物理學(xué)史教案2光學(xué)發(fā)展史

本文格式為Word版，下載可任意編輯——物理學(xué)史教案2光學(xué)發(fā)展史光學(xué)進(jìn)展史教學(xué)目標(biāo)：

1、使學(xué)生知道光學(xué)進(jìn)展。

2、知道微粒說和波動(dòng)說，知道光的波粒二象性。

教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：

知道微粒說和波動(dòng)說，知道光的波粒二象性。

課時(shí)安置：2課時(shí)教學(xué)過程：

在很早很早以前，有一本名為《圣經(jīng)》的書里有這樣一句話：崐神說，要有光，就有了光。這句斷言把光的全部問題一筆勾消，崐由于這句話的意思是：光亮不過是黑暗的反面，是讓人能望見東崐西的環(huán)境?？墒枪畔ＥD人確認(rèn)為光具有客觀現(xiàn)實(shí)性，是一種象從水龍頭射出的水那樣從人們的眼睛射出的東西。我們之所以能看崐見物體就是靠從眼睛里射出的一束這樣的光擊中了這個(gè)物體。這個(gè)說法從而解釋了為什么我們睜著眼能望見物體但閉著眼卻看不見了這一事實(shí)。不過，在黑暗的地方，為什么我們的眼睛睜的再大也看不見東西呢？畢達(dá)哥拉斯對此提出了一種新的理論：光是由發(fā)光體向周圍八方射出的一種東西，這種東西碰見障礙物上就馬上被

彈開。假設(shè)它偶然進(jìn)入人的眼睛，就叫人感覺到望見使它結(jié)果被彈開的那個(gè)東西。

這種理論雖然有點(diǎn)符合閱歷事實(shí)，但光的問題根本沒有因這種理論而得到解決?？茖W(xué)上的每一樣新察覺都帶來一大堆新問題。就光而言，從發(fā)光體發(fā)出的光是怎樣躍過空間進(jìn)入人的眼睛里？光是涼的還是熱的？它動(dòng)不動(dòng)？它動(dòng)的有多快？這就展現(xiàn)了兩種理論：

光的粒子說：光是由億萬個(gè)光子或quot;微粒quot;組成的，光子由發(fā)光體向各個(gè)方向射出好象一顆不斷爆炸的炸彈的碎彈片。

光的波動(dòng)說：光可以象波那樣運(yùn)動(dòng)，把它的信息從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方。但是，這種學(xué)說的困難在于一個(gè)波動(dòng)并不僅僅是一個(gè)波動(dòng)，由于波的傳播需要媒質(zhì)光能夠在真空中傳播，那么，真空中有媒質(zhì)嗎？假設(shè)有某種物質(zhì)性的東西彌漫真空那它就不是真空。這就是說，由于缺少一種媒質(zhì)好讓我們所講的波能在里面崐波動(dòng)，就得殘酷地拋棄這種大有前途的理論？不！哪個(gè)科學(xué)家也不會這樣做?？茖W(xué)家驚人的想象力稍微發(fā)揮一下，就很輕易地解崐決了這個(gè)問題：宇宙空間彌漫了一種無處不在、又看不見摸不著的非物質(zhì)性的媒質(zhì)－－以太。光就是在這種媒質(zhì)（以太）中傳播。

這就有了兩派彼此抗衡的光的學(xué)說：微粒說和波動(dòng)說。那么，哪一派正確呢？宏偉的牛頓支持微粒說。他覺得，波有衍射現(xiàn)象，但光是沿著直線傳播的，又有誰見過光拐彎呢？所以他相信微粒

說。縱然，那時(shí)關(guān)于光，已知有大量奇異事實(shí)同微粒說是不相容的，可這對于絕頂聰明的牛頓來說，攻克這樣的難題還不是小菜一碟？他用粒子說對當(dāng)時(shí)所知的光的一切現(xiàn)象都作了解釋,只是稍微犧牲了一點(diǎn)簡樸性而已。譬如，為了解釋某種光學(xué)現(xiàn)象，他崐把光子想象成鳥似的一起一伏的遨游。雖然波動(dòng)說在牛即刻代也不乏擁護(hù)者，以荷蘭物理學(xué)家惠更斯為首的波動(dòng)論者，把他們的主要夢想寄托在一個(gè)這樣的事實(shí)上：微粒相碰時(shí)，理應(yīng)彼此彈開，然而測驗(yàn)說明，兩束光相遇時(shí)，彼此交錯(cuò)而過，互不影響。不過，波動(dòng)說要同的微粒說抗衡僅有這一測驗(yàn)作根基能有多大的告成的夢想呢？由于有那么一個(gè)天才巨人牛頓站在他們的對立面！

高山為谷，大海為陵。三十年河?xùn)|，三十年河西。牛頓逝世后，關(guān)于光又有了新的測驗(yàn)察覺，而新研發(fā)的數(shù)學(xué)方法又為波動(dòng)說供給了解決困難的有力工具。波動(dòng)說的支持者認(rèn)為，之所以看不到光的衍射現(xiàn)象，是由于光的波長太短，假設(shè)障礙物的尺寸與光的波長相差不多，就應(yīng)能看到光拐彎的現(xiàn)象。并還揣測出光不僅有衍射現(xiàn)象，還應(yīng)有干擾現(xiàn)象。實(shí)際上，早在牛即刻代，人們就已經(jīng)查看到了光的干擾現(xiàn)象。而牛頓卻一向提不出真正圓滿的說明?？磥砦⒘Ｕf要倒霉了。

牛頓死后大約一百年，托馬斯揚(yáng)在公元1817年提出了光是橫波的假說，法國的一位土木工程師菲涅爾以此為根基，在1818年提交了一篇應(yīng)征巴黎科學(xué)院懸賞征求闡述光折射現(xiàn)象的論文。在這篇文章中，他提出了一整套高度完善的波動(dòng)說理論，這個(gè)理論是哪樣的干脆和有力。無論當(dāng)時(shí)那么多繁雜美麗的測驗(yàn)，以及全體已知的光學(xué)現(xiàn)象沒有一個(gè)它解釋不通的。但粒子說并不甘心就這樣灰溜溜地退出歷史舞臺。出名數(shù)學(xué)家泊松還要做垂死的掙扎。他根據(jù)菲涅爾的理論推算出光射到一個(gè)不通明的圓板上，在這個(gè)圓板的中心應(yīng)當(dāng)有一個(gè)亮斑－－泊松斑。鮮明誰也沒有看到過這種特別荒誕的現(xiàn)象。所以，泊松興高采烈地宣稱他駁倒了菲涅爾的波動(dòng)理論。然而他欣喜的貌似早了點(diǎn)。波動(dòng)說的支持者用測驗(yàn)的方法證領(lǐng)略圓板的陰影中心切實(shí)有這樣一個(gè)亮斑。這不過是光的一種衍射現(xiàn)象。這真是搬起石頭砸自己的腳，如《紅樓夢》里所說的?quot;機(jī)關(guān)算盡太聰明，反算了卿卿性命quot;。波動(dòng)說的理論根基反而由此更加堅(jiān)韌了。但波動(dòng)說并不就此罷休。它還需要有更近一步的證據(jù)去證明微粒說是錯(cuò)的。這就是法國人傅科所做的一個(gè)重要測驗(yàn)：測量光在水中的速度。由于兩派理論在這一點(diǎn)上有重大分歧：按牛頓的光子說，光在水中的速度應(yīng)大于光在真空中的速度；而波動(dòng)說那么堅(jiān)持認(rèn)為水中

的光速確定小于真空中的光速。誰是誰非？科學(xué)等待了很久，終究由傅科用測驗(yàn)的方法證明水中的光速恰與波動(dòng)說預(yù)計(jì)值相吻和。

遭此一系列的打擊，微粒說的照命星隕落了，波動(dòng)說以告成者而沾沾自喜時(shí)，還沒有忘?宜將勝勇追窮寇，不成沽名學(xué)霸王quot;這一古訓(xùn)。它還要得到更大的支持，要置微粒說于十八層地獄。這就是法拉第對電與磁的研究，使多少有點(diǎn)停滯不前的古老的電磁學(xué)展現(xiàn)了復(fù)興。一個(gè)新的紀(jì)元開頭了。到了1872年麥崐克斯韋終究完成了他的鴻篇巨制《電磁學(xué)通論》這部電磁理論的經(jīng)典著作，他把法拉第那種外觀上貌似很神秘的見解化成人們所能采納的的兩組微分方程－－麥克斯韋方程組，方程干脆、完備、整齊，不僅解決了當(dāng)時(shí)所知的全體的電磁學(xué)問題，概括了全體的電磁現(xiàn)象，而且他根據(jù)這四個(gè)方程推導(dǎo)出應(yīng)當(dāng)存在電磁波這種東西，這種波應(yīng)當(dāng)按光速傳播，而且具有光的一切物理性質(zhì)。這就是說，光是電磁波的一種，波動(dòng)說的全體高明的理論都毫無例外地包含在新的電磁方程中。而這個(gè)方程組的另一個(gè)豐功偉績是把崐數(shù)百年來物理學(xué)家苦苦創(chuàng)造的數(shù)百種以太模型統(tǒng)一成了一種－－電磁以太。

然而，話還不能說的太絕。要想使麥克斯韋的這個(gè)看起來是崐

那么巧妙的學(xué)說被人們所采納，務(wù)必用測驗(yàn)的方法產(chǎn)生出麥克斯韋所假設(shè)的電磁波來。否那么，只能看成是一種很好玩的假說。這可是一件特別難辦的事情。困難主要還不在于產(chǎn)生電磁波，而在于怎樣證明電磁波當(dāng)真產(chǎn)生了。一年年過去了，并沒有探測到這種波，物理學(xué)家們對麥克斯韋的見解是否正確開頭有了疑慮。在流言誹語中，麥克斯韋死了。

在他逝世的七年后，德國人赫茲歷經(jīng)三年終究于1888年在一系列的輝煌測驗(yàn)中探測到了電磁波。這些測驗(yàn)四處受人的歡呼，被認(rèn)為在磐石般的測驗(yàn)事實(shí)上，卓越地表明了麥克斯韋理論崐的正確性。這可不是一個(gè)貧乏無味的理論，它不僅有不成估量的崐商業(yè)價(jià)值，而且還使人們不得不相信無線電波同光波是一樣的，不同的只是頻率。在可見光的兩端還存在著大量的不成見光：比紫光頻率高的有紫外線、X射線、射線；比紅光頻率低的有紅外線和各種無線電波等。到此，光是一種波，已經(jīng)用數(shù)學(xué)上精致崐雅致永遠(yuǎn)不變的圖式嚴(yán)格固定了。光的全體細(xì)節(jié)經(jīng)過幾代人的努力被揭露的細(xì)致無遺并被絲毫不差地納入了嚴(yán)肅的數(shù)學(xué)定律中。

波動(dòng)說告成了。他們以雷霆萬鈞之力壓倒了不幸的微粒說。他

們確有理由驕傲：宏偉的宇宙受已知方程支配，光的一切現(xiàn)象在理論上都可以預(yù)言，并按已知的定律由理由嚴(yán)肅地舉行到結(jié)果。拓荒者的工作已經(jīng)完成，沒有絲毫根本的東西尚待察覺，現(xiàn)在只是擴(kuò)展已有的學(xué)識的細(xì)節(jié)問題。微粒說死了。它已流失了一切生存的理由。

光陰似箭，日月如梭。時(shí)間就這樣一每日的過去了。物理學(xué)家們在自家的田園?quot;采菊東籬下，悠閑見南山quot;。雖然少數(shù)具有近乎先知先覺才能的人對天涯漂來的幾朵烏云而覺察到遠(yuǎn)方的風(fēng)暴暗中趨進(jìn)，但是他們的警告對打亂一般人的鎮(zhèn)靜無憂不大起作用。

就在赫茲探索麥克斯韋的電磁波的測驗(yàn)中，他留神到了一個(gè)奇異的事實(shí)：用紫外光照到測驗(yàn)裝置上，電磁波出來的稍微輕易些。但這種現(xiàn)象與表明電磁波的存在相比，就太微缺乏道了。他不能領(lǐng)會到，這恰是哪天涯的幾朵烏云之一。令人可惜。

科學(xué)沒有永恒的理論。一個(gè)理論所預(yù)言的論據(jù)往往被測驗(yàn)所崐推翻。任何一個(gè)理論都有它的逐步進(jìn)展和告成的時(shí)期，經(jīng)過這個(gè)時(shí)期以后，它就會很快地衰落。差不多科學(xué)上的重大進(jìn)步都是由于舊理論遇到了危機(jī)通過盡力探索解決困難的方法而產(chǎn)生的。為了使我

們的這個(gè)故事能夠持續(xù)下去，我們務(wù)必想象一下在酷寒的冬天人們最美好的夢想是坐在熊熊的爐火旁。這是由于爐火能放出某種看不見的、給人以熱的感覺的射線－－實(shí)際上是輻射出電磁波。在科學(xué)上稱這種現(xiàn)象為熱輻射。這是自然界中的一件很平常的事。但人們在探索這種現(xiàn)象的根本規(guī)律時(shí)卻遇到了一點(diǎn)麻煩。這一種現(xiàn)象需要用兩個(gè)定律來描述。物理學(xué)家都有一個(gè)尋求普遍定律的嗜好。他們一旦察覺同一現(xiàn)象可以用幾個(gè)定律在不同方面舉行描述時(shí)，便立刻嘗試將這些定律合成單一的普遍定律，使之能同時(shí)概括全體的方面。

英國物理學(xué)家瑞利和金斯將熱輻射的定律合二為一了，并與測驗(yàn)結(jié)果相吻合。可是不久卻察覺在熱物體輻射出紫外線時(shí)新的定律便告失效。這種荒唐的局面被稱?quot;紫外災(zāi)變quot;。這是上世紀(jì)末發(fā)生的事。那時(shí)候任何人也沒有想到，這不僅僅是某一個(gè)頗為特殊的定律的災(zāi)難，而是摧毀這個(gè)定律全部理論根基－－經(jīng)典物理學(xué)的災(zāi)難。

當(dāng)一種理論在很順?biāo)斓剡M(jìn)展時(shí)，會突然展現(xiàn)一些出乎意料的阻礙，這種處境在科學(xué)上時(shí)常發(fā)生。所以物理學(xué)家對quot;紫外災(zāi)變quot;不以

為然。麥克斯韋的電磁理論之所以能夠成為經(jīng)典，是由于它有著磐石般的測驗(yàn)根基。這是千真萬確、不容置疑的。為了抑制這個(gè)宏偉的理論所面臨的這一點(diǎn)點(diǎn)小困難，不少的具有一流頭腦的物理學(xué)家紛紛放下手頭的工作轉(zhuǎn)而為?quot;仁者見仁，智者見智quot;。其中德國科學(xué)家普朗克脫穎而出。此時(shí)，普朗克已年過四十，但他卻以從未有過的青春活力和激情瘋狂地工作著。以無比的毅力建立了、又推翻了一個(gè)又一個(gè)理論模式。在悔恨之余，他意識到與其說事實(shí)不符合理論，毋寧說是理論不符合事實(shí)。在就是說，假設(shè)事實(shí)不能被理論說明，那是理論不中用，理論務(wù)必在新的根基上重建。在這個(gè)重大信念的指使下，使他看到了挽救局面的夢想。他象狂人般地用了幾個(gè)星期的時(shí)間傾全力攻克這個(gè)問題，結(jié)果他終究杜撰出一個(gè)公式－－它純粹是一些不相關(guān)量的偶然結(jié)合，而其物理意義又分外不合公認(rèn)的傳統(tǒng)理論，但卻奇跡般地與測驗(yàn)特別吻合。要精確表達(dá)普朗克的推理論證，需涉及太多的數(shù)學(xué)抽象概念，但這個(gè)理論的精華卻很簡樸：物體以電磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。為了便當(dāng)，他把這種捆稱為?quot;量子quot;。這一結(jié)果是新物理學(xué)誕生的宏大標(biāo)志，由它要產(chǎn)生天大的事情，也使后人將普朗克稱為量子力學(xué)之父。但他的哪些所謂的能量子在經(jīng)典的電磁理論中無疑是異教邪說，由于電磁波攜帶的能量是連續(xù)的，而不是一份一份的。因

此他感到可怕萬分。他曾特別內(nèi)疚地說?quot;經(jīng)典理論給了我們這樣多有用的東西，因此務(wù)必以最大的精心對待它，維護(hù)它quot;。而科學(xué)界也對他的哪個(gè)無理論依據(jù)的與傳統(tǒng)觀念格格不入的公式賦予了極大的冷漠。以至于在多少年后他還在冒死修改他的學(xué)說，使他不至于成為麥克斯韋經(jīng)典理論的叛徒。

人類只有在某一類事情上做盡一切可以想象的傻事以后，才能在這一類事情上得到一點(diǎn)合理的東西。

一年一年過去了，普朗克的見解過著風(fēng)雨漂搖的生活。貌似已被他的創(chuàng)始者所拋棄。但是金子總是要發(fā)光的。歷史在次證明，宏偉的需要產(chǎn)生宏偉的人物。1905年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國《物理學(xué)雜志》第十七期上同時(shí)發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性的觀點(diǎn)》中說，按照麥克斯韋的理論，對于一且純電磁現(xiàn)象因而也對于光來說，應(yīng)當(dāng)把能量看成是一個(gè)連續(xù)的空間函數(shù)，但這個(gè)理論會導(dǎo)致和測驗(yàn)相沖突。假設(shè)用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，貌似更好一些。這段話意思就是說為了使理論與測驗(yàn)相符，光不僅是成束地被物質(zhì)所吸收或放出，而且在脫離物質(zhì)后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個(gè)粒子：光粒子這種提法不是反革命復(fù)辟嗎？是誰有這么大的膽子在波動(dòng)

說一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說的老調(diào)？他就是后來被稱為物理學(xué)的三個(gè)偉人之一－－阿耳波特.愛因斯坦。但當(dāng)時(shí)他是何許人也？他不是學(xué)者、教授，而卻要復(fù)辟光的微粒說，要證明關(guān)于電磁現(xiàn)象這個(gè)在審美上令人合意的、用心表明了的理論根本上是錯(cuò)誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。

科學(xué)的探索不是坐軟臥車廂，那兒有唯一太平的軌道?？茖W(xué)的遠(yuǎn)征是在巨浪滔天的大洋上航行，可能要用青春和生命去殉自己的事業(yè)。唯有清楚和堅(jiān)強(qiáng)的人才能達(dá)成目的地。愛因斯坦的這種獨(dú)特非凡的見解是長期思維活動(dòng)