《人文物理》课程教学资源（教案）第四讲 从探索与实践中认识光现象的本质

第四讲从探索与实践中认识光现象的本质课程教案授课方式理论课课时安排120分钟教学内容与课时安排：1、前几何光学时代；（20分钟）2、几何光学时代：（25分钟）3、波动说与粒子说之争；（25分钟）4、干涉、衍射理论的建立：波动说的胜利：（25分钟）5、粒子说的回归与波粒二象性的辩证统一。（25分钟）教学目的与要求：1、了解远古时期人们对光现象本质的认识：2、了解几何光学的逐步完善以及笛卡尔对折射现象的首次尝试历程；3、了解波动说与粒子说之争；4、理解波粒二象性及其重大意义；5、体会对光现象本质认识不断深入的启示。教学重点及难点：重点：波动说与粒子说之争以及波粒二象性的辩证统一难点：波粒二象性授课安排：（30分钟）1、前几何以及几何光学时代；波动说与粒子说之争；2、（50分钟）3、波粒二象性。（40分钟）教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法以讲授为主，使用电子教案，定义概念，播放相关视频和图片资料。课堂板书：多媒体

第四讲 从探索与实践中认识光现象的本质 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、前几何光学时代； （20 分钟） 2、几何光学时代； （25 分钟） 3、波动说与粒子说之争； （25 分钟） 4、干涉、衍射理论的建立：波动说的胜利； （25 分钟） 5、粒子说的回归与波粒二象性的辩证统一。 （25 分钟） 教学目的与要求： 1、了解远古时期人们对光现象本质的认识； 2、了解几何光学的逐步完善以及笛卡尔对折射现象的首次尝试历程； 3、了解波动说与粒子说之争； 4、理解波粒二象性及其重大意义； 5、体会对光现象本质认识不断深入的启示。 教学重点及难点： 重点：波动说与粒子说之争以及波粒二象性的辩证统一 难点：波粒二象性 授课安排： 1、 前几何以及几何光学时代； （30 分钟） 2、 波动说与粒子说之争； （50 分钟） 3、 波粒二象性。 （40 分钟） 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 以讲授为主，使用电子教案，定义概念，播放相关视频和图片资料。 课堂板书：多媒体

方法及手段教学基本内容讲授法+PPT光的本性问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本展示性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验一一假设一一理论一一实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程：1、前几何光学时代远古时候的人们似乎并不把光作为一种客观存在的事物，光亮与黑暗在他们看来只是两种不同的环境罢了。而当文明降临人间，人们脱离了野蛮和愚味的时候，便开始了对自己所生存的这个世界进行了思考，很多的理论都是这一时期开始形成的，而人类对光学的研究也是萌芽于这一时期，距今大概两三千年的时间。《墨经》中曾记载，在大约两千四五百年以前，我国的学者墨子和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验：在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。为什么会这样呢？下面我们看一段有关于小孔成像的视频（小孔成像视频）。墨子对实验结果做出了精辟的见解，解释了小孔成倒像的原因，指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。《墨经》在两千多年前关于小孔成像的描述，与今天的照相光学所讲的是完全吻合的。光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应用。比如：我们的祖先制造了圭表和日客，用来测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点：在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒星的位置。而对于光的本性的最初思考中，最具有代表性的是古希腊时期的两位科学家，一是德谟克利特；二是亚里斯多德。首先，我们简单介绍下德谟克利特的观点：德谟克利特，约公元前460年至公元前370年，出生在色雷斯海滨的阿布德拉的商业城市，是古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子唯物论学说的创始人之一，对原子论的发展起到了关键的作用。他认为，万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒，虚空

教 学 基 本 内 容 方法及手段 光的本性问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本 性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认 识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光 是波粒二象性的统一等各个认识阶段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算 起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验——假设——理论——实验这 条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁 的统一，光的波动性和微粒性的统一。 下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程: 1、前几何光学时代 远古时候的人们似乎并不把光作为一种客观存在的事物 ，光亮与黑暗 在他们看来只是两种不同的环境罢了。而当文明降临人间，人们脱离了野蛮 和愚昧的时候，便开始了对自己所生存的这个世界进行了思考，很多的理论 都是这一时期开始形成的，而人类对光学的研究也是萌芽于这一时期，距今 大概两三千年的时间。 《墨经》中曾记载，在大约两千四五百年以前，我国的学者墨子和他的 学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验： 在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里 相对的墙上就会出现一个倒立的人影。 为什么会这样呢？ 下面我们看一段有关于小孔成像的视频（小孔成像视频）。 墨子对实验结果做出了精辟的见解，解释了小孔成倒像的原因，指出了 光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。 《墨经》在两千多年前关于小孔成像的描述，与今天的照相光学所讲的 是完全吻合的。光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应 用。比如：我们的祖先制造了圭表和日晷，用来测量日影的长短和方位，以 确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒 星的位置。 而对于光的本性的最初思考中，最具有代表性的是古希腊时期的两位科 学家，一是德谟克利特；二是亚里斯多德。 首先，我们简单介绍下德谟克利特的观点： 德谟克利特，约公元前 460 年至公元前 370 年，出生在色雷斯海滨的阿 布德拉的商业城市，是古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子唯物论学说的创 始人之一，对原子论的发展起到了关键的作用。 他认为，万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒，虚空 讲 授 法 +PPT 展示

是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像启发式教学作用于人们的感官与心灵而产生的。受原子论的影响，德谟克利特对光的认识也带着明显的原子味道。德谟动画演示克利特认为：我们之所以能够看到物体，这是因为物体能够向外发射一些物质流。这些物质流散布到整个空间，当物质流进入我们眼晴时，我们就看到了物体。原子论的另两位学者伊壁鸠（jiu）鲁和卢克莱修也持相同的观点。卢克莱修曾说过：“从任何我们看见的东西，必定有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼晴，引起了视觉”。德谟克利特的这种观点被认为是光的粒子性的最初思考。接着下来，我们简单介绍下亚里斯多德的观点：亚里斯多德，公元前384年至公元前322年，古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。作为一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献，在很多领域都有建树。可是由于所处时代的限制，他的很多理论都只是出于初始阶段，所以不可避免会出现一些错误的认识，但我们不能因此而忽视他对科学的贡献，比如：亚里斯多德对光的认识来说，对后人的影响也是非常深远和不可否认的。亚里斯多德认为：视觉是眼睛和可见物体之间的中间物质运动的结果。他认为这种中间介质有让光通过的可能性（这种可能性也就是潜在的能力），即是透明的，光则把这种可能性变为现实。如果没有中间物质，我们就看不到物体，也就没有视觉。亚里斯多德的这种观点和我们今天的波动理论很相似，所以亚里斯多德的观点被认为是光的波动说的萌芽。然而，任何理论都是实践的结果。因此，无论是德谟克利特的粒子说还是亚里斯多德的波动说，都只是在哲学角度的一种思考，并没有实验事实作为依据，所以我们说这些观点仅仅只是一种思考，是粒子说和波动说的萌芽，并不是一个系统的理论。2、几何光学时代古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。在《梦溪笔谈》中曾记载的春秋虎鸟阳遂就是一个实例。阳，简单的来说，就是古代照日取火用的曲率很大的凹面铜镜。我们可以通过下面一段视频来了解下阳遂（阳遂视频资料）。在西方世界，自《墨经》开始，也有很多人开始了对光的研究以及应用

是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像” 作用于人们的感官与心灵而产生的。 受原子论的影响，德谟克利特对光的认识也带着明显的原子味道。德谟 克利特认为：我们之所以能够看到物体，这是因为物体能够向外发射一些物 质流。这些物质流散布到整个空间，当物质流进入我们眼睛时，我们就看到 了物体。 原子论的另两位学者伊壁鸠（jiu）鲁和卢克莱修也持相同的观点。卢 克莱修曾说过：“从任何我们看见的东西，必定有许多原初物体流出来，被 发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉”。 德谟克利特的这种观点被认为是光的粒子性的最初思考。 接着下来，我们简单介绍下亚里斯多德的观点： 亚里斯多德，公元前 384 年至公元前 322 年，古希腊人，世界古代史上 伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。作为一位 百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献，在很多领域都有建 树。 可是由于所处时代的限制，他的很多理论都只是出于初始阶段，所以不 可避免会出现一些错误的认识，但我们不能因此而忽视他对科学的贡献，比 如：亚里斯多德对光的认识来说，对后人的影响也是非常深远和不可否认的。 亚里斯多德认为：视觉是眼睛和可见物体之间的中间物质运动的结果。他认 为这种中间介质有让光通过的可能性（这种可能性也就是潜在的能力），即 是透明的，光则把这种可能性变为现实。如果没有中间物质，我们就看不到 物体，也就没有视觉。 亚里斯多德的这种观点和我们今天的波动理论很相似，所以亚里斯多德 的观点被认为是光的波动说的萌芽。 然而，任何理论都是实践的结果。因此，无论是德谟克利特的粒子说还 是亚里斯多德的波动说，都只是在哲学角度的一种思考，并没有实验事实作 为依据，所以我们说这些观点仅仅只是一种思考，是粒子说和波动说的萌芽， 并不是一个系统的理论。 2、几何光学时代 古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国 较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。在《梦溪笔谈》中曾记 载的春秋虎鸟阳遂就是一个实例。阳燧，简单的来说，就是古代照日取火用 的曲率很大的凹面铜镜。 我们可以通过下面一段视频来了解下阳遂（阳燧视频资料）。 在西方世界，自《墨经》开始，也有很多人开始了对光的研究以及应用， 启发式教学 动画演示

比如：公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明了显微镜：一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。除此之外，欧几里德，托勒密和希隆等人也对光提出了自己的看法。欧几里德是古希腊著名的数学家，所著的《几何原理》对后世产生了巨大的影响。在光学领域，欧几里德利用几何学上严密的公理化体系建立了几何光学。他在《反射光学》一书中利用几何知识确定了光的直进性（即光的直线传播）和反射定律，叙述了入射角等于反射角，这是最早关于反射定律的描述。日心说的支持者托勒密在对天体的观测中，发现了光的折射现象，而且希隆利用光程最短证明了光的反射定律。但是，人们还没有从的光的本性层面来解释光的反射和折射现象。科学发展到了17世纪，法国著名的哲学家、物理学家、数学家、神学家笛卡尔（公元1596年一公元1650年）首次提出了对光本性的看法。德国物理学家波恩和美国物理学家沃耳夫在他们的《光学原理》一书的历史引言中说到：“在新哲学的创立者当中，笛卡尔可以提出来说一说，因为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光本性的见解。笛卡尔认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太）之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度旋转运动”。然而，笛卡尔对光的本性没有明确而统一的观点。一方面，他在他的著作《光的折射》中提出了一个比喻：光通过介质传入人眼，就像机械脉冲传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西传入眼晴使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用，认为光是以太介质中某种压力的传播过程，很明显具有波动说的思想。另一方面，笛卡尔运用解析几何的方法对光学进行了研究。笛卡尔将光的反射现象假设为小球和平滑表面发生碰撞的形式。如果把小球的速度分解为水平方向和竖直方向的速度，在碰撞过程中水平速度保持不变，而竖直方向只改变速度的方向不改变速度的大小，则很容易得出反射角等于入射角。利用相同的方法，笛卡尔对光的折射现象也进行了证明。虽然笛卡尔的折射定律得到了光从光疏介质到光密介质速度增大的错误结论，是不完善的，可这是人类对折射现象进行的首次尝试，其意义不容忽视。而因此，笛卡尔和斯涅耳共享了发现折射定律的荣耀。不难看出，笛卡尔对光的反射和折射的研究过程中用到的方法体现了明

比如：公元 11 世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜；公元 1590 年到 17 世纪初，詹森和李普希同时独立地发明了显微镜；一直到 17 世纪上半叶， 才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用 的反射定律和折射定律。 除此之外，欧几里德，托勒密和希隆等人也对光提出了自己的看法。 欧几里德是古希腊著名的数学家，所著的《几何原理》对后世产生了巨 大的影响。在光学领域，欧几里德利用几何学上严密的公理化体系建立了几 何光学。他在《反射光学》一书中利用几何知识确定了光的直进性（即光的 直线传播）和反射定律，叙述了入射角等于反射角，这是最早关于反射定律 的描述。 日心说的支持者托勒密在对天体的观测中，发现了光的折射现象，而且 希隆利用光程最短证明了光的反射定律。 但是，人们还没有从的光的本性层面来解释光的反射和折射现象。 科学发展到了 17 世纪，法国著名的哲学家、物理学家、数学家、神学 家笛卡尔（公元 1596 年—公元 1650 年）首次提出了对光本性的看法。 德国物理学家波恩和美国物理学家沃耳夫在他们的《光学原理》一书的 历史引言中说到：“在新哲学的创立者当中，笛卡尔可以提出来说一说，因 为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光本性的见解。笛卡尔认为， 光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太） 之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度旋转运 动”。 然而，笛卡尔对光的本性没有明确而统一的观点。 一方面，他在他的著作《光的折射》中提出了一个比喻：光通过介质传 入人眼，就像机械脉冲传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西 传入眼睛使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用， 认为光是以太介质中某种压力的传播过程，很明显具有波动说的思想。 另一方面，笛卡尔运用解析几何的方法对光学进行了研究。笛卡尔将光 的反射现象假设为小球和平滑表面发生碰撞的形式。如果把小球的速度分解 为水平方向和竖直方向的速度，在碰撞过程中水平速度保持不变，而竖直方 向只改变速度的方向不改变速度的大小，则很容易得出反射角等于入射角。 利用相同的方法，笛卡尔对光的折射现象也进行了证明。虽然笛卡尔的折射 定律得到了光从光疏介质到光密介质速度增大的错误结论，是不完善的，可 这是人类对折射现象进行的首次尝试，其意义不容忽视。而因此，笛卡尔和 斯涅耳共享了发现折射定律的荣耀。 不难看出，笛卡尔对光的反射和折射的研究过程中用到的方法体现了明

显的粒子性。虽然，在光学领域，笛卡尔有不可忽视的成就，可是最终在对光的本性研究当中，笛卡尔还是没有分辨清楚。3、真正的论战：波动说与粒子说笛卡尔之后，人们对光的认识逐渐明确，这种明确导致了人们分成两派，一派坚持粒子说，一派坚持波动说。两派展开了激烈的论战，互不相让。在论战的过程中，人们的才智被激发出来，提出了很多有见地的观点。首先，我们介绍下粒子说。粒子说的领军人物是经典物理学的奠基人牛顿。牛顿（公元1643年一公元1727年），爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》。早在剑桥大学高年级时，牛顿便通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“最美丽的十大物理实验”之一。接着，我们通过一段视频来了解下三棱镜实验（光的色散视频）牛顿还发现把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。下面，我们通过一段视频来简单了解下什么是牛顿环？（牛顿环视频）牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。牛顿基本上是主张粒子说的，之所以说牛顿基本上是因为牛顿曾试图把粒子说和波动说结合起来解释光的现象。牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。1672年，牛顿提出粒子说时，年仅30岁，牛顿争论时很小心，承认两种理论（即波动说和粒子说）各有优缺点。关于牛顿的粒子说，有两个问题值得我们深思：（1）第一个问题：牛顿的粒子说是在什么指导思想下提出来的？我觉得主要是基于光的直线传播和他的自然哲学思想。牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”：加上粒子说简单、直观、方便应用在几何光学中。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的

显的粒子性。 虽然，在光学领域，笛卡尔有不可忽视的成就，可是最终在对光的本性 研究当中，笛卡尔还是没有分辨清楚。 3、真正的论战：波动说与粒子说 笛卡尔之后，人们对光的认识逐渐明确，这种明确导致了人们分成两派， 一派坚持粒子说，一派坚持波动说。两派展开了激烈的论战，互不相让。在 论战的过程中，人们的才智被激发出来，提出了很多有见地的观点。 首先，我们介绍下粒子说。 粒子说的领军人物是经典物理学的奠基人牛顿。牛顿（公元 1643 年—公元 1727 年），爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的 “全才”，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》。 早在剑桥大学高年级时，牛顿便通过三棱镜实验研究太阳光的色散现 象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光谱 学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“最美丽的 十大物理实验”之一。 接着，我们通过一段视频来了解下三棱镜实验（光的色散视频） 牛顿还发现把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照 射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一 单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿 环。 下面，我们通过一段视频来简单了解下什么是牛顿环？（牛顿环视频） 牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒 流。牛顿基本上是主张粒子说的，之所以说牛顿基本上是因为牛顿曾试图把 粒子说和波动说结合起来解释光的现象。 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅 速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。 1672 年，牛顿提出粒子说时，年仅 30 岁，牛顿争论时很小心，承认两 种理论(即波动说和粒子说)各有优缺点。 关于牛顿的粒子说，有两个问题值得我们深思： （1）第一个问题：牛顿的粒子说是在什么指导思想下提出来的？ 我觉得主要是基于光的直线传播和他的自然哲学思想。牛顿在研究力学 时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”；加上粒子说 简单、直观、方便应用在几何光学中。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光 也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的

用粒子说可方便解释光的反射，但在解释光的折射时，他又用了力学机械的自然观。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速c，实际这是错误的。可见测量光在介质中的速度大小将是粒子说正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对此进行判断。（2）第二个问题：为什么光的粒子说能统治一百多年？我想，原因主要有两点：一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断粒子说是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得粒子说在一百多年内占统治地位。值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（比如干涉）纯粹用粒子说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将粒子说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。牛顿在《光学》一书中总结了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研究方法，他说：“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理。”牛顿的这些思想和研究方法很值得今天的我们学习。其次，我们来介绍下波动说。光的波动学说最初是英国物理学家胡克于1665年提出的，他认为光是一种充满空间的微粒“以太”的振动。可是由于当时关于波的一些基本概念如波长、周期、波速等物理量，还没有明确的提出。在这样的背景下胡克关于光的反射、折射以及衍射的解释有些牵强，不够准确。荷兰物理学家惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说。惠更斯所用的研究方法和胡克一样，也是类比的方法。惠更斯将光和声音类比，得出光是一种波的理论。他认为“光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。”他称这种波为以太波。惠更斯的成功之处是：

用粒子说可方便解释光的反射，但在解释光的折射时，他又用了力学机械的 自然观。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸 引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果， 合速度的方向向界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将 大于空气中的光速 c，实际这是错误的。 可见测量光在介质中的速度大小将是粒子说正确与否的“试金石”。可 惜当时没有实验能对此进行判断。 （2）第二个问题：为什么光的粒子说能统治一百多年？ 我想，原因主要有两点： 一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断粒子说是否正确，相 反波动说还存在不少缺陷。 另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影 响，使得粒子说在一百多年内占统治地位。 值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（比如干涉）纯 粹用粒子说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将粒子说与 以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。 牛顿在《光学》一书中总结了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研 究方法，他说：“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时 总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这样的分析方法包括做实 验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些 异议来自实验或者其他可靠的真理。” 牛顿的这些思想和研究方法很值得今天的我们学习。 其次，我们来介绍下波动说。 光的波动学说最初是英国物理学家胡克于 1665 年提出的，他认为光是 一种充满空间的微粒“以太”的振动。 可是由于当时关于波的一些基本概念如波长、周期、波速等物理量，还 没有明确的提出。在这样的背景下胡克关于光的反射、折射以及衍射的解释 有些牵强，不够准确。 荷兰物理学家惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播 的假说。惠更斯所用的研究方法和胡克一样，也是类比的方法。惠更斯将光 和声音类比，得出光是一种波的理论。他认为“光是发光体中微小粒子的振 动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。”他称这种 波为以太波。 惠更斯的成功之处是：

首先，他利用自己提出的子波和波面的概念很好地解释了光的传播方向，可由于没有认识到光波的周期性，所以对光的干涉和衍射现象的解释显得相当无力。其次，惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。需要大家注意的是：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对光的偏振现象就无法解释了。17世纪注定是属于牛顿的时代，牛顿所主张的粒子说形象、直观，很容易被人们接受了，可以说是牛顿成就了粒子说在17世纪的地位。由于波动说自身存在的缺陷，还有实验上准备的不够充分，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与粒子说抗衡。4、波动说的胜利19世纪，伴随着一系列重大的发现，波动说迎来了它的春天，其中包括托马斯杨的双缝干涉实验，菲涅尔通过定量计算确定的衍射条纹和在实验中观察到的泊松亮斑，这些发现都说明光可能是一种波。托马斯-杨（公元1773年-公元1829年）英国医生、物理学家，光的波动说的奠基人之一。1800年，他向皇家学会提出了《在声和光方面的实验和问题》的报告。在这篇报告中，托马斯-杨第一次提出了干涉的概念。他认为声和光都是波的传播。光是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动，由于以太极稀薄，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。在1801年发表的一篇报告中，托马斯-杨提出了光波的频率和波长的概念，提出了干涉原理并解释了牛顿环现象。他指出：同一束光的两部分，经不同的路径到达同一个地方，当两束光的路程差为某一个长度的整数倍时，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。为了验证这一原理，他提出了著名的托马斯杨双缝干涉实验。下面，我们通过一段视频来了解下托马斯-杨双缝干涉实验（托马斯-杨双缝干涉实验视频）同时，托马斯-杨指出牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相重合而产生干涉的结果：相位相反的振动加起来就互相抵消，相位相同的则互相加强。在《关于物理光学的实验和计算》的论文中，托马斯-杨把干涉原理应用于解释衍射现象，并用一个非常简单、非常直观的实验证明这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生。在《自然哲学讲义》中，他进一步阐述了干涉原理，描述了著名的衍射

首先，他利用自己提出的子波和波面的概念很好地解释了光的传播方 向，可由于没有认识到光波的周期性，所以对光的干涉和衍射现象的解释显 得相当无力。 其次，惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。 需要大家注意的是：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。 正由于被认为是纵波，所以对光的偏振现象就无法解释了。 17 世纪注定是属于牛顿的时代，牛顿所主张的粒子说形象、直观，很容 易被人们接受了，可以说是牛顿成就了粒子说在 17 世纪的地位。由于波动 说自身存在的缺陷，还有实验上准备的不够充分，加上“以太”是否存在还 是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与粒子说抗衡。 4、波动说的胜利 19 世纪，伴随着一系列重大的发现，波动说迎来了它的春天，其中包括 托马斯杨的双缝干涉实验，菲涅尔通过定量计算确定的衍射条纹和在实验中 观察到的泊松亮斑，这些发现都说明光可能是一种波。 托马斯-杨（公元 1773 年-公元 1829 年 ）英国医生、物理学家，光的 波动说的奠基人之一。 1800 年，他向皇家学会提出了《在声和光方面的实验和问题》的报告。 在这篇报告中，托马斯-杨第一次提出了干涉的概念。他认为声和光都是波 的传播。光是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动，由于以太极稀 薄，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。 在 1801 年发表的一篇报告中，托马斯-杨提出了光波的频率和波长的概念， 提出了干涉原理并解释了牛顿环现象。他指出：同一束光的两部分，经不同 的路径到达同一个地方，当两束光的路程差为某一个长度的整数倍时，光就 增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这 个长度是不同的。 为了验证这一原理，他提出了著名的托马斯-杨双缝干涉实验。 下面，我们通过一段视频来了解下托马斯-杨双缝干涉实验（托马斯-杨 双缝干涉实验视频） 同时，托马斯-杨指出牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光 互相重合而产生干涉的结果：相位相反的振动加起来就互相抵消，相位相同 的则互相加强。 在《关于物理光学的实验和计算》的论文中，托马斯-杨把干涉原理应 用于解释衍射现象，并用一个非常简单、非常直观的实验证明这种衍射条纹 是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生。 在《自然哲学讲义》中，他进一步阐述了干涉原理，描述了著名的衍射

实验。他首先指出干涉现象是波动的普遍特征；接着，他提出了光的干涉现象产生的条件以及获得相干光的方法。托马斯一杨完满地解释了光的干涉现象，提出了干涉原理，并且测定了光的波长，对光的波动理论作出了重大贡献。但是，他的见解大部分都是定性的，没有数学分析，而且由于他认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点，没有立即得到科学界的普遍承认。直到菲涅尔提出他的波动理论后，托马斯-杨才获得应有的荣誉。1815年，法国物理学家菲涅尔（公元1788年-公元1827年）向法国科学院提交了光的衍射的第一份研究报告。根据惠更斯子波的建设，菲涅尔以子波相干叠加的思想补充了惠更斯原理，发展成为惠更斯一菲涅尔原理。他认为在各子波的包络面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。菲涅尔的波动理论引起了粒子说支持者的恐慌，其中以泊松最为显著。泊松利用菲涅尔的波动理论计算出在不透明的圆盘后会有一个亮斑，这是人们无法想象的。可菲涅尔在法国物理学家阿拉果的帮助下，在试验中观察到了这个亮斑。本来是为了驳倒波动理论，可到头来却成了波动理论的有力证据。后来，人们把这个亮斑称为“泊松亮斑”。除此之外，19世纪，还有两件重要的事情，第一件是菲涅尔和托马斯一杨在光的偏振现象中证明光是一种横波。菲涅尔还以横向振动的假设解释了偏振光的干涉现象，得出了一序列其他重要结论。接下来，让我们看下散射光的偏振现象视频，了解一下什么叫偏振？（散射光的偏振视频）另一件是麦克斯韦计算出电磁波的传播速度和光速相同，从而确定了光的电磁本质。1865年，麦克斯韦发表了一篇著名的论文《电磁场的动力理论》。在这篇文章中，他提出了完整的电磁场方程组，从方程组推出了电场强度E和磁感应强度B的波动方程。方程表明电磁场以波动形式传播，两者相互垂直并都垂直于传播方向的电场和磁场构成了统一的电磁场，它们以横波的形式在空间传播，形成电磁波，并求出电磁波的传播速度恰好等于由实验测定的光速。隔年，即1886年10月，德国物理学家赫兹证实了电磁波的存在。光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出了光和电磁现象的一致性，并且再一次证明了自然现象存在着相互联系这一辩证唯物论的基本原理，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。当时的人们欢呼雀跃，大家都认为人类终于抓住了光的本性：光是一种波动，并且这种光波还是横向振动的，粒子论可以退出历史的舞台了。然而历史证明，这次我们又错了

实验。他首先指出干涉现象是波动的普遍特征；接着，他提出了光的干涉现 象产生的条件以及获得相干光的方法。 托马斯-杨完满地解释了光的干涉现象，提出了干涉原理，并且测定了 光的波长，对光的波动理论作出了重大贡献。但是，他的见解大部分都是定 性的，没有数学分析，而且由于他认为光是纵波，这给他的理论带来了很大 的弱点，没有立即得到科学界的普遍承认。直到菲涅尔提出他的波动理论后， 托马斯-杨才获得应有的荣誉。 1815 年，法国物理学家菲涅尔（公元 1788 年-公元 1827 年 ）向法国科 学院提交了光的衍射的第一份研究报告。根据惠更斯子波的建设，菲涅尔以 子波相干叠加的思想补充了惠更斯原理，发展成为惠更斯—菲涅尔原理。他 认为在各子波的包络面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强 度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。 菲涅尔的波动理论引起了粒子说支持者的恐慌，其中以泊松最为显著。 泊松利用菲涅尔的波动理论计算出在不透明的圆盘后会有一个亮斑，这是人 们无法想象的。可菲涅尔在法国物理学家阿拉果的帮助下，在试验中观察到 了这个亮斑。本来是为了驳倒波动理论，可到头来却成了波动理论的有力证 据。后来，人们把这个亮斑称为“泊松亮斑”。 除此之外，19 世纪，还有两件重要的事情，第一件是菲涅尔和托马斯- 杨在光的偏振现象中证明光是一种横波。菲涅尔还以横向振动的假设解释了 偏振光的干涉现象，得出了一序列其他重要结论。 接下来，让我们看下散射光的偏振现象视频，了解一下什么叫偏振？（散 射光的偏振视频） 另一件是麦克斯韦计算出电磁波的传播速度和光速相同，从而确定了光 的电磁本质。1865 年，麦克斯韦发表了一篇著名的论文《电磁场的动力理论》。 在这篇文章中，他提出了完整的电磁场方程组，从方程组推出了电场强度 E 和磁感应强度 B 的波动方程。方程表明电磁场以波动形式传播，两者相互垂 直并都垂直于传播方向的电场和磁场构成了统一的电磁场，它们以横波的形 式在空间传播，形成电磁波，并求出电磁波的传播速度恰好等于由实验测定 的光速。隔年，即 1886 年 10 月，德国物理学家赫兹证实了电磁波的存在。 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出了光和电磁 现象的一致性，并且再一次证明了自然现象存在着相互联系这一辩证唯物论 的基本原理，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。 当时的人们欢呼雀跃，大家都认为人类终于抓住了光的本性：光是一种 波动，并且这种光波还是横向振动的，粒子论可以退出历史的舞台了。然而 历史证明，这次我们又错了

5、爱因斯坦光量子假设和波粒二象性的辩证统一19世纪末期到20世纪初，光学的研究深入到了光的发生、光和物质相互作用的微观结构中，在解释近代物理现象时，近代物理学先锋爱因斯坦提出了光量子假设。1887年，德国物理学家赫兹在研究电磁波的实验中，意外发现了光电效应现象，这一现象引起了很多人的关注。光电效应中的几个现象给经典物理学带来了麻烦，也给光的波动理论带来了麻烦。接下来，我们先看一段光电效应现象的视频。（光电效应现象的视频）从上面的视频当中，我们了解到光电效应带来的麻烦主要有三点：第一点，存在遇（e）制电压和截止频率；第二点，光照到金属表面，光电流立即产生；第三点，光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。这三点按照经典的电磁理论是完全不能解释的，因为按照经典的电磁理论，（1）只要入射光强足够大，对于任何频率的光，光电效应都会发生，不应存在截止频率：（2）入射光的能量是连续传来的，电子要逸出金属表面，能量必须积累到一定值（也就是所谓的逸出功），这需要一定的时间，入射光强越弱，能量积累的时间越长：（3）光强愈大，受迫振动的振幅愈大，逸出的光电子的初动能就应愈大，初动能应取决于入射光强。当普朗克还在寻找他的能量子的经典根源时，爱因斯坦在普朗克能量子概念基础上，再大胆地前进了一步，他放弃了传统的光是连续的波动的概念在1905年提出了光量子假设，并指出光量子和电子碰撞并被电子吸收从而导致电子的逸出。在《光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，爱因斯坦指出：“按通常的想法，光的能量是连续地分布于光传播所经过的空间，当人们试图解释光电现象时，这种想法遇到了极大的困难”。为此，他进一步假定光的能量也是量子化的，是由“能量子所组成”，且“每个能量子将它的能量转移给电子，与所有其它的量子无关，那么电子的速度分布，将与入射光的强度无关。”爱因斯坦提出“光量子”假定是受到了普朗克的“量子化”概念以及牛顿“微粒说”的启发。他继承和发展了普朗克和牛顿的科学思想。在《物理学的进化》一书中，爱因斯坦明确提出了他的科学思想。他指出：“光量子的观念是在本世纪初普朗克为了解释某一比光电效应复杂得多的现象而首先提出的。但是光电效应极其简单而清楚地指出了改变我们旧概念的必要性。”接着他又指出：“为了得到牛顿理论的基本观念，我们必须假设：单色光是由单一粒子组成的，并用光量子来代替旧的光微粒。光量子以光速在空

5、爱因斯坦光量子假设和波粒二象性的辩证统一 19 世纪末期到 20 世纪初，光学的研究深入到了光的发生、光和物质相 互作用的微观结构中，在解释近代物理现象时，近代物理学先锋爱因斯坦提 出了光量子假设。 1887 年，德国物理学家赫兹在研究电磁波的实验中，意外发现了光电效 应现象，这一现象引起了很多人的关注。光电效应中的几个现象给经典物理 学带来了麻烦，也给光的波动理论带来了麻烦。 接下来，我们先看一段光电效应现象的视频。（光电效应现象的视频） 从上面的视频当中，我们了解到光电效应带来的麻烦主要有三点：第一 点，存在遏（e）制电压和截止频率；第二点，光照到金属表面，光电流立 即产生；第三点，光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。 这三点按照经典的电磁理论是完全不能解释的，因为按照经典的电磁理 论，（1）只要入射光强足够大，对于任何频率的光，光电效应都会发生，不 应存在截止频率；（2）入射光的能量是连续传来的，电子要逸出金属表面， 能量必须积累到一定值（也就是所谓的逸出功），这需要一定的时间，入射 光强越弱，能量积累的时间越长；（3）光强愈大，受迫振动的振幅愈大，逸 出的光电子的初动能就应愈大，初动能应取决于入射光强。 当普朗克还在寻找他的能量子的经典根源时，爱因斯坦在普朗克能量子 概念基础上，再大胆地前进了一步，他放弃了传统的光是连续的波动的概念， 在 1905 年提出了光量子假设，并指出光量子和电子碰撞并被电子吸收从而 导致电子的逸出。 在《光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，爱因斯坦指出：“按 通常的想法，光的能量是连续地分布于光传播所经过的空间，当人们试图解 释光电现象时，这种想法遇到了极大的困难”。 为此，他进一步假定光的能量也是量子化的，是由“能量子所组成”， 且“每个能量子将它的能量转移给电子，与所有其它的量子无关，那么电子 的速度分布，将与入射光的强度无关。” 爱因斯坦提出“光量子”假定是受到了普朗克的“量子化”概念以及牛 顿“微粒说”的启发。他继承和发展了普朗克和牛顿的科学思想。 在《物理学的进化》一书中，爱因斯坦明确提出了他的科学思想。他指 出：“光量子的观念是在本世纪初普朗克为了解释某一比光电效应复杂得多 的现象而首先提出的。但是光电效应极其简单而清楚地指出了改变我们旧概 念的必要性。” 接着他又指出：“为了得到牛顿理论的基本观念，我们必须假设：单色 光是由单一粒子组成的，并用光量子来代替旧的光微粒。光量子以光速在空

中穿过，它是能量的最小单元。我们把这些光量子叫做光子。牛顿理论在这个新的形式下复活，就得出光的量子论。不但物质与电荷有微粒结构，辐射能也有微粒结构，就是说，它是由光量子组成的。”爱因斯坦利用他所提出的光电效应方程成功的解释了光电效应，并指出了光具有波粒二象性。然而，爱因斯坦的“光量子”假设一开始便遭到冷遇和怀疑，其原因主要有两点：（1）光子的概念与人们原来对光的认识相差太大：（2）由光电方程可得截止电压与入射光频率成正比。但当时的实验还不够精确，此式并没有得到很好的验证。所以“光量子”假设不被科学界所接受。普朗克认为“他可能在他的思索中失去目标”。当时的科学家还是试图用经典波动理论来解释光电效应实验。直到1914年，才由美国物理学家密立根全面验证了光电效应方程的正确性：即截止电压与入射光频率成正比，并第一次直接从实验中测定了普朗克常数。1921年和1923年，爱因斯坦和密立根先后获得诺贝尔物理学奖。很有意思的是，在1923年的领奖演说中，密立根公开承认自已曾长期对爱因斯坦的“光量子”观点和光电效应方程抱怀疑态度。他在演说中说道：“与我自已预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数。”从这件事情，不难看出，密立根精神：即是尊重事实，而不是尊重权威，不被传统观念束缚，有勇气否定自己。这些精神很值得我们学习。任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。1923年美国物理学家康普顿证明了X射线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性的又一个独立的关键性实验。接下来，我们先看一段康普顿效应的视频。（康普顿效应的视频）。康普顿接受爱因斯坦的光量子建设的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量，而且具有动量。他成功了解释了康普顿效应，理论与实验完全符合。因此，康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的粒子性，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了光子的能量。而在解释康普顿效应时，不仅考虑了光子的能量，还考虑了光子的动量。所以康普顿散射实验为爱因斯坦的光量子假设提供了更完全的依据，在这以后，怀疑“光量子”说的人就非常少了。康普顿因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。光电效应以及康普顿效应实验的成功解释，都意味看粒子说的复苏

中穿过，它是能量的最小单元。我们把这些光量子叫做光子。牛顿理论在这 个新的形式下复活，就得出光的量子论。不但物质与电荷有微粒结构，辐射 能也有微粒结构，就是说，它是由光量子组成的。” 爱因斯坦利用他所提出的光电效应方程成功的解释了光电效应，并指出 了光具有波粒二象性。 然而，爱因斯坦的“光量子”假设一开始便遭到冷遇和怀疑，其原因主 要有两点：（1）光子的概念与人们原来对光的认识相差太大；（2）由光电方 程可得截止电压与入射光频率成正比。但当时的实验还不够精确，此式并没 有得到很好的验证。所以“光量子”假设不被科学界所接受。 普朗克认为 “他可能在他的思索中失去目标”。当时的科学家还是试图用经典波动理论 来解释光电效应实验。 直到 1914 年，才由美国物理学家密立根全面验证了光电效应方程的正 确性：即截止电压与入射光频率成正比，并第一次直接从实验中测定了普朗 克常数。 1921 年和 1923 年，爱因斯坦和密立根先后获得诺贝尔物理学奖。 很有意思的是，在 1923 年的领奖演说中，密立根公开承认自己曾长期 对爱因斯坦的“光量子”观点和光电效应方程抱怀疑态度。他在演说中说道： “与我自己预料的相反，这项工作终于在 1914 年成了爱因斯坦方程在很小 实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效 应测定普朗克常数。” 从这件事情，不难看出，密立根精神：即是尊重事实，而不是尊重权威， 不被传统观念束缚，有勇气否定自己。这些精神很值得我们学习。 任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。1923 年美 国物理学家康普顿证明了 X 射线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性 的又一个独立的关键性实验。 接下来，我们先看一段康普顿效应的视频。（康普顿效应的视频）。 康普顿接受爱因斯坦的光量子建设的观点，认为 X 射线的光子好比一个 个小刚球，每一个不但有能量，而且具有动量。他成功了解释了康普顿效应， 理论与实验完全符合。因此，康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐 射的粒子性，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了光子的能量。而在解 释康普顿效应时，不仅考虑了光子的能量，还考虑了光子的动量。所以康普 顿散射实验为爱因斯坦的光量子假设提供了更完全的依据，在这以后，怀疑 “光量子”说的人就非常少了。 康普顿因此获得 1927 年的诺贝尔物理学奖。 光电效应以及康普顿效应实验的成功解释，都意味着粒子说的复苏