第六講認識光和電演示文稿現在是1頁\一共有55頁\編輯于星期一優選第六講認識光和電現在是2頁\一共有55頁\編輯于星期一主要內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”

簡介電磁學實驗規律與理論的建立簡介波粒二象性簡介激光現在是3頁\一共有55頁\編輯于星期一牛頓對光的顏色理論有什么貢獻？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？最基本的電磁規律有哪些？什么實驗啟發麥克斯韋推測光波就是電磁波?

思考題現在是4頁\一共有55頁\編輯于星期一生活在1600年前后的英國哲學家培根有一句名言：“知識就是力量”。他在“新大西島”一書中，假想了一個科學技術高度發達的理想王國，該王國由居住在“所羅門宮”的一批科學家管理。

1光的微粒說壓倒波動說培根現在是5頁\一共有55頁\編輯于星期一幾十年后，英國學者們就模仿“所羅門宮”自發成立了一個“無形學院”，它完全是一個民間組織，學者們定期舉行聚會，進行科學交流和探討。1663年，“無形學院”被英王查理二世正式承認，成為英國“皇家學會”。皇家學會現在是6頁\一共有55頁\編輯于星期一胡克以發現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中傳播的“振動”，類似于水波。光類似水波現在是7頁\一共有55頁\編輯于星期一

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

微粒說現在是8頁\一共有55頁\編輯于星期一牛頓的微粒說能夠解釋光的直線傳播、反射、折射等現象。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、棱鏡和光學儀器的研究，探討了光的色散現象。光的色散現在是9頁\一共有55頁\編輯于星期一重大的轉折發生在1801年，那一年托馬斯?楊完成了光的雙縫干涉實驗，干涉現象是微粒說無論如何無法解釋的，波動說終于戰勝了微粒說。

2光的波動說戰勝微粒說托馬斯楊現在是10頁\一共有55頁\編輯于星期一

托馬斯·楊先當醫生，研究視覺，發現了眼睛散光的原因，轉而研究光學，完成了光的雙縫干涉實驗。他認識到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。楊氏雙縫實驗現在是11頁\一共有55頁\編輯于星期一由于牛頓在學術界的崇高威望，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，但它們必須產生自同一個光源。

楊氏雙縫實驗現在是12頁\一共有55頁\編輯于星期一后來的研究表明，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。楊氏雙縫實驗現在是13頁\一共有55頁\編輯于星期一與此同時，法國物理學家菲涅爾也獨立地對光的波動說做出了貢獻。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獄。他靠著自己的刻苦努力走進了科學的殿堂。波粒二相性現在是14頁\一共有55頁\編輯于星期一泊松用菲涅爾理論計算了當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果：當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一個明顯的亮點。這怎么可能呢？泊松武斷地認為：這一“荒謬”結果說明菲涅爾的波動理論完全錯誤。現在是15頁\一共有55頁\編輯于星期一阿拉果決定做實驗檢驗一下，結果暗影的中心真的出現了亮點，菲涅爾理論完全正確！這一成就震驚了學術界。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。泊松亮斑現在是16頁\一共有55頁\編輯于星期一在惠更斯時代，有一位叫羅默的人通過對木星衛星的觀測，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，但畢竟數量級正確。

3光速的測定與約定羅默現在是17頁\一共有55頁\編輯于星期一羅默是通過木衛（木星衛星）被木星遮擋而出現的衛星蝕現象來估算光速的。他首先注意到不同日期觀測到的木衛蝕現象，存在時間差，他認為這是由于不同日期地球在公轉軌道上的位置不同，造成到木星的距離不同，只要光速不是無限大，這一距離差就將導致光從木星傳播到地球的時間產生一個差值。羅默測定光速方法現在是18頁\一共有55頁\編輯于星期一羅默認為，觀測木衛蝕現象的時間差，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。他經過仔細計算，預言即將發生的一次木衛蝕現象會推遲10分鐘。木星衛星現在是19頁\一共有55頁\編輯于星期一在科學史上邁克耳孫以實驗精密而著稱。他采用旋轉棱鏡法測光速，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值。目前國際上公認的光速值是1973年測定的，為2.99792458ⅹ108

米/秒。現在是20頁\一共有55頁\編輯于星期一1983年國際科技數據委員會又反過來用真空中的光速定義距離，規定光在秒內走過的距離為1米。1986年又規定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。

光速現在是21頁\一共有55頁\編輯于星期一人類對電和磁的認識可以追溯到2千多年前。古代的中國人和希臘人早就知道靜電現象,知道磁石的吸引和排斥現象。中國發明的指南針就是一個證明。然而,對電和磁進行科學、系統的研究,則是在文藝復興開始之后。

4法拉第與電磁感應指南針現在是22頁\一共有55頁\編輯于星期一1600年前后,英國醫生吉爾伯特對磁和電作了初步的科學研究,他指出任何磁體都同時存在兩極,沒有單磁極存在。他發現了鐵的磁化現象。吉爾伯特還正確地指明,地球是一個大磁體。現在是23頁\一共有55頁\編輯于星期一他研究了摩擦起電現象,發明了第一個驗電器。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。琥珀現在是24頁\一共有55頁\編輯于星期一對電磁學貢獻最大的人當數英國的法拉第。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校。他12歲開始在街上賣報,送報,13歲到一家書店作裝訂學徒工。

現在是25頁\一共有55頁\編輯于星期一法拉第特別喜歡閱讀自然科學方面的書籍,從不放過任何一本經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,書籍就是他最好的學校,正是這段時間的勤奮閱讀,使他走上了成才之路。法拉第現在是26頁\一共有55頁\編輯于星期一有一天,法拉第在大街上看到舉辦“自然科學講座”的公告,非常興奮,在一年多的時間內,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”。現在是27頁\一共有55頁\編輯于星期一戴維教授是當時最有魅力的科學家,也是將科學傳播給大眾的首創者。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。現在是28頁\一共有55頁\編輯于星期一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,從此下決心獻身于科學。的確,他沒有進過中學和大學,甚至小學都沒有上完。他也沒有錢,只是一個下等階層的釘書匠。但是他有才華,有對科學執著的愛,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的大門。法拉第現在是29頁\一共有55頁\編輯于星期一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,讓他充當自己的助手。現在是30頁\一共有55頁\編輯于星期一在皇家學院,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。

現在是31頁\一共有55頁\編輯于星期一1813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者,參觀了不少知名的實驗室,使法拉第眼界大開。現在是32頁\一共有55頁\編輯于星期一1831年,在實驗屢遭挫折之后,法拉第終于取得了重大突破,發現了電磁感應現象,制造出世界上第一臺“發電機”。當時人們還認識不到這一發現的劃時代意義。法拉第在皇家學會報告自己的發現時,居然有人問道,這一發現有什么用?法拉第反問他：新生的嬰兒有什么用?發電機現在是33頁\一共有55頁\編輯于星期一此后,法拉第又發現了電解定律,自感現象,磁光效應,物質的抗磁性等等。他還提出了電力線和磁力線的理論，正是這一理論引導麥克斯韋建立起電磁場論的大廈。現在是34頁\一共有55頁\編輯于星期一毫無疑問法拉第是那個時代最偉大的物理學家,他的老師戴維說：“我一生中最重要的發現,就是發現了法拉第”。現在是35頁\一共有55頁\編輯于星期一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。

法拉第現在是36頁\一共有55頁\編輯于星期一在法拉第發現電磁感應定律的1831年,另一位偉大的物理學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、發明家。他是兒子的科學啟蒙導師,對兒子的一生產生了很大影響。

5麥克斯韋與電磁理論麥克斯韋方程現在是37頁\一共有55頁\編輯于星期一上中學時,班里的同學都看不起固執而孤僻的麥克斯韋,給他起了個綽號叫“傻瓜”,使他非常惱火。三年后,在一場數學和詩歌比賽中,麥克斯韋一舉奪得兩項第一,大大出乎同學們的意外,從此再沒有人敢歧視他了。現在是38頁\一共有55頁\編輯于星期一麥克斯韋19歲進入劍橋大學學習。這是一所不斷涌現科學明星的大學,牛頓和達爾文都畢業于此。在這里,麥克斯韋選擇物理學作為自己終生奮斗的領域。他很快就在數學上顯示出極高的才華,畢業后留校工作,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說作為自己的主攻方向。現在是39頁\一共有55頁\編輯于星期一經過幾年的努力,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現在是40頁\一共有55頁\編輯于星期一麥克斯韋則據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。現在是41頁\一共有55頁\編輯于星期一現在是42頁\一共有55頁\編輯于星期一麥克斯韋電磁方程組,是所有電磁學定律的簡明優美的總結,是整個電磁學和光學的基礎。因此，人們長期主要用麥克斯韋方程組來描述電磁規律。麥克斯韋方程現在是43頁\一共有55頁\編輯于星期一有趣的是，麥克斯韋電磁理論當年是運用介質的彈性學說導出的。麥克斯韋從介質“分子蝸旋”形變導致的彈性性質得出了電磁方程組。他把“電力”歸結為分子蝸旋形變的彈性勢能，磁力歸結為轉動動能。

現在是44頁\一共有55頁\編輯于星期一法拉第和麥克斯韋等人創立的電磁理論,導致了發電機、電動機、電燈和電子技術的出現,人類文明從此進入了電磁時代。現在是45頁\一共有55頁\編輯于星期一麥克斯韋電磁理論不僅是電磁學的理論基礎，而且是光學的理論基礎。在麥克斯韋理論的基礎上，波動光學取得了長足的進展。整個19世紀，光的波動理論都占據著統治地位，牛頓的微粒說幾乎已被學術界淡忘。然而，1900年，新世紀降臨之際，一次偉大的變革出現了。

6波粒二相性現在是46頁\一共有55頁\編輯于星期一當時人們已經知道，熱輻射和光輻射本質上都是電磁波，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，德國物理學家普朗克提出了量子說（詳見第7章）。這一理論認為，原子在吸收或發射熱輻射（電磁波）時，能量不是連續的而是一份一份的。普朗克現在是47頁\一共有55頁\編輯于星期一愛因斯坦進一步提出光量子說，認為熱輻射和光輻射（即電磁波）不僅在原子吸收和發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活了。現在是48頁\一共有55頁\編輯于星期一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，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得