光究竟是什么

光究竟是什么

．．．．．？这个问题困绕了科学家们很长的时间。

从光的直线传播、反射定律看，光很象是一种弹性良好的粒子流（用惯性、动量守恒可以解释）。而且，从光的折射方面考察，它和粒子之间似乎也有某种共性（速度改变导致运动方向改变），因此，十七世纪，人们提出：光就是实物粒子流（粒子足够小、弹性足够好），持这种观点的代表是牛顿。

但是，光在传播时，也有一些用微粒说不能解释的现象，如衍射、干涉、偏振等——而这些都是波动的独有特征。于是在十七世纪中叶，光的波动说出现了，坚持波动说的代表人物则是惠更斯。

可能是由于惠更斯的波动说确实存在缺陷（解释直进、在真空中传播有困难），也可能是因为牛顿在十七~十八世纪形成的特殊地位——虽然没有足够的理由表明牛顿是微粒说的顽固坚持者（事实上，牛顿本人就在1675年做了牛顿环的实验，并提出了“波具有周期性”的观点），总之，但微粒说一度占据上风。甚至在整个十八世纪，波动说并没有实质性地得到发展。

直到十九世纪，人们对于光的本性研究才上了一个新台阶。这首先要得益于电磁场的理论的逐步成熟，其次是在研究手段上有了很大的进步。60年代，光的电磁波说被推了出来，它的代表人物就是麦克斯维。麦克斯维的电磁波说和惠更斯的以太（弹性）波学说有着质的区别，在解释各种光学现象时也几尽完美。以至于人们一度认为，对光的本性认识已经找到了终极真理。

但是，到十九世纪末，人们发现了光电效应，这使光的电磁波说遇到了空前的困难。在这种背景下，光的能量子说（光子说）应运而生，它的代表物理学家是爱因斯坦。

爱因斯坦提出光子说，并不意味着电磁波说倒退到牛顿的微粒说，也不是对电磁波说的否定。爱因斯坦认为，光子说主要是偏重于解释光的能量传递特征，它和电磁说的关系与其说是一种矛盾，还不如说是一种丰富。

光究竟是什么？目前占统治地位的观点是：光既具有量子性，也具有波动性，只是在某些条件下，一种属性表现强，在某些条件下，另一种属性表现则更为抢眼。也就是说，光是波和粒子的矛盾统一体，它具有波粒二象性。

而本章，我们主要介绍光的波动属性。

第二十章光的波动性

我们已经不止一次地听到光是一种电磁波的说法，但要接受这个观点，必须基于物理事实的总结。这是实现本章学习目的的基本手段。本章的实验大多数都是在我们现有的条件下能够做成的，大家在课堂上要注意观察、思考，必要的时候，我们还要自己动手进行分组实验——重复一百年前伟人们的研究历程。

本章可分为四个单元。第一单元：第1、2节，讲光的干涉和衍射；第二单元：第3节，讲光的电磁说，电磁波谱；第三单元：第4节，讲光的偏振，进一步说明光是横波，是电磁波；第四单元：第5节，介绍激光。

本章的知识点在高考考纲中都是A级。在历年的高考试题中，有关本章的内容多以选择或填空题的形式出现。命题几率较高的是光的干涉、衍射，其次是波长、波速和频率的关系，有时还与几何光学中的知识结合起来进行考查。

授课时间：2007年4月21日星期六

§20-1 光的干涉

【教学目的】

1、认识光的干涉现象及光产生干涉的条件

2、理解（杨氏）双缝干涉形成的原理，以及条纹的特征

3、知道实现光的干涉的途径并不是唯一的，了解薄膜干涉形成的原理，以及它在工程物理领域的应用

【教学重点】

光产生干涉的条件，干涉条纹的特征

【教学难点】

（杨氏）双缝干涉形成的原理，以及条纹的特征分析

【教具】

（杨氏）双缝干涉仪，酒精灯，食盐，铁丝圈，肥皂水

【课时安排】

1课时

【教学过程】

○、复习&引入

复习提问1：波动之所以有别于粒子运动，其重要特征是什么？

☆学生：能够发生干涉、衍射。

复习提问2：什么是机械波的干涉？发生波的干涉的条件是什么？

☆学生：两列波在叠加后，在空间形成稳定的振动加强和减弱的区域（而且它们彼此间隔）；两列波的频率相等。

我们要确认光具有波动性，就必须拿出光能够干涉或衍射的事实。而根据刚才的物理学史介绍，在波动说已经提出的前提下，整个十八世纪都没有得到发展。是不是观察光的干涉、衍射现象很不容易呢？答案是肯定的。

一、双缝干涉

为什么不容易，这得从两个角度去认识：一是干涉的条件是否容易达成，二是干涉形成后，其现象是否容易观察。

在第一个方面，就是一个难题。原来的一般的光源都含有多种颜色（即多种频率）的成分，即便是找到了“完全相同”的光源，但从发光的微观角度看，由于发出的光波具有不连续性（就不能保证相位差恒定），要保证它们能够发生干涉，也是很难的。光学上，把能够发生干涉的光源叫做——

1、相干光源：频率相等、相位差恒定的光源称为相干光源。为了确保这两个条件满足，人们想过很多办法，英国物理学家托马斯·杨是这样做的：将同一光源发出的光用一个只留两个孔（或两个缝）的挡板挡住，那么从这两个空（或两个缝）中射出的光就是相干光源了。

干涉现象形成后，如何方便观察？这个问题复杂一些，让我们将实验完成之后，再做定量分析。

2、双缝干涉

? 演示1：（杨氏）双缝干涉实验

a 、学生观察双缝；

b 、学生预测实验现象（教师配合草稿板图——机械波干涉分析——类比）；

c 、学生观察干涉条纹…

过渡：为了解决干涉现象形成后是否方便观察．．．．．．．．．．．．．

的问题，下面进入双缝干涉的定量分析——（请同学们注意，我们这里并不仅仅是解释为什么形成干涉条纹——这一点，我们已经能够利用已有的知识去预测了——而是要研究怎样形成方便观察．．．．

的条纹，这就涉及到一个条纹宽度的计算问题。因此，我们今天对光的干涉的研究比起机械波干涉的研究必须更为深入。）

为了寻求条纹的宽

度，我们引进波程差的分

析法。

a 、定性阐述…

b 、定量（板图1）

分析

δ = 21S P －11S P

≈dsin θ = d ·l x

当δ = 0时（位置：

P 点），对应第一个最强点（事实上是一条线），此时 x = 0

当δ = λ时（位置：P 1点），对应第二个最强“线”，此时 x ′=d

l λ 当δ = 2λ时（位置：P 2点），对应第三个最强“线”，此时 x ″=

d l 2λ ……

同学们，最亮条纹之间的间距是多少？

☆学生：条纹间距Δx = x ′－ x = x ″－ x ′= d

l λ。 我们这里没有计算暗纹的位置和间距情况，暗纹的间距又是多少呢？

☆学生：当然和亮纹间距相等。 3、条纹间距 Δx =d

l λ 假设我们手头有两个相干光源（平行的线光源），它们相距1m ，供观察的屏到光源之间的距离为2m ，光的波长是我们前面提到的钠黄光（λ = 58930

A ），那么干涉条纹的间距Δx 等于多少？

★师生共同计算：Δx = 1.18×10-6m = 0.00118mm 。

这样一个间距，肉眼观察容易吗？

☆学生：不容易。

那么，同样是钠黄光，杨氏双缝干涉装置的条纹间距有等于多少呢（杨氏双缝间距d = 0.2mm ，屏与双缝距离l = 1m）？

★学生：Δx = 2.95mm 。

很显然，这个间距观察起来是很“舒服”的，这个数据也和我们实际观察到的间距相符。

刚才我们事实上已经解释了双缝间距的宽窄会影响干涉条纹的间距，在这方面，我们还可以通过实验验证——

?演示2：相同色光，改变双缝宽度，干涉条纹间距改变。

a、学生观察；

b、教材彩图对应。

下面，我们还要解释关于双缝干涉的另外两个事实——

1、不同色光，条纹间距不同。

a、介绍光的颜色和波长的一般对应规律（参照教材表格）；

b、学生解释“事实”；

c、?演示3：不同色光的条纹间距不同…

d、参照教材彩图…

2、复色光会形成彩色条纹

a、原理介绍…

b、?演示4：复色光形成彩色条纹，学生观察。

过渡：从刚才的研究，我们可以得出这样的结论：只要有相干光源，光的干涉就能够产生，但要观察到明显的干涉现象，则需要强弱（明暗）分布的距离适当——这就需要相干光源的波程差比较微妙（和波长的数量级差别不大）。

能够满足以上条件的装置是不是只有杨氏的双缝？答案必然是否定的。

事实上，在十九世纪，探索光的波动性的物理学家很多，卓有成效的也绝不是只有托马斯〃杨一人。在物理学史上，比较有影响的干涉实验就有：菲涅耳双面镜（双棱镜）实验、洛埃单镜实验、法布里—珀罗标准具干涉实验、迈克尔逊干涉实验、平行平板干涉实验、楔形平板干涉实验等等。他们有些和杨氏实验的原理类似，有些则则差别较大。

为了强化对干涉的印象，我们这里再介绍一个——

二、薄膜干涉

?演示5：钠黄光在肥皂薄膜上的干涉。

☆学生：观察实验现象。

在这里，我们也看到了明暗相间的规则条纹，它的形成是不是和杨氏干涉条纹一样呢？首先，光源同不同？

☆学生：不同。

为什么还需要一个肥皂薄膜？这里我们做一个分析——

a、楔性薄膜介绍；

b 、板图2定量分析

δ = 2h

若在P 处，δ = λ ，则P 处为亮纹，h = 2

λ 若在P 1处，δ = 2λ ，则P 1处为亮纹，h 1 = λ

若在P 2处，δ = 3λ ，则P 2处为亮纹，h 2 =23λ

……

启发：同学们，如果知道薄膜倾角α，我们是

否可以求出薄膜表面亮纹之间的宽度？

★师生共同计算：相临亮纹处的厚度差 Δh =

2λ 设亮纹间距为Δy ，由于α很小，tg α≈

y

h ?? ，所以—— 亮纹间距（即条纹间距）Δy =αλtg 2 应用：请同学们计算一下，在刚才的钠黄光薄膜干涉中，要求条纹的间距为3mm （这样观察起来不至于太吃力），则薄膜倾角约为多少？ ☆学生：计算→得出结果tg α= 0.982×10-4 ，α= 0.00562°。

很显然，要造就这样一个微妙的夹角（而且基本恒定），是不容易的。

启发：下面请同学们思考一个问题，如果薄膜因某种原因形成了一个“横梗”（如图3甲所示）的状况，干涉条纹将是什么状况？

★学生：思考、交流…

教师导引分析如图3乙和丙所示（1区倾角增大，2区倾角减小）…

启发：如果是局部凸起，条纹状况有怎样？

☆学生：思考、尝试…

事实上，这个原理已经被用于工程技术中的高精度的平面检测中，相关的细节请大家参看教材内容

☆学生：阅读教材…

薄膜干涉的应用除了平面检测，还有增透膜，有兴趣的同学可以在课外阅读一些相关的介绍。

三、小结

光的干涉实验的成功是光具有波动性的铁的证明。本节课，我们比较细致地讨论了光的干涉的规律。从相关的结果我们可以体会到，要做成效果显著的光的干涉实验是不容易的，在某种程度上讲，这也是光的波动说在十八世纪没有得到发展的原因。

我们通过学习本节，需要弄清楚的是，光的干涉的条件是什么，形成显著的干涉在技术上有一些什么要求，双缝干涉和薄膜干涉的共同点和不同点在什么地方。学了光的干涉，我们还要能够解释一些基本自然现象，课后有这样的习题，大家要认真思考。

四、作业布置

阅读临时教材；

“教材”P23第（1）（2）（3）题，上作业本；

《同步教练》相关习题。

【板书设计】

注意“教学过程”的带框字符，即是板书计划。

【教后感】