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1、,第六章 认识电与光,世界无处不用电,主要内容,介绍光的微粒说与波动说的建立与斗争 介绍光速的测量与“约定论”简介电磁学实验规律与理论的建立 简介波粒二象性 简介激光,牛顿对光的颜色理论有什么贡献？双缝干涉实验的光为什么必须来自同一光源？如何理解真空中的光速值是一个“约定”？从法拉第与麦克斯韦的成功，你悟出了什么道理？最基本的电磁规律有哪些？什么实验启发麦克斯韦推测光波就是电磁波?,思考题,生活在1600年前后的英国哲学家培根有一句名言：“知识就是力量”。他在“新大西岛”一书中，假想了一个科学技术高度发达的理想王国，该王国由居住在“所罗门宫”的一批科学家管理。,1 光的微粒说压倒波动说,培根,
2、几十年后，英国学者们就模仿“所罗门宫”自发成立了一个“无形学院”，它完全是一个民间组织，学者们定期举行聚会，进行科学交流和探讨。1663年，“无形学院”被英王查理二世正式承认，成为英国“皇家学会”。,皇家学会,胡克以发现弹性定律而著称于世。他同时也是光的波动说的最早倡议人之一。在胡克之前，笛卡儿就主张光的波动说，他认为光是一种“压力”，在完全弹性的“以太”中传播，传播速度为无 穷大。胡克则明确提出 光是一种在媒质中传播 的“振动”，类似于水 波。,光类似水波,牛顿不同意胡克和惠更斯的波动说，他认为光不是波动，而是微粒（光子）。光子从光源射出，进入观测者眼睛，传递过来的是实实在在的微粒流，光传递
3、是真实的物质传递。,微粒说,牛顿的微粒说能够解释光的直线传播、反射、折射等现象。而且不存在上述波动说的某些“困难”。牛顿继承了笛卡尔、胡克与巴罗等人对彩虹、棱镜和光学仪器的研究，探讨了光的色散现象。,光的色散,重大的转折发生在1801年，那一年托马斯杨完成了光的双缝干涉实验，干涉现象是微粒说无论如何无法解释的，波动说终于战胜了微粒说。,2 光的波动说战胜微粒说,托马斯杨,托马斯杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。,杨氏双缝实验,由于牛顿在学术界的崇高威望，神童托马斯杨振兴波动说的努力并非一帆风顺。托马斯杨在
4、1801年的论文中指出了做成双缝干涉实验的一个关键：相互干涉的两束光虽然来自S1、S2两个不同的缝，但它们必须产生自同一个光源。,杨氏双缝实验,后来的研究表明，相互干涉的光必须有相同的频率、相同的偏振和相对稳定的位相差，来自不同光源的光往往做不到这点，因此必须用同一光源的光。近代的研究指出了更为深刻的原因：干涉是一个光子自身与自身相干。同一个光子不可能来自不同的光源，所以干涉实验中采用来自同一光源的光是一个必要条件。,杨氏双缝实验,与此同时，法国物理学家菲涅尔也独立地对光的波动说做出了贡献。菲涅尔可不是神童，相反他是一个显得迟钝的孩子，身体也不好，还曾因反对拿破仑蹲过一段时间监狱。他靠着自己的
5、刻苦努力走进了科学的殿堂。,波粒二相性,泊松用菲涅尔理论计算了当一个小圆盘阻挡在光路上的时候的衍射图像，他得到一个惊人的结果：当小盘与屏幕的间距为某一值时，小盘在屏幕上的暗影的中心会出现一个明显的亮点。这怎么可能呢？泊松武断地认为：这一“荒谬”结果说明菲涅尔的波动理论完全错误。,阿拉果决定做实验检验一下，结果暗影的中心真的出现了亮点，菲涅尔理论完全正确！这一成就震惊了学术界。后人把这一亮点戏剧性地称为“泊松亮点”。不过，这一亮点也确实是泊松首先用菲涅尔理论算出的。,泊松亮斑,在惠更斯时代，有一位叫罗默的人通过对木星卫星的观测，测出了光的传播速度。他于1676年测得的光速约为20万千米/秒，虽然
6、误差很大，但毕竟数量级正确。,3 光速的测定与约定,罗默,罗默是通过木卫（木星卫星）被木星遮挡而出现的卫星蚀现象来估算光速的。他首先注意到不同日期观测到的木卫蚀现象，存在时间差，他认为这是由于不同日期地球在公转轨道上的位置不同，造成到木星的距离不同，只要光速不是无限大，这一距离差就将导致光从木星传播到地球的时间产生一个差值。,罗默测定光速方法,罗默认为，观测木卫蚀现象的时间差，是由于光速有限造成的，可以用这一时间差和木地距离差反过来测定光速。他经过仔细计算，预言即将发生的一次木卫蚀现象会推迟10分钟。,木星卫星,在科学史上迈克耳孙以实验精密而著称。他采用旋转棱镜法测光速，两个凹面镜分置于相距3
7、5公里的两座山上。他的上述测量值已非常接近今天的公认值。目前国际上公认的光速值是1973年测定的，为2.99792458108 米/秒。,1983年国际科技数据委员会又反过来用真空中的光速定义距离，规定光在秒内走过的距离为1米。1986年又规定1973年测定的光速值为精确值，于是真空中的光速值从此以后不再变动。,光速,人类对电和磁的认识可以追溯到2千多年前。古代的中国人和希腊人早就知道静电现象,知道磁石的吸引和排斥现象。中国发明的指南针就是一个证明。然而,对电和磁进行科学、系统的研究,则是在文艺复兴开始之后。,4 法拉第与电磁感应,指南针,1600年前后,英国医生吉尔伯特对磁和电作了初步的科学
8、研究,他指出任何磁体都同时存在两极,没有单磁极存在。他发现了铁的磁化现象。吉尔伯特还正确地指明,地球是一个大磁体。,他研究了摩擦起电现象,发明了第一个验电器。英文中电这个词,就是吉尔伯特最先提出的,它来自希腊文“琥珀”一词的译音,这是由于古代最早的摩擦起电实验,就是希腊人用琥珀做的。,琥珀,对电磁学贡献最大的人当数英国的法拉第。他出身在一个铁匠的家庭,由于贫困和语音上的缺陷,受到老师嘲笑的小法拉第被迫离开了学校。他12岁开始在街上卖报,送报,13岁到一家书店作装订学徒工。,法拉第特别喜欢阅读自然科学方面的书籍,从不放过任何一本经他手装订的这类书籍。他利用几乎所有的空闲时间拼命地读书,如饥似渴地
9、吸取着书中的知识。虽然 他没有机会上学,书籍就是他最 好的学校,正是这段时间的勤奋 阅读,使他走上了成才之路。,法拉第,有一天,法拉第在大街上看到举办“自然科学讲座”的公告,非常兴奋,在一年多的时间内,举办了十几次讲座,法拉第场场不落。他精心作笔记,运用自己的装订手艺,配上插图,把笔记装订成一本“讲演录”。,戴维教授是当时最有魅力的科学家,也是将科学传播给大众的首创者。由于他个人的魅力和极为出色的口才,将深奥枯燥的科学理论用生动通俗的语言描绘出来,使得普通民众听起来兴致盎然。,戴维教授轻松而透彻的精彩报告,深深折服了法拉第的心。这个年青的钉书匠,从此下决心献身于科学。的确,他没有进过中学和大学
10、,甚至小学都没有上完。他也没有钱,只是一个下等阶层的钉书匠。但是他有才华,有对科学执著的爱,特别是有奋斗的决心和坚忍不拔的毅力,他有勇气克服一切困难去敲开科学的大门。,法拉第,法拉第精心整理了戴维讲演的笔记,装订出一本封面烫金字的戴维爵士讲演录。他用这本讲演录作为敲门砖,寄给了戴维爵士,戴维收到后大为惊讶,深受感动的戴维,接受了法拉第的请求,让他充当自己的助手。,在皇家学院,法拉第十分珍惜这个来之不易的机会,他比任何人都勤奋。洗瓶子、擦地板,把实验室收拾得干、干净净、井井有条。他 很快就掌握了基本的实 验技能,不久之后,他 不仅能帮戴维做实验,而且能帮戴维出主意。,1813年,法拉第随戴维夫妇
11、访问欧洲大陆。在两年多的时间中,他们拜访欧洲各国许多著名的学者,参观了不少知名的实验室,使法拉第眼界大开。,1831年,在实验屡遭挫折之后,法拉第终于取得了重大突破,发现了电磁感应现象,制造出世界上第一台“发电机”。当时人们还认识不到这一发现的划时代意义。法拉第在皇家学会报告自己的发现时,居然有人问道,这一发现有什么用?法拉第反问他：新生的婴儿有什么用?,发电机,此后,法拉第又发现了电解定律,自感现象,磁光效应,物质的抗磁性等等。他还提出了电力线和磁力线的理论，正是这一理论引导麦克斯韦建立起电磁场论的大厦。,毫无疑问法拉第是那个时代最伟大的物理学家,他的老师戴维说：“我一生中最重要的发现,就是
12、发现了法拉第”。,法拉第从一个卑微的童工,历尽千辛万苦,忍受种种屈辱,终于成长为那个时代最伟大的科学家。在他取得重大成就而名扬四海之时,法拉第却拒绝了滚滚而来的金钱和荣誉。,法拉第,在法拉第发现电磁感应定律的1831年,另一位伟大的物理学家麦克斯韦出生在苏格兰,麦克斯韦的父亲是一位知识渊博、兴趣广泛、多才多艺的人。他不仅是一位律师,还是一位工程师、发明家。他是儿子的科学启蒙导师,对儿子的一生产生了很大影响。,5 麦克斯韦与电磁理论,麦克斯韦方程,上中学时,班里的同学都看不起固执而孤僻的麦克斯韦,给他起了个绰号叫“傻瓜”,使他非常恼火。三年后,在一场数学和诗歌比赛中,麦克斯韦一举夺得两项第一,大
13、大出乎同学们的意外,从此再没有人敢歧视他了。,麦克斯韦19岁进入剑桥大学学习。这是一所不断涌现科学明星的大学,牛顿和达尔文都毕业于此。在这里,麦克斯韦选择物理学作为自己终生奋斗的领域。他很快就在数学上显示出极高的才华,毕业后留校工作,致力于法拉第电磁实验的理论研究,并选择了法拉第的电力线学说作 为自己的主攻方向。,经过几年的努力,他得到了后来以他的名字命名的电磁方程组,建立起正确、完整的电磁场论，他还推出了电磁场的波动方程,从理论上预言了电磁波的存在。麦克斯韦证明电磁波在真空中的传播速度为,麦克斯韦则据此大胆猜测电磁波的速度就是光速c。从而指出光波就是电磁波。1887年赫兹用实验证实了电磁波的
14、存在，并测出它的传播速度就是光速，支持了麦克斯韦的电磁理论。,麦克斯韦电磁方程组,是所有电磁学定律的简明优 美的总结,是 整个电磁学和 光学的基础。因此，人们长 期主要用麦克 斯韦方程组来 描述电磁规律。,麦克斯韦方程,有趣的是，麦克斯韦电磁理论当年是运用介质的弹性学说导出的。麦克斯韦从介质“分子蜗旋”形变导致的弹性性质得出了电磁方程组。他把“电力”归结为分子蜗旋形变的弹性势能，磁力归结为转动动能。,法拉第和麦克斯韦等人创立的电磁理论,导致了发 电机、电动 机、电灯和 电子技术的 出现,人类 文明从此进 入了电磁时 代。,麦克斯韦电磁理论不仅是电磁学的理论基础，而且是光学的理论基础。在麦克斯韦
15、理论的基础上，波动光学取得了长足的进展。整个19世纪，光的波动理论都占据着统治地位，牛顿的微粒说几乎已被学术界淡忘。然而，1900年，新世纪降临之际，一次伟大的变革出现了。,6 波粒二相性,当时人们已经知道，热辐射和光辐射本质上都是电磁波，只不过波长不同而已。为了从理论上解释热辐射能量分布的实验曲线，德国物理学家普朗克提出了量子说（详见第7章）。这一理论认为，原子在吸收或发射热辐射（电磁波）时，能量不是连续的而是一份一份的。,普朗克,爱因斯坦进一步提出光量子说，认为热辐射和光辐射（即电磁波）不仅在原子吸收和发射它们的时候是一份一份的，而且它们在空间传播时也是一份一份的。这就是说电磁波是由一粒一
16、粒的光量子组成的，牛顿提出的光的微粒说似乎又复活了。,普朗克用量子说成功地解释了黑体辐射（热辐射），爱因斯坦用光量子说成功地解释了光电效应，光量子理论得到了实验的有力支持，而他们都因这方面的成就分别获得了诺贝尔物理奖。,干涉和衍射表明光是波，黑体辐射和光电效应又表明光是粒子。那么，光究竟是波还是粒子呢？研究表明，光既是波又是粒子，它的运动方式显示波动性，与实物相互作用时又显示粒子性，这就是光的波粒二象性。,波粒二相性,经过长时间的实验探索和理论争论之后，学术界比较一致的看法是，光波是几率波，它描述光子在空间不同位置及不同状态出现的概率。,干涉现象并非是大量光子相互之间影响而造成的。干涉是一个光
17、子自身与自身干涉。在双缝干涉中，如果只打开上缝，或只打开下缝，得到的都是单缝衍射图。如果先打开上缝关闭下缝，然后关闭上缝只打开下缝，得到的是两个单缝衍射图的重叠。,1960年前后，一个叫做“激光”的重要科学领域展现在世人面前。“激光”的最早理论是爱因斯坦在1916年提出的。他在研究原子通过能级跃迁而吸收或发射光子的时候，提出了“受激辐射”这一概念。,7 激光,激光,“激光”的基础就是受激辐射。1958年，肖洛和汤斯预言，当用某些物理手段使大量原子处于上述高能级状态而形成粒子数反转时，如果发生一次自发辐射，有关光子就将“刺激”这批处于激发态的原子，使它们一下子从高能级跌落下来，产生出与第一个光子同方向、同频率、同偏振、同位相的大量光子。这种受激辐射造成的光放大，就是“激光”。,1960年，梅曼（T.H.Maiman）制成了第一台激光器，这是一台红宝石激光器。,梅曼,需要说明的是，为了实现粒子数反转，激光的工作物质（如红宝石）需要存在亚稳能级。作为“泵”的光源或电源，把工作物质中的原子激发到“激发态”，激发态通常不稳定，很快“下滑”到较为稳定的亚稳态。,激光的强度大、单色性好，因而可用于通讯和国防。,激光器,
