根目前五頁\總數(shù)五十五頁\編于九點幾十年后，英國學(xué)者們就模仿“所羅門宮”自發(fā)成立了一個“無形學(xué)院”，它完全是一個民間組織，學(xué)者們定期舉行聚會，進(jìn)行科學(xué)交流和探討。1663年，“無形學(xué)院”被英王查理二世正式承認(rèn)，成為英國“皇家學(xué)會”。皇家學(xué)會目前六頁\總數(shù)五十五頁\編于九點胡克以發(fā)現(xiàn)彈性定律而著稱于世。他同時也是光的波動說的最早倡議人之一。在胡克之前，笛卡兒就主張光的波動說，他認(rèn)為光是一種“壓力”，在完全彈性的“以太”中傳播，傳播速度為無窮大。胡克則明確提出光是一種在媒質(zhì)中傳播的“振動”，類似于水波。光類似水波目前七頁\總數(shù)五十五頁\編于九點

牛頓不同意胡克和惠更斯的波動說，他認(rèn)為光不是波動，而是微粒（光子）。光子從光源射出，進(jìn)入觀測者眼睛，傳遞過來的是實實在在的微粒流，光傳遞是真實的物質(zhì)傳遞。

微粒說目前八頁\總數(shù)五十五頁\編于九點牛頓的微粒說能夠解釋光的直線傳播、反射、折射等現(xiàn)象。而且不存在上述波動說的某些“困難”。牛頓繼承了笛卡爾、胡克與巴羅等人對彩虹、棱鏡和光學(xué)儀器的研究，探討了光的色散現(xiàn)象。光的色散目前九頁\總數(shù)五十五頁\編于九點重大的轉(zhuǎn)折發(fā)生在1801年，那一年托馬斯?楊完成了光的雙縫干涉實驗，干涉現(xiàn)象是微粒說無論如何無法解釋的，波動說終于戰(zhàn)勝了微粒說。

2光的波動說戰(zhàn)勝微粒說托馬斯楊目前十頁\總數(shù)五十五頁\編于九點

托馬斯·楊先當(dāng)醫(yī)生，研究視覺，發(fā)現(xiàn)了眼睛散光的原因，轉(zhuǎn)而研究光學(xué)，完成了光的雙縫干涉實驗。他認(rèn)識到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。楊氏雙縫實驗?zāi)壳笆豁揬總數(shù)五十五頁\編于九點由于牛頓在學(xué)術(shù)界的崇高威望，神童托馬斯?楊振興波動說的努力并非一帆風(fēng)順。托馬斯?楊在1801年的論文中指出了做成雙縫干涉實驗的一個關(guān)鍵：相互干涉的兩束光雖然來自S1、S2兩個不同的縫，但它們必須產(chǎn)生自同一個光源。

楊氏雙縫實驗?zāi)壳笆揬總數(shù)五十五頁\編于九點后來的研究表明，相互干涉的光必須有相同的頻率、相同的偏振和相對穩(wěn)定的位相差，來自不同光源的光往往做不到這點，因此必須用同一光源的光。近代的研究指出了更為深刻的原因：干涉是一個光子自身與自身相干。同一個光子不可能來自不同的光源，所以干涉實驗中采用來自同一光源的光是一個必要條件。楊氏雙縫實驗?zāi)壳笆揬總數(shù)五十五頁\編于九點與此同時，法國物理學(xué)家菲涅爾也獨立地對光的波動說做出了貢獻(xiàn)。菲涅爾可不是神童，相反他是一個顯得遲鈍的孩子，身體也不好，還曾因反對拿破侖蹲過一段時間監(jiān)獄。他靠著自己的刻苦努力走進(jìn)了科學(xué)的殿堂。波粒二相性目前十四頁\總數(shù)五十五頁\編于九點泊松用菲涅爾理論計算了當(dāng)一個小圓盤阻擋在光路上的時候的衍射圖像，他得到一個驚人的結(jié)果：當(dāng)小盤與屏幕的間距為某一值時，小盤在屏幕上的暗影的中心會出現(xiàn)一個明顯的亮點。這怎么可能呢？泊松武斷地認(rèn)為：這一“荒謬”結(jié)果說明菲涅爾的波動理論完全錯誤。目前十五頁\總數(shù)五十五頁\編于九點阿拉果決定做實驗檢驗一下，結(jié)果暗影的中心真的出現(xiàn)了亮點，菲涅爾理論完全正確！這一成就震驚了學(xué)術(shù)界。后人把這一亮點戲劇性地稱為“泊松亮點”。不過，這一亮點也確實是泊松首先用菲涅爾理論算出的。泊松亮斑目前十六頁\總數(shù)五十五頁\編于九點在惠更斯時代，有一位叫羅默的人通過對木星衛(wèi)星的觀測，測出了光的傳播速度。他于1676年測得的光速約為20萬千米/秒，雖然誤差很大，但畢竟數(shù)量級正確。

3光速的測定與約定羅默目前十七頁\總數(shù)五十五頁\編于九點羅默是通過木衛(wèi)（木星衛(wèi)星）被木星遮擋而出現(xiàn)的衛(wèi)星蝕現(xiàn)象來估算光速的。他首先注意到不同日期觀測到的木衛(wèi)蝕現(xiàn)象，存在時間差，他認(rèn)為這是由于不同日期地球在公轉(zhuǎn)軌道上的位置不同，造成到木星的距離不同，只要光速不是無限大，這一距離差就將導(dǎo)致光從木星傳播到地球的時間產(chǎn)生一個差值。羅默測定光速方法目前十八頁\總數(shù)五十五頁\編于九點羅默認(rèn)為，觀測木衛(wèi)蝕現(xiàn)象的時間差，是由于光速有限造成的，可以用這一時間差和木地距離差反過來測定光速。他經(jīng)過仔細(xì)計算，預(yù)言即將發(fā)生的一次木衛(wèi)蝕現(xiàn)象會推遲10分鐘。木星衛(wèi)星目前十九頁\總數(shù)五十五頁\編于九點在科學(xué)史上邁克耳孫以實驗精密而著稱。他采用旋轉(zhuǎn)棱鏡法測光速，兩個凹面鏡分置于相距35公里的兩座山上。他的上述測量值已非常接近今天的公認(rèn)值。目前國際上公認(rèn)的光速值是1973年測定的，為2.99792458ⅹ108

米/秒。目前二十頁\總數(shù)五十五頁\編于九點1983年國際科技數(shù)據(jù)委員會又反過來用真空中的光速定義距離，規(guī)定光在秒內(nèi)走過的距離為1米。1986年又規(guī)定1973年測定的光速值為精確值，于是真空中的光速值從此以后不再變動。

光速目前二十一頁\總數(shù)五十五頁\編于九點人類對電和磁的認(rèn)識可以追溯到2千多年前。古代的中國人和希臘人早就知道靜電現(xiàn)象,知道磁石的吸引和排斥現(xiàn)象。中國發(fā)明的指南針就是一個證明。然而,對電和磁進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的研究,則是在文藝復(fù)興開始之后。

4法拉第與電磁感應(yīng)指南針目前二十二頁\總數(shù)五十五頁\編于九點1600年前后,英國醫(yī)生吉爾伯特對磁和電作了初步的科學(xué)研究,他指出任何磁體都同時存在兩極,沒有單磁極存在。他發(fā)現(xiàn)了鐵的磁化現(xiàn)象。吉爾伯特還正確地指明,地球是一個大磁體。目前二十三頁\總數(shù)五十五頁\編于九點他研究了摩擦起電現(xiàn)象,發(fā)明了第一個驗電器。英文中電這個詞,就是吉爾伯特最先提出的,它來自希臘文“琥珀”一詞的譯音,這是由于古代最早的摩擦起電實驗,就是希臘人用琥珀做的。琥珀目前二十四頁\總數(shù)五十五頁\編于九點對電磁學(xué)貢獻(xiàn)最大的人當(dāng)數(shù)英國的法拉第。他出身在一個鐵匠的家庭,由于貧困和語音上的缺陷,受到老師嘲笑的小法拉第被迫離開了學(xué)校。他12歲開始在街上賣報,送報,13歲到一家書店作裝訂學(xué)徒工。

目前二十五頁\總數(shù)五十五頁\編于九點法拉第特別喜歡閱讀自然科學(xué)方面的書籍,從不放過任何一本經(jīng)他手裝訂的這類書籍。他利用幾乎所有的空閑時間拼命地讀書,如饑似渴地吸取著書中的知識。雖然他沒有機會上學(xué),書籍就是他最好的學(xué)校,正是這段時間的勤奮閱讀,使他走上了成才之路。法拉第目前二十六頁\總數(shù)五十五頁\編于九點有一天,法拉第在大街上看到舉辦“自然科學(xué)講座”的公告,非常興奮,在一年多的時間內(nèi),舉辦了十幾次講座,法拉第場場不落。他精心作筆記,運用自己的裝訂手藝,配上插圖,把筆記裝訂成一本“講演錄”。目前二十七頁\總數(shù)五十五頁\編于九點戴維教授是當(dāng)時最有魅力的科學(xué)家,也是將科學(xué)傳播給大眾的首創(chuàng)者。由于他個人的魅力和極為出色的口才,將深奧枯燥的科學(xué)理論用生動通俗的語言描繪出來,使得普通民眾聽起來興致盎然。目前二十八頁\總數(shù)五十五頁\編于九點戴維教授輕松而透徹的精彩報告,深深折服了法拉第的心。這個年青的釘書匠,從此下決心獻(xiàn)身于科學(xué)。的確,他沒有進(jìn)過中學(xué)和大學(xué),甚至小學(xué)都沒有上完。他也沒有錢,只是一個下等階層的釘書匠。但是他有才華,有對科學(xué)執(zhí)著的愛,特別是有奮斗的決心和堅忍不拔的毅力,他有勇氣克服一切困難去敲開科學(xué)的大門。法拉第目前二十九頁\總數(shù)五十五頁\編于九點法拉第精心整理了戴維講演的筆記,裝訂出一本封面燙金字的《戴維爵士講演錄》。他用這本《講演錄》作為敲門磚,寄給了戴維爵士,戴維收到后大為驚訝,深受感動的戴維,接受了法拉第的請求,讓他充當(dāng)自己的助手。目前三十頁\總數(shù)五十五頁\編于九點在皇家學(xué)院,法拉第十分珍惜這個來之不易的機會,他比任何人都勤奮。洗瓶子、擦地板,把實驗室收拾得干、干凈凈、井井有條。他很快就掌握了基本的實驗技能,不久之后,他不僅能幫戴維做實驗,而且能幫戴維出主意。

目前三十一頁\總數(shù)五十五頁\編于九點1813年,法拉第隨戴維夫婦訪問歐洲大陸。在兩年多的時間中,他們拜訪歐洲各國許多著名的學(xué)者,參觀了不少知名的實驗室,使法拉第眼界大開。目前三十二頁\總數(shù)五十五頁\編于九點1831年,在實驗屢遭挫折之后,法拉第終于取得了重大突破,發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,制造出世界上第一臺“發(fā)電機”。當(dāng)時人們還認(rèn)識不到這一發(fā)現(xiàn)的劃時代意義。法拉第在皇家學(xué)會報告自己的發(fā)現(xiàn)時,居然有人問道,這一發(fā)現(xiàn)有什么用?法拉第反問他：新生的嬰兒有什么用?發(fā)電機目前三十三頁\總數(shù)五十五頁\編于九點此后,法拉第又發(fā)現(xiàn)了電解定律,自感現(xiàn)象,磁光效應(yīng),物質(zhì)的抗磁性等等。他還提出了電力線和磁力線的理論，正是這一理論引導(dǎo)麥克斯韋建立起電磁場論的大廈。目前三十四頁\總數(shù)五十五頁\編于九點毫無疑問法拉第是那個時代最偉大的物理學(xué)家,他的老師戴維說：“我一生中最重要的發(fā)現(xiàn),就是發(fā)現(xiàn)了法拉第”。目前三十五頁\總數(shù)五十五頁\編于九點法拉第從一個卑微的童工,歷盡千辛萬苦,忍受種種屈辱,終于成長為那個時代最偉大的科學(xué)家。在他取得重大成就而名揚四海之時,法拉第卻拒絕了滾滾而來的金錢和榮譽。

法拉第目前三十六頁\總數(shù)五十五頁\編于九點在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的1831年,另一位偉大的物理學(xué)家麥克斯韋出生在蘇格蘭,麥克斯韋的父親是一位知識淵博、興趣廣泛、多才多藝的人。他不僅是一位律師,還是一位工程師、發(fā)明家。他是兒子的科學(xué)啟蒙導(dǎo)師,對兒子的一生產(chǎn)生了很大影響。

5麥克斯韋與電磁理論麥克斯韋方程目前三十七頁\總數(shù)五十五頁\編于九點上中學(xué)時,班里的同學(xué)都看不起固執(zhí)而孤僻的麥克斯韋,給他起了個綽號叫“傻瓜”,使他非常惱火。三年后,在一場數(shù)學(xué)和詩歌比賽中,麥克斯韋一舉奪得兩項第一,大大出乎同學(xué)們的意外,從此再沒有人敢歧視他了。目前三十八頁\總數(shù)五十五頁\編于九點麥克斯韋19歲進(jìn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。這是一所不斷涌現(xiàn)科學(xué)明星的大學(xué),牛頓和達(dá)爾文都畢業(yè)于此。在這里,麥克斯韋選擇物理學(xué)作為自己終生奮斗的領(lǐng)域。他很快就在數(shù)學(xué)上顯示出極高的才華,畢業(yè)后留校工作,致力于法拉第電磁實驗的理論研究,并選擇了法拉第的電力線學(xué)說作為自己的主攻方向。目前三十九頁\總數(shù)五十五頁\編于九點經(jīng)過幾年的努力,他得到了后來以他的名字命名的電磁方程組,建立起正確、完整的電磁場論，他還推出了電磁場的波動方程,從理論上預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋證明電磁波在真空中的傳播速度為目前四十頁\總數(shù)五十五頁\編于九點麥克斯韋則據(jù)此大膽猜測電磁波的速度就是光速c。從而指出光波就是電磁波。1887年赫茲用實驗證實了電磁波的存在，并測出它的傳播速度就是光速，支持了麥克斯韋的電磁理論。目前四十一頁\總數(shù)五十五頁\編于九點目前四十二頁\總數(shù)五十五頁\編于九點麥克斯韋電磁方程組,是所有電磁學(xué)定律的簡明優(yōu)美的總結(jié),是整個電磁學(xué)和光學(xué)的基礎(chǔ)。因此，人們長期主要用麥克斯韋方程組來描述電磁規(guī)律。麥克斯韋方程目前四十三頁\總數(shù)五十五頁\編于九點有趣的是，麥克斯韋電磁理論當(dāng)年是運用介質(zhì)的彈性學(xué)說導(dǎo)出的。麥克斯韋從介質(zhì)“分子蝸旋”形變導(dǎo)致的彈性性質(zhì)得出了電磁方程組。他把“電力”歸結(jié)為分子蝸旋形變的彈性勢能，磁力歸結(jié)為轉(zhuǎn)動動能。

目前四十四頁\總數(shù)五十五頁\編于九點法拉第和麥克斯韋等人創(chuàng)立的電磁理論,導(dǎo)致了發(fā)電機、電動機、電燈和電子技術(shù)的出現(xiàn),人類文明從此進(jìn)入了電磁時代。目前四十五頁\總數(shù)五十五頁\編于九點麥克斯韋電磁理論不僅是電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)，而且是光學(xué)的理論基礎(chǔ)。在麥克斯韋理論的基礎(chǔ)上，波動光學(xué)取得了長足的進(jìn)展。整個19世紀(jì)，光的波動理論都占據(jù)著統(tǒng)治地位，牛頓的微粒說幾乎已被學(xué)術(shù)界淡忘。然而，1900年，新世紀(jì)降臨之際，一次偉大的變革出現(xiàn)了。

6波粒二相性目前四十六頁\總數(shù)五十五頁\編于九點當(dāng)時人們已經(jīng)知道，熱輻射和光輻射本質(zhì)上都是電磁波，只不過波長不同而已。為了從理論上解釋熱輻射能量分布的實驗曲線，德國物理學(xué)家普朗克提出了量子說（詳見第7章）。這一理論認(rèn)為，原子在吸收或發(fā)射熱輻射（電磁波）時，能量不是連續(xù)的而是一份一份的。普朗克目前四十七頁\總數(shù)五十五頁\編于九點愛因斯坦進(jìn)一步提出光量子說，認(rèn)為熱輻射和光輻射（即電磁波）不僅在原子吸收和發(fā)射它們的時候是一份一份的，而且它們在空間傳播時也是一份一份的。這就是說電磁波是由一粒一粒的光量子組成的，牛頓提出的光的微粒說似乎又復(fù)活了。目前四十八頁\總數(shù)五十五頁\編于九點普朗克用量子說成功地解釋了黑體輻射（熱輻射），愛因斯坦用光量子說成功地解釋了光電效應(yīng)，光量子理論得到了實驗的有力支持，而他們都因這方面的成就分別獲