本文關(guān)鍵詞：光本性理論，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

北京理工大學(xué)物理小論文

人類對光本性的認(rèn)識(shí) 人類對光本性的認(rèn)識(shí)
劉凡 班級：10310901 學(xué)號(hào):20092263
摘要： 摘要：淺顯地討論和分析光的本質(zhì) 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：波動(dòng)性，粒子性，波粒二象性，量子論 在《大學(xué)物理》波動(dòng)光學(xué)的引言中，對光是這樣描述的： “人類對光的認(rèn)識(shí) 始終貫穿著“光的本性是什么？”這一根本性的問題。17 世紀(jì)

，牛頓(Newton) 認(rèn)為光是一股微粒流，沿直線傳播，它可以說明光的反射和折射。與此同時(shí)，惠 更斯(Ch. Huygens)提出了光是一種波動(dòng)。 他認(rèn)為， 光是機(jī)械振動(dòng)在 “以太 （ether） ” 這種特殊介質(zhì)中傳播。直到 19 世紀(jì)初，人們觀察到了許多光的干涉、衍射和偏 振現(xiàn)象，這些事實(shí)為“光是一種電磁波”提供有力的依據(jù)。然而在 19 世紀(jì)末到 二十世紀(jì)初。人們對黑體輻射和光電效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)規(guī)律的研究，又證明了光的量子 性，既具有波粒二象性。 首先，先談一談對光本性認(rèn)識(shí)的意義：光學(xué)是人類較早用來認(rèn)識(shí)和改造自然 界的科學(xué)之一， 在激光問世之后，光學(xué)這門古老的學(xué)科有了迅速的發(fā)展。不僅 豐富了原有傳統(tǒng)學(xué)科分支=技術(shù)光學(xué)、薄膜光學(xué)的內(nèi)容外，還形成了許多新的學(xué) 科分支，如非線性光學(xué)，導(dǎo)波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、全息光學(xué)， 激光光譜學(xué)等。使 得對波動(dòng)現(xiàn)象的研究范疇由不相干到相干, 從線性到非線性, 從穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)， 從有序到混沌、從純態(tài)到壓縮態(tài), 學(xué)科知識(shí)更加豐富及深化。而上世紀(jì)初誕生的 量子論和相對論是對光本性討論的直接結(jié)果。 繼續(xù)討論已經(jīng)而且必將加深對這兩 個(gè)偉大理論的理解和導(dǎo)致新的發(fā)展。 我們期望兩個(gè)理論帶來的困惑包括光本性在 內(nèi)的光與物質(zhì)統(tǒng)一性研究能夠帶來物理學(xué)基礎(chǔ)的改革。 其次， 先總結(jié)一下歷史上關(guān)于 “光的波動(dòng)說” “微粒說” 和 對應(yīng)的著名實(shí)驗(yàn)。 關(guān)于波動(dòng)說，荷蘭物理學(xué)家惠更斯（Christian Huygens）于 1690 年提出了一條描 述波傳播特性的重要原理：在波的傳播過程中，波前上的每一點(diǎn)都可以看作是發(fā) 射子波的波源，其后任意時(shí)刻，這些子波的包跡就是新的波面，也就是惠更斯原 理。它成功解釋了當(dāng)時(shí)已知的大多數(shù)光學(xué)現(xiàn)象，建立了惠更斯原理。他在此基礎(chǔ) 上推導(dǎo)出光的反射和折射定律，圓滿地解釋了光速在光密介質(zhì)中減小的原因。惠 更斯用光波既通過以太微粒、又通過晶體物質(zhì)微粒傳播的假設(shè),非常圓滿地解釋 了光穿過冰洲石所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象。但是惠更斯雖然巧妙地用聲波來類比,但 是他錯(cuò)誤地認(rèn)為光波是縱波,這被微粒說的支持者用光的偏振現(xiàn)象予以駁斥。其 后，同處一個(gè)時(shí)代牛頓卻利用“太陽光在三棱鏡下的散射成各種顏色的光”的實(shí)

北京理工大學(xué)物理小論文

驗(yàn)在人們心中產(chǎn)生了重要影響，牛頓利用微粒說成功解釋了光的折射、反射和色 散現(xiàn)象，不過,公正地說，牛頓并不是微粒說的毫無保留的堅(jiān)持者和波動(dòng)說的偏 執(zhí)的反對者。大約一百年后，波動(dòng)說又開始復(fù)興。托馬斯·楊( T. Young) 的“雙 縫干涉實(shí)驗(yàn)” 為波動(dòng)光學(xué)的復(fù)興做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 他還說過這樣一句名言： “盡管我仰慕牛頓的大名,但我并不因此非得認(rèn)為他是百無一失的。我??遺憾地 看到他也會(huì)弄錯(cuò),而他的權(quán)威也許有時(shí)甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步。同時(shí)，1814年， 菲涅爾的“單縫衍射實(shí)驗(yàn)”更是將“波動(dòng)說推到極致”，因此，他因?yàn)椤盎?泊松亮斑” 獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。到了19世紀(jì)60年代,英國物理學(xué)家麥克斯韋(J . C. Maxwell) 建立起完整的電磁理論。 他發(fā)展了光的波動(dòng)說,用光的電磁波理論代替 光的機(jī)械波理論。這時(shí)波動(dòng)說的最后一個(gè)難題—“傳播媒問題”也被解決了。在 麥克斯韋以后的一個(gè)時(shí)期,光的波動(dòng)說可以圓滿地解釋光的一切傳播現(xiàn)象,光的 波動(dòng)說達(dá)到了全盛時(shí)期。之后七年，德國人赫茲(Hertz) 在1888年測到電磁波, 宣告光的波動(dòng)說進(jìn)入了全盛時(shí)期,否定了光的微粒說,可正是他發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng) 又導(dǎo)致了微粒說的復(fù)活。,1905 年愛因斯坦提出了光量子說。盡管愛因斯坦用光 子理論完美地闡明了光電效應(yīng),但這個(gè)理論一提出來,立即遭到幾乎所物理學(xué)家 的反對。 幸運(yùn)的是,不久以后,密立根意外地證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確 性,1923 年公布的康普頓實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)有力地表明了光量子圖景的實(shí)在性。 光的波 粒二象性現(xiàn)象告訴我們,從宏觀現(xiàn)象中總結(jié)出來的經(jīng)典理論,對微觀粒子不再適 用。 宏觀概念中波和粒子是完全對立的,而光波不是宏觀概念中的波,光子也不是 宏觀概念中的實(shí)物粒子。所以,光的波動(dòng)性和粒子性是辯正統(tǒng)一的。后來愛因斯 坦在1951 年曾這樣總結(jié)他的探索:“整整50年有意識(shí)的思考還沒有使更接近‘光 量子是什么’ 的答案,當(dāng)然今天每一個(gè)不老實(shí)的人認(rèn)為他知道答案,但他是在欺騙 他自己。 所以對于光量子至少還可以提出 ” “它是什么”“它有什么內(nèi)部結(jié)構(gòu)” ， ， “光子有沒有靜止質(zhì)量”......一系列問題。這些問題需要進(jìn)一步探索，我想信 對光的本性一定有更多的發(fā)展。 最后我們驗(yàn)證一下光是一種電磁波的正確性。由經(jīng)典電動(dòng)力學(xué), 空腔中角 頻率為 的光場(電磁場) , 其能量可表示為 E H K sin Q （4） p （ p + p + q tan ， √2a cos Q q ） （1） （2） （3） （5）

q和p分別為廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量, 下標(biāo)l 、m 和n 為光場振動(dòng)模的指標(biāo)。對一維
簡諧振子的哈密頓量 通過引入生成函數(shù) 作正則變換得：q

H a. (6) 這里,Q 和a 分別為新的廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量。 考慮一個(gè)力學(xué)體系,它含有大量的 簡諧振子,這些振子具有相同的頻率ω,但位相Q和振幅(或a)是隨機(jī)的, q

北京理工大學(xué)物理小論文

、p、Q 和a 視為隨機(jī)變量，因此我們可以認(rèn)為Q服從[0,2π]上均勻分布。令 V ρ q sin Q ，W 0， cos Q，從（4）和（5）可導(dǎo)出隨機(jī)變量方程p ρ q dq 1， lim|
|

wq

√2awV 0

設(shè)ρq ( q) 為振子廣義坐標(biāo)q 的密度函數(shù),它滿足下列條件 ρ q 0, q ρ q dq

再引入波函數(shù)Ψ ，使得 Ψ q
Ψ

=ρ q ,再作傅里葉變換，做一復(fù)雜方程（略）， 0，這里γ ，, β 。Λ 和λ 和是兩個(gè)拉

泛函I的最小值函數(shù)即是我們所需要的解。由變分法,我們得到如下歐拉方程 Ψ q 1 ω，n γΨ q

格朗日乘子。由(11)并注意Ψ(q)與ρq(q)的關(guān)系,我們可以求得本征值： γ 2n 0,1,2 …,這里β>0, 由狹義相對論及上式,我們易導(dǎo)出電 2n 1
2π H

磁場振動(dòng)模的動(dòng)量平均值：p

K, n

0,1,2 …

兩個(gè)相鄰動(dòng)量平均值之差為:P=hK/2π。這也與通常所說的光量子的動(dòng)量是一 樣的。這樣, 我們就直接從經(jīng)典電磁場理論導(dǎo)出光場能量、動(dòng)量量子化的結(jié)果。 用我們的理論能夠解釋光電效應(yīng),康普頓效應(yīng)和黑體輻射光譜。 我相信經(jīng)過科學(xué)的進(jìn)一步探索，能夠更深刻地發(fā)掘光的本質(zhì)，盡管就現(xiàn)在 而言，光的波粒二象性是一個(gè)比較具有說服力的觀點(diǎn)，但并不是完美無缺的，所 以，我很期待另一個(gè)“阿爾伯特.愛因斯坦”能夠帶來一次光學(xué)新的改革，我們 能更好的認(rèn)識(shí)這個(gè)世界。 注:從“傅里葉變換”到“電磁場振動(dòng)模量”的推論是借用佘衛(wèi)龍教授的“光本 性理論研究新進(jìn)展”論文 參考書目：《光本性理論研究新進(jìn)展》 《殊途同歸的光本性之爭》 《大學(xué)物理》 佘衛(wèi)龍 閆曉星 茍秉聰

王洪鵬 胡海云



光的本性認(rèn)識(shí)的發(fā)展

光的本性認(rèn)識(shí)的發(fā)展_機(jī)械/儀表_工程科技_專業(yè)資料。光的本性認(rèn)識(shí)的發(fā)展光的本住問題是貫穿在光學(xué)發(fā)展中的一個(gè)根本問題。正是這種對光的本性的探討有力地推動(dòng)了...

人類對光本性的認(rèn)識(shí)

人類對光本性的認(rèn)識(shí) 摘要: 光給我們帶來了五彩世界的美麗, 光的本性是什么?”“ 一直以來人們對此曾有過各種猜測和爭論。 從人們最初認(rèn)為的光 是一種“很小...

光本性的認(rèn)識(shí)

光本性的認(rèn)識(shí)_理學(xué)_高等教育_教育專區(qū)。北京理工大學(xué)物理小論文 人類對光本性的認(rèn)識(shí) 人類對光本性的認(rèn)識(shí)劉凡 班級:10310901 學(xué)號(hào):20092263 摘要: 摘要:淺顯地討論...

題目86525a22aaea998fcc220e8b

百度高考 物理 光的偏振 多選題 物理 光的偏振 關(guān)于對光的本性的認(rèn)識(shí),下列說法中正確的是() A牛頓的微粒說與惠更斯的波動(dòng)說第一次揭示了光具有波粒二象性 B...

人類對于光本性的認(rèn)識(shí)

人類對于光本性的認(rèn)識(shí) 人類對于光本性的認(rèn)識(shí)摘要: 摘要:正是因?yàn)橛辛斯獠懦删土宋覀冞@個(gè)多彩的世界, 而人類對于光的認(rèn)識(shí)卻有一 段曲折的歷史。因此,本文通過...

對光的本性認(rèn)識(shí)

對光的本性認(rèn)識(shí)_工學(xué)_高等教育_教育專區(qū)。較為容易易懂的知識(shí) 對光的本性認(rèn)識(shí) 光(Light)可以激發(fā)視網(wǎng)膜產(chǎn)生視覺能力之輻射能;電磁波之可見光譜范圍為 380～ ...

淺談光學(xué)的發(fā)展和對光的本性的認(rèn)識(shí)

15 淺談光學(xué)的發(fā)展和人類對光的本性的認(rèn)識(shí)賀曉金(指導(dǎo)老師:黃燕霞 教授) (湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 中國 黃石 435002) 摘要:光學(xué)是物理學(xué)中的一門重要的...

光的本性淺析

光的波粒 二象性,經(jīng)歷了艱難的研究過程,我們對光的認(rèn)識(shí)和探索源于歷史的積累,通過 不斷的探索,對光本性有了更深入和明白的了解,解決了人們的很多疑問,也使 光...

人類對光的認(rèn)識(shí)過程

人類對光的認(rèn)識(shí)過程- - 人類對光的本性認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)非常曲折、漫長的過程,這其中不僅僅使我們獲得了很多知識(shí),更重要 的是對科學(xué)精神和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的理解更深刻了...

  本文關(guān)鍵詞：光本性理論，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。