光本性的认识
关于光的本性的争论
关于光的本性的争论关于光的本性的探索可追溯到古希腊时代，毕达哥拉斯学派和原子论派认为光是物体所发出的粒子，亚里士多德则认为光是透明介质中的运动和变化，这些都可认为是微粒说和波动说的萌芽。
近代微粒说由笛卡儿首先提出的，他认为光由大量的微小弹性粒子所组成，并用此假说解释了光的反射和折射。
意大利物理学家格里马第（Francesco Maria Grirnaldi，1618～1663）首先从实验上观察到光的衍射现象，这是光的波动学说的佐证。
牛顿的分光实验以及牛顿环的发现使他意识到，光本质上是运动的微粒，他不能正确地解释由他自己做出的伟大发现。
与牛顿同时代的胡克和惠更斯主张光是一种波动，由此展开了近两个世纪的光的本性之争。
1、牛顿倡导的光的微粒说在自然界里，光是人们日常生活中最熟悉的一种现象，光能使世界上一切物体呈现出它们的形状和颜色我们赖以生存的氧气和食物的产生，也是以植物的光合作用为基础的。
总之，人类的生活离不开光。
多少世纪以来，科学家们为探索光的本性作了大量的实验，提出了许多理论，但是至今还没有能得出最终的、根本性的回答。
究竟光是什么？即关于光的本性这个问题的认识，在不同的历史发展阶段，是不断变化着的，甚至在同一历史时期，也存在两种截然相反的观点。
十七世纪，为了解释这些基本规律，形成了两大学派：一派是以牛顿为代表的“微粒说”，另一派是由胡克、惠更斯为代表所倡议的“波动说”。
1664―1668年，牛顿独立地对色和色散进行了实验研究，1669―1671年间，在剑桥大学授课时阐述了他的研究结果：他让太阳光通过一块三角棱镜，经棱镜射出的光束是一条按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序排列的彩色光带。
这种光带就称为“光谱”。
白光就是由这几种光混合而成的。
为了解释这些光学现象，牛顿提出了光的微粒说；他认为：光是由弹性微粒流组成，由光源发出，以高速作直线运动。
牛顿以此为论据，阐明了光沿直线传播的性质及反射定律，也解释了光的折射现象。
对光本性的认识
对光本性的认识摘要本文从人们对光的本性的认识为核心进行展开的，首先对历史上争辩已久的光的关于光的本性的两种学说—波动说和微粒说进行了研究和探讨，在此基础上，重点介绍了光的波粒二象性。
关键词本性；学说；波动性；粒子性0 引言光学是物理学中较古老的一门基础学科，又是当前物理学领域最活跃的前沿之一然而光学也是经过一场场磨难和斗争才发展起来的，其历史被当作自然科学发展史的典范，对光本性认识的争论是光学发展主要动力之一光的本性是什么对这个问题人们自古就有不同的认识，形成了一场关于光的本性的激烈的争论，即微粒说和波动说之争。
1 光本性的两种学说之争关于光本性的两种学说—微粒说合波动说。
其中微粒说的代表人物是牛顿，而波动说则以胡克和惠更斯为代表，牛顿在向皇家学会提交的一封信中，首次提出了自己对光的物质见解，指出“光线可能是球形的物体” 即光的微粒说，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。
并用这种观点解释了光的直线传播，光的反射和折射。
牛顿的论点遭到胡克等人反对并引起争论。
胡克主张光是一种振动，而且是短促的。
他举出金刚石受摩擦或打击时在暗中会发光来说明他的论点，同时认为在均匀媒质中，振动在各个方向以相等的速度因此发光体的每次振动都将形成一个球面，球面在不断扩大，就像石块落水激起的环波越来越大一样。
这就是较早提出的光的波动性的概念。
惠更斯则在其基础上没有能继续研究下去，即没有从理论上弄清楚振荡电流作为振源，是怎样把电磁振荡传播出去的这样。
惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。
注意：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“偏振”现象就无法解释了，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，所以难以与微粒所抗衡。
开尔文又错过了发现电磁波的契机开尔文曾两次走到电磁理论的大门，但都因其少年早慧带来的弱点徘徊而去，错失发现电磁理论的良机，使其与电磁理论的发现者这一称号无缘。
第十二单元第一讲、光的本性
第十二章、光的本性【知识要点回顾】一、对光的本性的认识1、光的微粒说__________主张微粒说,认为光是一种从光源发出的物质微粒(粒子)，它能解释__________和__________现象，它不能解释__________和_________现象2、光的波动说__________主张波动说，认为光是某种波，它能解释__________和__________现象，它不能解释__________和__________现象3、光的电磁说__________预言了电磁波的存在并提出光在本质上是一种电磁波，在真空中的速度为V=__________m/s，__________用实验证实了电磁波的存在同时证明了光的电磁说的正确性．直到19世纪末又发现了电磁说不能解释的__________现象4、光子说__________提出光在空间的传播是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个__________，其能量与它的频率成正比，即E＝__________.光子说能很好地解释__________现象。
5、光的波粒二象性科学家通过实验发现光具有干涉和衍射两种波特有的现象，说明光具有__________性。
但19世纪末发现了用经典的电磁波理论无法解释的__________现象，证实了光具有__________性。
因此人们认为光具有__________性,个别光子表现为__________性;大量光子表现为__________性.6、物质波在爱因斯坦光子说的启发下，法国物理学家__________提出了物质微粒的波动说，认为电子、质子、中字等实物粒子具有波动性，人们把这种波叫做__________或__________二、光的干涉和衍射1．光的干涉(1)定义：两列光波相遇时互相叠加，在某些地方光被加强而某些地方__________的现象。
(2)干涉条件：________________________________________。
人类对光本性的认识
人类对光本性的认识
人类对光本性的认识，始于古希腊的有关光的思考。
他们认为光是航行太空中的一种能量。
后来苏格拉底等哲学家就光的性质建立了一套理论，并指出光会呈折射现象，这个命题在科学史上被认为是重要的一点。
由此，古希腊以及古罗马文化就给予了我们关于光本质的一些观点——光穿透空气，以弹射方式传播。
后来，16世纪的科学家对色彩的研究也对我们对光本质的认识有帮助。
红、黄和蓝为混合色，立马把光的三种波长特性提及出来，这是人类对于光的一个重要发展。
科学发展非常迅速，20世纪以来，主要由物理学家和光学家，以及电子技术的发展，加之现代的计算机技术的应用，现代的光学理论也在不断推进。
现代理论证明，光具有粒子和波之性质，是电磁波的特殊形式，在物理活动中发挥着重要作用。
因此，光已经成为科学研究中的重要内容之一。
许多领域，如激光、通信、精密测量等都建立在日益深入的人类对光本性的认识之上。
人类对光本性的认识
人类对光本性的认识摘要：光给我们带来了五彩世界的美丽，“光的本性是什么？”一直以来人们对此曾有过各种猜测和争论。
从人们最初认为的光是一种“很小的微粒”，到光是一种电磁波，最后到人们对光的认识既具有粒子性又具有波动性，经历了几个世纪的争论。
本文将重温历史上那些物理学家的经典实验，结合理论公式推导，带你走进“光的世界”！关键词：光的粒子性、光的波动性、波粒二象性1、前言：光到底是什么？17世纪，牛顿认为光是一股微粒流，沿直线传播，由此形成了几何光学，他以光的折射、反射定律为基础，研究光的直线传播和成像的规律。
由于当时的实验条件和牛顿的威信，人们普遍接承认“光的微粒学说”。
可是到了19世纪初人们观测到了许多光的干涉、衍射、和偏振现象，这些事实不禁让人们对光产生了新的认识……2、第一部分：光的波动性1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地实现了光的干涉实验，首次有力地证明了光是一种波动。
下面介绍一下这个有名的杨氏双缝干涉实验。
实验装置如图所示：为什么我们会观察到屏上的干涉条纹？下面我对屏上的条纹位置作定量分析：S为线光源，其后是一个遮光屏，其上有两条与S平行的狭缝S1、S2，且与S等距离，因此S1、S2是相干光源，且相位相同；S1、S2之间的距离是d ，到屏的距离是D。
P为屏上任意一点，P到S1、S2的距离分别为r1、r2，在屏上取坐标轴O x，向上为正，坐标原点位于关于双缝的对称中心。
P到屏中心O点的距离为x，在D>>d、x，则从S1和S2发出的相干光到达P点的光程差为δ=r2+r1由图可见r12 =D2+(x−d2)2 ,r22 =D2+(x+d2)2两式相减，得r22−r12=2dx由于D>>d、x，所以r2+r1≈2D,由此得δ=dxD故当光程差为半波长的偶数倍时，相位差就是π的偶数倍，两束光相干加强，P点为明纹；而当光程差为半波长的奇数倍时，相位差就为π的奇数倍，两束光相干减弱，P点为暗纹。
人类对光和光的本性的认识PPT教学课件
❖ 由于激光的出现，光学的重要发展之一，是 将数学中的付里叶（法国人，1768－1830） 变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形 成了一个新的光学分支——付里叶光学。
❖ 在激光器出现一年以后，非线性光学（也称 强光学）作为光学的一个分支也发展起来了。
二、人类对光的本性的认识
❖ 关于光的本性究竟是什么？人类进行了 大约三百年的争论，其间有各种不同的 学派，但总的来说不外乎粒子说和波动 说两种。这两种学说在不同时期各自占 据着统治地位，随着认识的发展，人们 对粒子和波的概念的看法也有所发展。 最后当爱因斯坦和德布罗意提出波粒二 象性后，争论才告一段落。
1924年德布罗意法国人1892一创立了物质波学说他大胆地设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系二十世纪五十年代以来尤其是在激光问世以后光学和许多科学技术领域紧密结合相互渗透派生了不少崭新的分支学科因此光学开始了一个新的发展时期成为现代物理学和现代科学技术的前沿阵地之一在激光器诞生以后为摄影术向前发展提供了可能因此出现了全息摄影术
普朗克公式
❖ 在1900年，普朗克（德国人，1858— 1947）大胆地提出了能量子假说，认为 各种频率的电磁波只能从一定的能量子 方式从振子发射，能量子是不连续的， 它的值是光的频率和普朗克常数的乘积 的整数倍，它和实验结果完全符合。不 仅如此，量子论还以全新的方式提出了 光与物质相互作用的整个问题。它不但 给光学而且给整个物理学提供了新的概 念，因此，它的诞生被看作近代物理学 的起点。
毕业设计(论文)-对光的本性认识的剖析
目录摘要 (I)Abstract (II)第1章引言 (1)1.1人类对光的本性的认识过程 (1)1.2光的波粒二象性 (3)1.2.1光的粒子性 31.2.2 光的波粒二象性的含义 (4)第2章对波和粒子认识 (6)2.1经典物理中的波和粒子 (6)2.1.1 经典物理中的波 (6)2.1.2经典物理中的粒子 (7)2.2 波粒二象性 (7)2.2.1 波粒二象性的提出 (7)2.2.2 波粒二象性的统一 (8)第3章对光的波粒二象性的剖析 (10)3.1 光子与经典实物粒子的区别与联系 (10)3.2 光的波动性与经典物理中的波的区别与联系 (11)结论 (14)谢辞 (15)参考文献 (16)对光的本性认识的剖析摘要：光是一种粒子，同时也是一种波，光具有波粒二象性。
这两种特性是不同于经典意义下的波和粒子的。
为了更好的区分它们，本文在人类对光的本性认识的基础上，阐述了经典物理中的波和粒子及微观粒子的波粒二象性。
通过对光的波动性和粒子性的深入剖析，进一步加强对光的波粒二象性及二者关系的理解，一方面光子自身具有集中的能量、质量、动量，也就是具有微粒性；另一方面，光存在电磁波的波性，但当光以量子形式存在时，由于其运动的不确定性，而有一概率波与之伴随，也就是光的波动性。
关键词：光的本性；波；粒子；光子；波粒二象性Analysis known to the natural of lightAbstract: Light is particles and simultaneously waves, with the wave-particle duality. These two dualities are different from classical significance wave and granule. In order to distinguish their relation .Thesis elaborated wave and particle in the classical physical and wave-particle duality of the micro-particle on basic of the natural of light which knew to the human. We can understand the wave-particle duality of light and relations between them through analysing undulation and granule of the light. On the one hand, photon has the centralism energy, the quality and momentum, this is its granule. On the other hand, light has undulation of electromagnetic wave. When it existences by form of quantum. It follows with certain probability-wave because of its movement indeterminism. This is its undulation.Key words: natural of light wave particle photon wave-particle duality第1章引言1.1人类对光的本性的认识过程为了解释各种光学现象和探索光的本性，在17世纪时就也形成了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说，19世纪初杨氏和菲涅耳关于光的干涉和衍射的研究，更是奠定了光的波动说的理论基础。
人类对光的本性的认识
光--17 世纪） 17世 纪的 微粒 说和 波动 说 19世纪 初波动 说理论 的完善 与发展 19世 纪下 半叶 光的 电磁 说 20世纪 初光的 量子说 （光子 说） 光的 波粒 二象 性
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启示
1、科学理论的建立有一个曲折过程
介质表面同时存在的反射及折射现象微粒说遇到困难
光的衍射现象更难用微粒说解释。
2、波动说：惠更斯提出的学说 ①内容：光是某种振动在介质中的传播，即光是某种波。 ②主要代表人物：惠更斯。 ③实验基础：光的独立传播规律。 ④能解释的现象：光的反射、
折射 光的独立传播规律
⑤波动说的困难：理论粗糙 对波动过程基本特征（空间、时间的双重周期性）缺乏 足够明确的表述 未能意识到波长短 不能解释：光的衍射、光的直线传播
5、光的波粒二象性 （1）内容：光即具有粒子性，又具有波动性，故 称光具有波粒二象性。 （2）实验基础：。 光干涉现象、衍射现象证明了光具有波动性；光电效应说明 光具有粒子性。因此光既具有波动性，又具有粒子性，无法 只用其中一种去说明光的一切行为。所以说光具有波粒二象 性
（3）波动性与粒子性的统一
光到底是什麽？？？
光的一种基本性质是：
光在同一种均匀物质里是直线传播的 事实 影的形成 小孔成像
光的另一种性质是
光线具有相交时互不扰乱的本领---光传播的独立性
光的本性学说的发展史
萌芽期 （2300 多年以 前---17 世纪） 17世 纪的 微粒 说和 波动 说 19世纪 初波动 说理论 的完善 与发展 19世 纪下 半叶 光的 电磁 说 20世纪 初光的 量子说 （光子 说） 光的 波粒 二象 性
在宏观世界中波动性与粒子性是对立的，在微观世界中 却可以是统一的。但既不可以把光当成宏观观念中的波，也 不可把光当成宏观观念中的粒子。大量光子运动规律表现出 波动性。个别光子的运动则显示出光的粒子性。波长越长， 频率越低，波动性越明显；波长越短，频率越高，粒子性越 明显。
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人类对光本性的认识
刘凡
班级：10310901 学号:20092263
摘要：浅显地讨论和分析光的本质
关键词：波动性，粒子性，波粒二象性，量子论
在《大学物理》波动光学的引言中，对光是这样描述的：“人类对光的认识始终贯穿着“光的本性是什么？”这一根本性的问题。
17世纪，牛顿(Newton)认为光是一股微粒流，沿直线传播，它可以说明光的反射和折射。
与此同时，惠更斯(Ch. Huygens)提出了光是一种波动。
他认为，光是机械振动在“以太（ether）”这种特殊介质中传播。
直到19世纪初，人们观察到了许多光的干涉、衍射和偏振现象，这些事实为“光是一种电磁波”提供有力的依据。
然而在19世纪末到二十世纪初。
人们对黑体辐射和光电效应等实验规律的研究，又证明了光的量子性，既具有波粒二象性。
首先，先谈一谈对光本性认识的意义：光学是人类较早用来认识和改造自然界的科学之一，在激光问世之后，光学这门古老的学科有了迅速的发展。
不仅丰富了原有传统学科分支=技术光学、薄膜光学的内容外，还形成了许多新的学科分支，如非线性光学，导波光学、强光光学、全息光学，激光光谱学等。
使得对波动现象的研究范畴由不相干到相干, 从线性到非线性, 从稳态到非稳态，从有序到混沌、从纯态到压缩态, 学科知识更加丰富及深化。
而上世纪初诞生的量子论和相对论是对光本性讨论的直接结果。
继续讨论已经而且必将加深对这两个伟大理论的理解和导致新的发展。
我们期望两个理论带来的困惑包括光本性在内的光与物质统一性研究能够带来物理学基础的改革。
其次，先总结一下历史上关于“光的波动说”和“微粒说”对应的著名实验。
关于波动说，荷兰物理学家惠更斯（Christian Huygens）于1690年提出了一条描述波传播特性的重要原理：在波的传播过程中，波前上的每一点都可以看作是发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波的包迹就是新的波面，也就是惠更斯原理。
它成功解释了当时已知的大多数光学现象，建立了惠更斯原理。
他在此基础上推导出光的反射和折射定律，圆满地解释了光速在光密介质中减小的原因。
惠更斯用光波既通过以太微粒、又通过晶体物质微粒传播的假设,非常圆满地解释了光穿过冰洲石所产生的双折射现象。
但是惠更斯虽然巧妙地用声波来类比,但是他错误地认为光波是纵波,这被微粒说的支持者用光的偏振现象予以驳斥。
其后，同处一个时代牛顿却利用“太阳光在三棱镜下的散射成各种颜色的光”的实
验在人们心中产生了重要影响，牛顿利用微粒说成功解释了光的折射、反射和色散现象，不过,公正地说，牛顿并不是微粒说的毫无保留的坚持者和波动说的偏执的反对者。
大约一百年后，波动说又开始复兴。
托马斯·杨( T. Young) 的“双缝干涉实验”为波动光学的复兴做出了不可磨灭的贡献。
他还说过这样一句名言：“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。
我⋯⋯遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。
同时，1814年，菲涅尔的“单缝衍射实验”更是将“波动说推到极致”，因此，他因为“滑稽的泊松亮斑”获得了诺贝尔奖。
到了19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦(J . C. Maxwell) 建立起完整的电磁理论。
他发展了光的波动说,用光的电磁波理论代替光的机械波理论。
这时波动说的最后一个难题—“传播媒问题”也被解决了。
在麦克斯韦以后的一个时期,光的波动说可以圆满地解释光的一切传播现象,光的波动说达到了全盛时期。
之后七年，德国人赫兹(Hertz) 在1888年测到电磁波,宣告光的波动说进入了全盛时期,否定了光的微粒说,可正是他发现的光电效应又导致了微粒说的复活。
,1905 年爱因斯坦提出了光量子说。
尽管爱因斯坦用光子理论完美地阐明了光电效应,但这个理论一提出来,立即遭到几乎所物理学家的反对。
幸运的是,不久以后,密立根意外地证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性,1923 年公布的康普顿实验结果强有力地表明了光量子图景的实在性。
光的波粒二象性现象告诉我们,从宏观现象中总结出来的经典理论,对微观粒子不再适用。
宏观概念中波和粒子是完全对立的,而光波不是宏观概念中的波,光子也不是宏观概念中的实物粒子。
所以,光的波动性和粒子性是辩正统一的。
后来爱因斯坦在1951 年曾这样总结他的探索:“整整50年有意识的思考还没有使更接近‘光量子是什么’的答案,当然今天每一个不老实的人认为他知道答案,但他是在欺骗他自己。
”所以对于光量子至少还可以提出“它是什么”，“它有什么内部结构”，“光子有没有静止质量”......一系列问题。
这些问题需要进一步探索，我想信对光的本性一定有更多的发展。
最后我们验证一下光是一种电磁波的正确性。
由经典电动力学, 空腔中角
频率为W的光场(电磁场) , 其能量可表示为E=（1
2p2+1
2
ω2q2）（1）
q和p分别为广义坐标和广义动量, 下标l 、m 和n 为光场振动模的指标。
对一维
简谐振子的哈密顿量H=1
2p2+1
2
ω2q2（2）
通过引入生成函数K=1
2
ωq2tan Q，（3）
作正则变换得：q=2a
w
sin Q（4）p=2aωcos Q（5）
H=a.ω (6)
这里,Q 和a 分别为新的广义坐标和广义动量。
考虑一个力学体系,它含有大量的简谐振子,这些振子具有相同的频率ω,但位相Q和振幅(或a)是随机的,q
、p 、Q 和a 视为随机变量，因此我们可以认为Q 服从[0,2π]上均匀分布。
令V =sin Q ，W =cos Q ，从（4）和（5）可导出随机变量方程p =wq = 2awV 设ρq ( q) 为振子广义坐标q 的密度函数,它满足下列条件
ρ q ≥0， ρ q dq =1， lim |q|→∞ρ q =0 , q 2ρ q dq <0+∞−∞+∞−∞ 再引入波函数Ψq ，使得 Ψ q 2=ρ q ,再作傅里叶变换，做一复杂方程（略）， 泛函I 的最小值函数即是我们所需要的解。
由变分法,我们得到如下欧拉方程−β22d 2Ψ q
dq +w 2q 22Ψ q −γΨ q =0，这里γ=λ2λ1，,β2=1
λ1。
Λ1和λ2和是两个拉格朗日乘子。
由(11)并注意Ψ(q)与ρq(q)的关系,我们可以求得本征值：γn = 2n +1 β2ω，n =0,1,2…,这里β>0, 由狭义相对论及上式,我们易导出电
磁场振动模的动量平均值：p n = 2n +1 H 2π2K,n =0,1,2…
两个相邻动量平均值之差为:P=hK/2π。
这也与通常所说的光量子的动量是一 样的。
这样, 我们就直接从经典电磁场理论导出光场能量、动量量子化的结果。
用我们的理论能够解释光电效应,康普顿效应和黑体辐射光谱。
我相信经过科学的进一步探索，能够更深刻地发掘光的本质，尽管就现在而言，光的波粒二象性是一个比较具有说服力的观点，但并不是完美无缺的，所以，我很期待另一个“阿尔伯特.爱因斯坦”能够带来一次光学新的改革，我们能更好的认识这个世界。
注:从“傅里叶变换”到“电磁场振动模量”的推论是借用佘卫龙教授的“光本性理论研究新进展”论文
参考书目：《光本性理论研究新进展》 佘卫龙
《殊途同归的光本性之争》 闫晓星 王洪鹏
《大学物理》 苟秉聪 胡海云。