曾慶松 湖南省長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)

關(guān)于光的物理本質(zhì)

曾慶松 湖南省長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)

關(guān)于光的物理本質(zhì)，學(xué)術(shù)界的爭(zhēng)論一直都存在，其中最為突出的兩種關(guān)于光的學(xué)說(shuō)，一種是以牛頓為代表的微粒學(xué)說(shuō)，一種是以惠更斯為代表的波動(dòng)學(xué)說(shuō)。而事實(shí)上，我們通過(guò)在高中物理中的學(xué)習(xí)，可以了解到經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)研究表明，光的物理本質(zhì)是一種電磁波。本文從高中生角度，對(duì)光的物理本質(zhì)進(jìn)行探討。

光 物理本質(zhì) 電磁波

光學(xué)是物理學(xué)的重要組成部分，為更好的學(xué)習(xí)有光學(xué)的相關(guān)知識(shí)，我認(rèn)為首先最重要的，我們應(yīng)該搞清楚光的物理本質(zhì)，這對(duì)我們高中生來(lái)說(shuō)，也是學(xué)習(xí)光學(xué)最基本的要求。因此，我們首先要了解關(guān)于光的物理本質(zhì)的各種學(xué)說(shuō)，并了解光的物理本質(zhì)究竟是什么。

1 關(guān)于光的物理本質(zhì)的學(xué)說(shuō)

1.1 牛頓的微粒說(shuō)

從高中物理的學(xué)習(xí)中，我們知道微粒說(shuō)最重要的支持者是牛頓，他認(rèn)為光是一種粒子流，是發(fā)光物體所發(fā)出的，并按照力學(xué)的規(guī)律做等速運(yùn)動(dòng)。由于光存在折射、反射等現(xiàn)象，且能夠進(jìn)行直線傳播，而微粒說(shuō)能夠?qū)鈧鞑ブ械倪@些現(xiàn)象進(jìn)行解釋。并且，微粒說(shuō)認(rèn)為光的傳播速度會(huì)受到傳播介質(zhì)的影響，其在水中的傳播速度比在空氣中的傳播速度更大。在牛頓的微粒說(shuō)中，還對(duì)光的顏色理論進(jìn)行了闡述。牛頓通過(guò)光的色散實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置一個(gè)小孔，并讓太陽(yáng)光通過(guò)此小孔，而在暗室中放置有棱鏡，當(dāng)通過(guò)小孔的光束照在棱鏡上時(shí)，在其對(duì)面的墻壁上就會(huì)出現(xiàn)彩色的光譜。于是，牛頓認(rèn)為可將光的復(fù)合和分解現(xiàn)象，近似的看做是顏色不同的微粒被先被混合在一起，然后又被分開。

1.2 惠更斯的波動(dòng)說(shuō)

在對(duì)光的物理本質(zhì)進(jìn)行解析時(shí)，我們知道存在與微粒說(shuō)不同的另一種學(xué)說(shuō)，那就是惠更斯的波動(dòng)說(shuō)?；莞拐J(rèn)為光是一種機(jī)械波，其傳播需要依靠一定的介質(zhì)，而這種介質(zhì)具有彈性，也就是光是依靠“以太”來(lái)傳播的。對(duì)于光的折射和反射規(guī)律，波動(dòng)說(shuō)同樣能對(duì)其進(jìn)行解釋。并且，波動(dòng)說(shuō)還能解釋光傳播中的雙折射現(xiàn)象。與牛頓的微粒說(shuō)不同的是，惠更斯認(rèn)為光在水和空氣中傳播時(shí)，前者是速度比后者小。由于牛頓在物理界具有很高的威望，且對(duì)于光的直線傳播，微粒說(shuō)更能對(duì)其進(jìn)行直觀的闡釋，所以很少人能夠接收波動(dòng)說(shuō)。

2 關(guān)于光的物理本質(zhì)

2.1 關(guān)于光的電磁理論

電磁理論是由英國(guó)著名的物理學(xué)家麥克斯韋提出的，在此理論中，麥克斯韋認(rèn)為有電磁波的存在，而光就是電磁波的一種形式。在此之后，赫茲以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)告訴人們，麥克斯韋的預(yù)言是正確的。因此，我認(rèn)為人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)就是從這個(gè)時(shí)候改變的，光是一種電磁波的理論被普遍接受，而光是一種機(jī)械波這種說(shuō)法則不再成立。在赫茲以后，科學(xué)家們用不同的理論對(duì)“光是一種電磁波”進(jìn)行了驗(yàn)證。于是，波動(dòng)光學(xué)便形成，且其理論基礎(chǔ)就是電磁理論。

2.2 粒子性

粒子性即光的量子理論，在波動(dòng)光學(xué)的研究取得一定成果時(shí)，其進(jìn)一步發(fā)展卻遇到了瓶頸，對(duì)于黑體輻射、光電效應(yīng)等，光的波動(dòng)理論無(wú)法給予合理的解釋。并且，根據(jù)光的波動(dòng)理論，存在于真空中的光速應(yīng)該是恒定不變的。但是，如果從經(jīng)典力學(xué)的角度對(duì)光速進(jìn)行探討，則會(huì)發(fā)現(xiàn)光速在不同的慣性系中是不同的。我認(rèn)為這就是經(jīng)典力學(xué)與電磁理論相矛盾之處。愛因斯坦假設(shè)存在一個(gè)人，其運(yùn)動(dòng)速度能夠達(dá)到光的速度，且其能夠與光一起前行，因此，從這個(gè)人的角度來(lái)看，光就應(yīng)該是靜止的。根據(jù)電磁理論，如果電磁波處于振動(dòng)狀態(tài)，那么其就不可能被觀測(cè)到，且波永遠(yuǎn)是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。換言之，在宇宙中根本不存在參照系，能夠說(shuō)明光是靜止的。因此，愛因斯坦認(rèn)為，無(wú)論在哪種參照系中，光的速度都是一樣的。就在這時(shí)，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，通過(guò)光的量子論對(duì)光電現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，指出在微觀世界中存在波粒二重性，并利用分子動(dòng)理論對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋。

2.3 光子的波粒二重性

光子具有波粒二重性。根據(jù)《宇宙的起源于演化》，由于光子的組成包括A粒子，中子的微子，兩者共同構(gòu)成纏繞體粒子，而兩個(gè)中子微子所構(gòu)成的纏繞體粒子則是一個(gè)A粒子。在此著作中，首先對(duì)光子的漂移速度進(jìn)行了假定，即假定此速度為0。如果其速度不為0，則可判斷出光子是波的一種形式，是由三個(gè)中子微子在波動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行組合才形成的。當(dāng)此速度為0時(shí)，光子則是三個(gè)中子微子波動(dòng)的駐波。然后，從整體性的角度來(lái)看待這三個(gè)中子微子，其就是質(zhì)量為三個(gè)中子微子質(zhì)量和的粒子。由此可見，光子具有波粒二重性。

綜上所述，關(guān)于光的物理本質(zhì)，有以牛頓為代表的微粒說(shuō)，也有以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)，而人們對(duì)前者的認(rèn)可度更高。隨著光的學(xué)說(shuō)的不斷發(fā)展，關(guān)于光的電磁理論、粒子性等理論開始涌現(xiàn)出來(lái)。所以，普遍認(rèn)為愛因斯坦的狹義相對(duì)論，才能夠?qū)怆娦?yīng)等進(jìn)行解釋。

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