文科物理课件----光的本性

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1、第二章永恒的经典第五节光的本性n一、粒子运动的描述n二、波动现象n三、光的波动说与微粒说n四、波动光学n五、光的电磁理论n六、光的波粒二象性n七、德布罗意波一、粒子运动的描述1.运动的绝对性所有物体都是由微观的粒子组成的（如原子、分子），而微观的粒子都在做永不停息的热运动。世界上一切物质都是处于永恒的运动状态之中。2一、粒子运动的描述2.粒子运动的描述粒子具有一定的质量m，用速度描述粒子运动的快慢和方向。粒子运动时具有动能、动量。如图2.5.1所示。粒子N在空间的位置坐标为(x,y,z)，r为粒子在空间的位置矢量。而后粒子沿曲线运动，在M点时的速度为v，具有动如

2、图2.5.1宏观粒子在量p，动能E，其中：k空间的位置及运动轨迹rxiyjzk3一、粒子运动的描述drv=dtpmv12Emvk24二、波动现象1、波动的描述波是由于物体围绕各自平衡位置来回运动所形成的。如果将软绳的一端固定，然后持续抖动绳子的另一端，我们将看到图2.5.4所示的现象。好像有某种东西沿绳前进，这种东西就是波。波的传播方向5图2.5.4持续抖动绳子的一端产生一个沿绳子传播的连续波二、波动现象对波的描述有其特有的物理量，如波长、频率、振幅、波速等，如图2.5.5所示。波速v图2.5.5波长、振幅、波速的意义6二、波动现象一个连

3、续而重复的波的波长是沿着波从任一点到下一个同相点的距离。波的频率是介质中任意个体每秒钟内完成的振动次数。波通常由某种振动的波源发出，这时波的频率必定与波源的频率相同。也即波的频率由波源振动的频率决定。波的振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在介质中的传播速度。一列波的波长、波速v和频率之间的关系为：v7二、波动现象2.波特有的现象（1）波的衍射波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象叫做波的衍射。8二、波动现象（2）波的干涉两列波相遇时表现出有的地方振动加强，有的地方振动减弱的现象叫做波的干涉。空旷的操场上放置两个同步播放的扬声器，当我们移动时可以听到忽

4、强忽弱的声音。9二、波动现象如果在空旷的操场上放置两个独立播放的扬声器，我们移动时为什么很难听到忽强忽弱的声音的?波的相干条件：（1）频率相同；（2）振动方向平行；（3）相位相同或相位差恒定。10三、光的波动说与微粒说粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式。光如果是粒子，就应该具有粒子的属性!!而光如果是波，那么也应该具有波的属性!！光是粒子还是波呢？这是光的本性问题。11三、光的波动说与微粒说对关于光的本性问题的研究，形成了两种相互对立的理论，即光的微粒说和光的波动说。1、以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为：光是由微粒组成的粒子流，是发光体接连不断地向周围空

5、间射出的一群微小粒子流，并且它们走的是最快的直线运动路径。用光的微粒说可解释光的反射和折射现象，但无法解释光的衍射现象。12三、光的波动说与微粒说2、以荷兰物理学家惠更斯为代表的波动说认为：光是一种波；光波是一种靠物质载体（以太）来传播的纵波；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律，同时也能较好的解释光的衍射和双折射现象。但是，在用波动理论解释折射现象时，必须假定光在水中的传播速率小于光在空气中的传播速率，这与牛顿微粒说的结论正好相反。13三、光的波动说与微粒说反射光线入射光线空气(n)反射光线1空气ii反射面ii入射

6、光线i界面水平面镜(n)折射光线2图2.5.8光的反射图2.5.9光的折射显然，如果能测出光在介质中传播的速度，就可以判断波动说与微粒说熟是熟非了，可惜当时没有实验能够进行判断。14三、光的波动说与微粒说波动说与微粒说的争论还在继续，要说服谁都必须有可靠的实验证据。艾萨克·牛顿克里斯蒂安・惠更斯15四、光的波动特性1、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验)16四、光的波动特性1、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验)1801年，英国物理学家托马斯·杨找到获得相干光源的方法：把从同一批原子发射出来（初相位相同）的光人为地分为两列，让它们经过不同的路径后再在屏幕上相遇。各原子的

7、发光尽管随机地改变，但任何初相位改变总是同时发生在两列波中，在观察点相位差只与路径有关。17四、光的波动特性ItI叠加后tIt由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差Δφ=0，因此，叠加后光强加强。18四、光的波动特性19四、光的波动特性白光的薄膜干涉图样20四、光的波动特性2、光的衍射（1）圆孔衍射HPS*21(2)直边衍射（刀刃衍射）22(2)圆屏衍射（泊松亮斑）23泊松亮点:1818年,巴黎科学院举行了一次解释衍射的有奖竞赛,评委中许多著名科学家,如毕奥、拉普拉斯、泊松等，都是光的微粒学说的忠实拥护者。年轻的工程师菲涅耳报告了“应用