文科物理第2章永恒的经典第5节光的本性解读

光的本性复习要点1．了解光的“微粒说”与“波动说”。

2．了解光的干涉现象，熟悉相干条件；掌握双缝干涉的特征及规律，熟悉双缝干涉的条纹分布情况及明、暗纹位置特征；了解薄膜干涉现象，熟悉薄膜干涉的特征及其应用。

3．了解光的衍射现象，掌握产生明显衍射现象的条件，熟悉单缝衍射条纹的人发布特征 4．了解光的电磁说，熟悉电磁波谱，了解各种电磁波的产生机理、基本特征及应用类型。

5．了解光电效应现象，熟悉光电效应现象所遵循的基本规律，掌握光子说理论。

6．了解光的波粒二象性。

二、难点剖析1．关于“微粒说”和“波动说”。

“微粒说”和“波动说”都是对光的本性的认识过程中所提出的某种假说，都是建立在一定的实验基础之上的。

以牛顿为代表的“微粒说”认为光是从光源发出的物质微粒，这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会同时发生反射与折射现象时，发生了很大的困难。

以惠更斯为代表的“波动说”认为光是某种振动以波的形式向周围传播，这种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的直进现象时遇到了困难。

2．杨氏双缝干涉的定量分析如图24—2—2所示，缝屏间距L 远大于双缝间距d ，O 点与双缝S 1和S 2等间距，则当双缝中发出光同时射到O 点附近的P 点时，两束光波的路程差为 δ=r2－r 1. 由几何关系得r 12=L 2+(x －2d )2， r 22=L 2+(x+2d)2.考虑到 图24—2—2 L 》d 和 L 》x ， 可得δ=Ldx . 若光波长为λ，则当δ=±k λ（k=0，1，2，…） 时，两束光叠加干涉加强；当 δ=±(2k －1)2λ(k=1，2，3，…) 时，两束光叠加干涉减弱，据此不难推算出 （1）明纹坐标 x=±k dLλ （k=0，1，2，…） （2）暗纹坐标 x=±(2k －1) d L ·2λ（k=1，2，…） （3）条纹间距 △x=dL λ.上述条纹间距表达式提供了一种测量光波长的方法。

光的本性对于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。

在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明。

这种既是微粒又是波的存在在观念上确实叫人们不容易接受，其原因是到现在为止还没有一种理论能很好地把波动和微粒统一在一个模式下。

本文正是从这样一种出发点来探讨光的本性。

假设有一个光源S1，在S1前放置一块屏幕，从S1发出的光（光子）会将整个屏幕均匀的照亮。

我们知道，屏幕的亮度是与落在屏幕上面的光子数的多少有关的。

严格地说，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光线与屏幕的交点为中心向四周逐渐变暗的。

但这种变化决不是几率问题。

证明如下：把S1放在一个半径为R1的球的中心，假设S1在单位时间里发射出N个光子，则单位球面积上所接受的光子数等于光子数N除以球的总面积4πR12，如果把球的半径由R1变为R2（R2＞R1），则在单位球面积上所接受的光子数就变为N除以4πR22，由于R2大于R1，所以半径为R1的球在单位球面积上接受的光子数大于R2球单位面积上的光子数。

这就是为什么屏幕上的亮度是由明到暗逐渐变化的原因。

当屏幕距光源的距离很大且屏幕的面积又很小时，就可以近似的认为屏幕上的光子是均匀分布的。

现在把另一个相干光源S2放在靠近S1的地方，情况有了变化。

在垂直两个光源的平面上出现了明暗相间的圆环，而在平行两个光源的平面上，则出现了明暗相间的条纹见图一，这就是人们所说的光的干涉条纹。

因为干涉现象是波动的最主要特征，所以这也就成了光具有波动性的最有力证据之一。

我们知道机械波是振动在媒质中的传播，当有两列相干波源存在时，媒质中任意一点的振动是两列波各自到达这一点时波的叠加。

当到达这一点的两列波的相位相同时，则在这一点上的振幅最大，如果两列波的相位相差1800时，则振动的振幅相互抵消，这样就形成了有规则的干涉条纹。

经典光学正是套用机械波的方法证明光的干涉条纹的，而传播光的媒质以太已被证明是根本不存在的，这样用机械波的方法证明光的干涉条纹也就显得比较牵强。

⾼中物理知识点：光的本性物理光学（很详细）知识⽹络：⼀、粒⼦说和波动说1、微粒说——（⽜顿）认为个光是粒⼦流，从光源出发，在均匀介质中遵循⼒学规律做匀速直线运动。

2、波动说——（荷兰）惠更斯、（法）菲涅尔，光在“以太”中以某种振动向外传播19世纪以前，微粒说⼀直占上风（1）⼈们习惯⽤经典的机械波的理论去理解光的本性。

（2）⽜顿的威望（3）波动理论本⾝不够完善（以太、惠更斯⽆法科学的给出周期和波长的概念）3、光的电磁说——（英）麦克斯韦，光是⼀种电磁波4、光电效应——证明光具有粒⼦性⼆、光的双缝⼲涉——证明光是⼀种波1、实验2、现象（1）接收屏上看到明暗相间的等宽等距条纹。

中央亮条纹（2）波长越⼤，条纹越宽（3）如果⽤复⾊光（⽩），出现彩⾊条纹。

中央复⾊（⽩）原因：相⼲光源在屏上叠加（加强或减弱）3、⼩孔的作⽤：产⽣同频率的光双孔的作⽤：产⽣相⼲光源（频率相同，步调⼀致，两⼩孔出来的光是完全相同的。

）3、条纹的亮暗L2—L1=（2K+1）λ/ 2 弱L2—L1=2K*λ/ 2 =Kλ强4、条纹间距∝波长6、 1 m = 10 9nm 1 m = 10 10 A【例1】⽤绿光做双缝⼲涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。

下列说法中正确的有（ C ）A.如果增⼤单缝到双缝间的距离，Δx 将增⼤B.如果增⼤双缝之间的距离，Δx 将增⼤C.如果增⼤双缝到光屏之间的距离，Δx将增⼤D.如果减⼩双缝的每条缝的宽度，⽽不改变双缝间的距离，Δx将增⼤三、薄膜⼲涉——光是⼀种波1、实验酒精中撒钠盐，⽕焰发出单⾊的黄光2、现象（1）薄膜的反射光中看到了明暗相间的条纹。

条纹等宽（2）波长越⼤，条纹越宽（3）如果⽤复⾊光，出现彩⾊条纹3、原因——从前后表⾯反射回来的两列频率相同的光波叠加，峰峰强、⾕⾕强、峰⾕弱（阳光下的肥皂泡、⽔⾯上的油膜、压紧的两块玻璃）4、科技技上的应⽤（1）查平⾯的平整程度单⾊光⼊射，a的下表⾯与b的上表⾯反射光叠加，出现明暗相间的条纹，如果被检查的平⾯是平的，那么空⽓厚度相同的各点就位于同⼀条直线上，⼲涉后得到的是直条纹，否则条纹弯曲。

光的本性学习目的：1、理解光的干涉现象，理解产生明暗纹的条件，了解光的干涉现象的应用2、了解光的衍射现象和产生明显衍射的条件3、了解光是一种电磁波；了解无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等都是波长不同的电磁波4、了解光谱和光谱分析的初步知识5．了解光电效应规律6．了解光子说主要内容：光的波动性1．人类对光的本性的两种认识人类对光的本性的认识经历了一个辩证发展的过程，到十七世纪，在人类已经积累了许多几何光学知识的基础上，形成了对光的本性的两种认识——微粒说和波动说（1）微粒说：牛顿认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播（2）波动说：惠更斯认为光是一种振动，以能的形式向四周传播以上两种理论对光的本性认识的矛盾，是推动人类认识光的本性的内在动力。

根据事实建立新的学说，发展学说或者决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说，这是人类认识自然的基本规律。

2．光的干涉（1）双缝干涉英国物理学家托马斯·杨采用“一分为二”的方法获得了相干光源，在用单色光做双缝干涉实验时，在光屏上距双缝的路程差为光波波长的整数倍的地方出现明条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方出现暗条纹。

两列波的路程差d=r2-r1= x，d=kλ时，x=k λ，屏上出现亮条纹，d=(2k+1) 时，x=(2k+1) ·，屏上出现暗条纹，k=0，±1，±2……相邻两条亮（暗）条纹间距：△x= λ利用此规律可以用来测定光波的波长。

理论和实验都证明，干涉条纹间距（相邻两条明条纹中心或相邻两条暗条纹中心的间距）跟波长成正比。

所以从红光到紫光的干涉条纹间距越来越小，在用白光做双缝干涉实验时，除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。

（2）薄膜干涉当光照射到薄膜上时，被膜的前、后表面反射的两列光形成两列相干光，相叠加，也可发生干涉现象。

若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹。

光的本性原子物理·知识点应用一、光的本性【例1】设λ1和λ2是两种单色可见光1、2在真空中的波长，假设λ1＞λ2，这两种单色光相比，那么[ ]A．单色光1的频率较小B．玻璃对单色光1的折射率较大C．在玻璃中，单色光1的传播速度较大D．单色光1的光子的能量较大答案：A、C．光折射率不同：频率大，折射率也大．即可判断出A、C项正确．【例2】用红光照射光电管阴极发生光电效应时，光电子最大初动能为E K，光电流为I，假设改用强度相同的紫光照射同一光电管，产生光电子初动能和光电流分别为E＇K和I＇，那么下面正确的选项是：[]A．E K＇＜E K，I＇＞IB．E K＇＞E K，I＇＞IC．E K＇＜E K，I＇＝ID．E K＇＞E K，I＇＜I答案：D．说明根据光电效应规律，可知光电子的初动能与入射光频率有关，频率大的入射光照射时，光电子初动能大，因此，B和D可能对(筛选)．光电流大小与入射光强度成正比．光强是单位时间、单位面积上总能量，即等于E=n0hν．因此，紫光光子数少，应选D．【例3】下面关于X射线的说法中正确的选项是：[ ]A．它是高速电子流B．它可以在电场和磁场中偏转C．高速电子流打在金属上才能产生D．由原子内层电子受激发产生答案：D．【例4】关于光谱，下面说法中正确的选项是：[ ]A．太阳光谱是连续光谱B．光谱分析应用明线光谱或吸收光谱C．炽热的高压气体产生明线光谱D．太阳光谱是吸收光谱答案：B、D．说明(1)掌握各种光谱的产生；(2)各元素的原子光谱是独特的，因此，只能应用该光谱作光谱分析．二、关于原子结构和核的组成86222Rn．答案：①4次②2次说明应用α衰变规律，看质量数变化，判断α衰变次数；判断β衰变次数时，看电荷数变化：假设设α衰变次数为a，β衰变次数为b，总电荷数变化为c，那么：b=a-c．【例6】下面哪些现象说明原子核内部有复杂结构？[]A．α粒子散射现象B．光电效应C．天然放射现象D．原子光谱答案：C．【例7】按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为r a的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为r b的圆轨道上，r a＞r b，此过程中[ ]A．原子要发出一系列频率的光子B．原子要吸收一系列频率的光子C．原子要发出某一种频率的光子D．原子要吸收某一种频率的光子答案：C．【例8】83210Bi的半衰期是5天，经过多长时间，10g的铋210中已经有7.5g发生衰变？解设剩余下的铋210为Δm，原质量为M，那么t=10天【例9】发现中子的核反响方程是[ ]答案：C．【例10】铀核裂变的核反响方程为92235U＋01n→56141Ba+3692Kr＋301n试计算裂变释放出的能量．(中子质量为1.008665U，92235U、56141Ba和3692Kr 的质量分别为235.0439u，140.9139u和91.8973u．)解ΔE=931Δm ①Δm=235.0439＋1.008665-(140.9139＋91.8973＋3×1.008665)=0.21537(u)将Δm值代入①式得ΔE＝931×0.21537=201(MeV)【例11】原先静止的88288Ra作一次α衰变，变为Rn，α粒子垂直进入B=1T的均强磁场中，作圆周运动的轨道半径为rα=0.2m．求α粒子的动能和反冲核的动能．(1u=1.6×10-27kg，取质量比等于质量数之比．) 解核反响方程为88288Ra→24He+86222Rn设Ra质量为M，α粒子质量为mα，反冲核Rn质量为m反，那么mαvα=m反v反①由核反响方程可知由上面联立方程解得(过程略)E Kα=2(MeV)，E K反=0.0357(MeV)。

中考物理辅导－－光的本性（一）（一）光的本性的学说学说基本内容实验事实提出的科学家波动说光是某种振动以波的形式向外传播光的独立传播、光的反射、折射、杨氏试验、菲涅尔圆盘衍射惠更斯微粒说光是沿直线传播的高速粒子流光的直线传播、反射牛顿电磁说光是一种电磁波光速的测定、光与电磁波的相似性，赫兹实验麦克斯韦光子说光是不连续的一份一份的，光子能量E=hν,光子只能整个的产生、传播、消失热辐射规律、光电效应爱因斯坦波粒二象性光既具有波动性，又具有粒子性-微观粒子的共性光的干涉、衍射、光电效应?(二)光的干涉和衍射光的干涉：（1）产生条件：两束频率相同的光迭加（2）干涉现象：I.双缝干涉（1801年杨氏实验）实验装置：单缝（单孔）获得频率一定的线（点光源；双缝（双孔）将频率一定的光分成两束条纹特征：单色光：中央亮纹；两侧明暗相间；宽度相等，亮度基本相同；条纹间距（宽度：ΔX=Lλ/d）白光：中央为白色；两侧明暗相间的条纹；每条亮纹靠近中央为紫色，外侧为红色条纹明暗：距离两缝路程差为半波长的奇数倍为暗条纹；偶数倍为亮条纹II.薄膜干涉：相干光的获得：一定频率的光经薄膜前后表面反射，两束频率相同的反射光相迭加条纹特征：单色光：明暗相间白光：彩纹；同一亮条纹薄膜薄处为紫光，厚处为红光应用：检查平面、增透膜（入射光波长的1/4 ，淡紫色的原因）2、光的衍射（1）产生条件：孔、缝或障碍物的尺寸很小，与可见光波长相比差不多或更小时才有明显的衍射现象（2）干涉现象：I．单缝衍射：条纹特征：单色光：中央条纹宽而亮；两侧明暗相间的条纹；两侧条纹窄而亮度递减快白光：中央条纹为宽亮的白色条纹；两侧为彩纹，每一亮纹内侧为紫色，外侧为红色条纹观察：游标卡尺的构造、原理、读数方法；缝由0.2mm 变宽时条纹由稀变密II．小孔衍射：孔由大到小：屏上见到的现象：亮斑→小孔成像→衍射花样；单色光：中央亮点大而亮；四周明暗相间圆条纹窄而亮度递减快；白光：中央为白色亮点，四周彩纹；中央亮点大而亮，四周彩纹窄而暗III.不透明圆盘衍射：影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条文，阴影中心有亮斑-泊松亮斑。

电子课文·光的本性上一章我们学过了光的传播规律，但是，光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内对它的认识却进展得很慢，直到17世纪才明确地形成了两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，另一种是和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯(162－1695)提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波．微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象．由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，再加上牛顿在物理学界的威望，微粒说一直占上风．到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性．19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波．不久，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功．但是，19世纪末又发现了新的现象——光电效应，用波动说无法解释．爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应．不过，这里所说的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”．现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性．本章就是要从光的波动性和粒子性两个方面认识光的本性电子课文·波的干涉和衍射波的干涉如图19－2，介质中有M、N两个周期相同(或说频率相同)的波源，都沿垂直于本页纸面的方向“同步”振动，这两个波源发出的波也都使得点A在垂直于纸面的方向振动．这里说的“同步”是说两个波源振动时．在振动方向上总是同时达到最高点和最低点，谁也不比谁早，谁也不比谁晚．图中M、N两个波源到A的距离相等，因此当M波传来，使得质点A的振动达到最高点时，N波的作用也是使质点A达到最高点．所以，由于两列波的共同作用，A所达到的最高点的高度会更高．同样，两列波同时使A达到最低点，最低点的高度会更低．这样，两列波的叠加使A点的振幅加强．如果恰好两列波的振幅相同，叠加的结果使A点的振幅变为单独一列波时的2倍．图19－2中，M、N两个波源产生的波可能是向各个方向传播的，但是为了插图的清晰，从两个波源都只画出了两条直线，代表窄窄的两束波．为了清楚，图19－2中没有画出C点．再看B点，波源M到B的距离比N到它的距离近些．这样，当N波使质点B 的振动达到最高点时，M波的作用已经是使B点回落了．如果M、N两个波源到B 点的距离差正好是半个波长，那么当一列波要使B达到最高点时，另一列波则要使它达到最低点，两列波叠加的结果是：B点的振幅为0，也就是说B点不振动！如果B点的上方还有一点C，两个波源到C点的距离差就更大了．如果距离差大到正好等于一个波长，两波在C点叠加的结果又是使这里的振幅最大．通过这个例子我们看到，频率相同的波叠加时，空间某些区域的振幅加强，另一些区域的振幅减弱，这种现象叫做波的干涉．如果两列波的频率不同，空间不会出现稳定的振幅加强和振幅减弱的区域，也就不会出现干涉现象．所以，只有频率相同的波才能互相干涉．水波的干涉可以在实验室中清楚地演示出来，所用装置如图19－3所示．透明水槽上安装着一对小锤，通电后能够振动，两锤以同样的频率同时敲击水面，产生水波．水槽放在投影仪上．水波的影投射到天花板上或屏幕上．图19－4是这个实验中水波干涉图样的照片．不仅水波，其他种类的波也会发生干涉现象．干涉是波所特有的现象．思考与讨论在两列波叠加后振幅最大的位置，两个波源到这点的距离之差和波长有什么关系？在叠加后振幅最小的位置，两个波源到这点的距离之差和波长有什么关系？波的衍射在墙这边说话，墙那边的人也会听见，这表明声波能够从墙头上绕过去．水塘里的水波会绕过水中的石块、芦苇而继续传播，好像这些障碍物并不存在．波绕过障碍物传播的现象，叫做波的衍射．除了小障碍物外，在波前进的方向上放一个有缝的屏，也可以观察到波的衍射．现在用水槽观察水波通过缝的情形，研究在什么条件下才能出现明显的衍射现象．水槽的波源前面放一个带缝的挡板．图19－5甲、乙、丙是三次实验的照片．三次实验所用的波长相同．但是缝宽不同，图甲的缝宽比波长大很多，图乙的缝宽稍小，图丙的缝宽更小，比波长还小．从图19－5的三个图可以看出，水波通过较宽的缝后基本上还是直进的，而在通过较窄的狭缝后可以在相当大的一个角度范围内传播，也就是说，水波通过狭缝后能够”拐弯”．与波长相比缝越窄，这个现象越明显．可见，能够发生明显衍射现象的条件是，障碍物或缝的尺寸比波长小．至少跟波长差不多．实验中我们也可以使用相同的缝，通过改变波长来验证这个结论．想一想，改变波源的哪个参数就能改变波长？思考与讨论算一算，如果一个人的嗓音的频率是200Hz，空气中的声速约为340m／s，他的声波的波长是多少？日常生活中会出现明显的衍射现象吗？频率高于20kHz的声音，人耳就听不见了，叫做超声波．超声波的频率高，因而波长很短，传播过程中的衍射现象不明显，可以认为是沿直线传播的．这样就可以用超声波来定位，检查钢铁制品中的砂眼、人体脏器中的病变等．超声波的应用，详见119页．各种波都会发生衍射现象．衍射也是波所特有的现象．练习一(1)要使两列波发生干涉，它们的周期(或频率)应该有什么关系？*(2)发生干涉的两列波，它们的振幅相同和振幅不同时，观察到的干涉现象有什么区别？(3)如图19－6，操场的两个电线杆上各有一只扬声器，接在同一个扩音机上．一位同学沿着MN方向走来，他听到的声音会有什么变化？为什么？如果在教室里做这个实验，能不能观察到同样的现象？为什么？(4)声波在人体内的传播速度大约是1500m／s．如果让你设计一个超声波扫描仪，用来发现人体内直径大于1cm的肿块，所用超声波频率的下限是多少？电子课文·光的干涉干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．双缝干涉如图19－7，光源发出的光通过两个狭缝来到挡板后面的空间，在这里发生干涉：在一些地方，来自两条狭缝的光互相加强，在另一些地方互相削弱．如果在挡板后面放一个屏，就能在屏上看到明暗相间的条纹．实验果然得到了预期的结果，这就证明光的确是一种波．实际上，扬氏最初的实验所用的挡板上有两个小孔，而不是两条狭缝．后来他发现改用两条狭缝后干涉图样更加明亮，于是后人把他的实验叫做双缝干涉实验．今天，直接用激光照射两条狭缝，干涉条纹更加清晰．在双缝干涉实验中，被光照射的两条狭缝S1和S2相当于两个波源(图19－8)，两列相干的光波在狭缝右边的空间叠加．S1和S2到屏上P点的距离相同，所以两列波在这点同时出现波峰或波谷，P点的光波得到加强，在这里出现一个亮条．在P点上方，例如P1，它距S2比距S1远一些，两列波的波峰或波谷不再同时到达P1，时间差依路程差d的大小而变．如果路程差正好是半个波长，也就是说，时间差正好是半个周期，那么当一列波的波峰到达P1时，另一列波正好在这里出现波谷，两列波叠加的结果是互相削弱，于是在这里出现暗条．对于更远一些的点，例如P2，来自两个狭缝的光波的路程差d更大．如果路程差正好等于波长λ，那么两列光波的波峰或波谷又是同时到达这点，它们又在这里互相加强，这里再次出现亮条．距离屏幕的中心越远，路程差越大．每当路程差等于0、λ、2λ、3λ……时，两列光波就得到加强，屏幕上出现亮条．思考与讨论从图19－8可以看出，屏幕离挡板越远，条纹间的距离越大，这是很明显的．另一方面，实验所用光波的波长越大，条纹间的距离也越大，这是为什么？白光的干涉在两缝间的距离以及挡板和屏和距离一定的情况下，用不同颜色的单色光做双缝干涉实验，干涉条纹间的距离不同．用红光做实验时的间距比用蓝光时大，这表明红光的波长比蓝光的波长大．各种光的不同颜色，实际上反映了它们不同的波长(或频率)．如果用白光做双缝干涉实验，由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同，在屏上会出现彩色条纹．薄膜干涉酒精灯里的酒精中溶解一些氯化钠，灯焰就能发出明亮的黄光．把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像(图19－9)．像上有明暗相间的条纹，这是光的干涉产生的．灯焰的像是液膜前后两个面反射的光形成的，这两列光波的频率相同，能够发生干涉．竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚，上面薄，因此来自前后两个面的反射光所走的路程不同(图19－10)．在一些地方，这两列波叠加后振幅变大，于是出现了亮条，而在其他一些地方，由于两列反射波的路程差不同，叠加的结果可能是互相削弱，于是在这个位置出现暗条．光的波长越长，薄膜干涉时出现的条纹就越宽．为什么？图19－10是个示意图，实际上肥皂液膜没有这么厚，液膜两面的夹角也没有这么大，同一条入射光线从液膜前后两面反射之后在位置上和传播方向上都没有多大差别，所以能够叠加在一起，出现干涉现象．用不同颜色的光做这个实验，条纹的宽度是不一样的．所以如果用白光照射肥皂液膜，液膜上就会出现彩色条纹(彩图8)．肥皂泡上和水面的油膜上常常看到的彩色花纹，就是光的干涉造成的．光的干涉现象在技术中有重要应用．例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度．如图19－11，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面和被测平面之间形成一个楔形空气薄层．用单色光从上面照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉．空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同．所以，如果被测表面是平的，干涉条纹就是平直的(图19－12甲)．如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平(图19－12乙)．这种测量的精度可达10-6cm．练习二(1)用白光做双缝干涉实验时，多数亮纹都是彩色的，为什么中间一条亮纹是白色的？(2)雨后，公路的积水上漂着薄薄的油层，看上去有许多彩色花纹，其中有一条绿色花纹和一条相邻的蓝色花纹．在这两条花纹处，哪里的油层更薄些？为什么？电子课文·光的衍射既然光也是一种波，为什么在日常生活中没有观察到光的衍射现象？从前面讲的光的干涉实验知道，光的波长很短，只有十分之几微米，通常的物体都比它大得多，因此很难看到光的衍射现象．但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射．在不透光的挡板上安装一个宽度可以调节的狭缝，缝后放一个光屏(图19－13)．用平行单色光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上产生一条跟缝宽相当的亮线．但是，当缝调到很窄时，尽管亮线的亮度有所降低，但是宽度反而增大了．这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方．这就是光的衍射现象．用点光源照射具有较大圆孔的挡板AB，在后面的屏上就得到一个圆形亮斑，它的直径可以按照光的直线传播的规律作图得到(图19－14甲、乙)．但是，如果圆孔缩小到一定程度，可以在屏上看到，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域(图19－14丙)．这就是圆孔的衍射现象．缝变窄了，通过的光能少了，亮度会降低，这是意料之中的．同学们可能已经注意到，在单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮线和暗线．这是由于来自单缝或圆孔上不同位置的光，在光屏处叠加后光波加强或者削弱的结果，这个道理和两列光干涉时的道理相似．如果用白光做衍射实验，得到的亮线是彩色的，这也是由于不同波长的光在不同位置得到了加强．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现亮暗相间的条纹．图19－15是刮胡须刀片的影，可以在它的边缘看到由于衍射产生的条纹．衍射现象的研究表明，我们前面说的“光沿直线传播”只是一种特殊情况．光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的，但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了．做一做用铅笔观察衍射现象把两支铅笔并在一起，中间留一条狭缝，放在眼前，通过这条缝去看远处的日光灯，使狭缝的方向跟灯管平行，就会看到平行的彩色条纹．为什么会出现这些条纹？练习三(1)分别使用红光和蓝光做光的衍射实验，用哪种光更容易看到明显的衍射现象？为什么？(2)在光的衍射现象中为什么会出现明暗相间的条纹？做一做泊松亮斑图19－16是一个不透光的圆板的影，要特别注意中心的亮斑，它是光绕过盘的边缘在这里叠加后形成的．关于这个亮斑还有一段有趣的故事．1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文．一位年青的物理学家菲涅耳按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了严密地解决衍射问题的数学方法．当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、一定大小的圆盘，在一定的距离以外，会在影的中心看到一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说．但是就在关键时刻，菲涅耳在实验中观察到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说．后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑．电子课文·光的电磁说光的电磁说光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波，到19世纪中叶，光的波动说已经得到公认．但是，光是什么样的波？难道像水波一样？像声波一样？光波的本质是什么，这个问题一直没有解决．那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动．到了19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上得出，电磁波在真空中的传播速度应为 3.11×108m／s，而当时实验测得的光速为3.15×108m／s，两个数值非常接近．麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系．由此他提出光在本质上是一种电磁波．这就是光的电磁说．不久，1887年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波速确实与光速相同．这样就证明了光的电磁说的正确性．红处线在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光．其中波长最短的紫光，波长约为370nm，波长最长的红光，波长约为750nm．波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线．红外线的波长范围很宽，约为750nm到106nm．一切物体，包括大地、人体、农作物和车船，都在辐射红外线．物体的温度越高，它辐射的红外线越强，波长越短．在热学中所说的热辐射，指的就是红外线辐射，它是热传递的方式之一．利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以探知被探物体的特征．这种技术叫做红外线遥感．利用红外线遥感技术可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、估计农作物的长势和收成等．如果用红外摄影对人体成像，做出体表的“热图”，可以通过皮肤温度的微小差别判断人体的健康状况．红外线还用于遥控，例如遥控式电视机、录像机等．按下遥控器上的按钮，遥控器就发出红外线脉冲信号，受控机器收到信号后进行相应的操作，变换频道、改变音量等．红外线的电磁场的频率比可见光更接近固体物质分子的固有频率，因此更容易引起分子的共振．所以，红外线的电磁场的能量更容易转变成物体的内能．利用红外线的这种热作用，可以加热物体、烘干油漆和谷物、进行医疗等．市场上烤制鸡鸭等肉类食品的“远红外烤箱”，它的灯管工作时发出的光从可见的红光到波长很长的红外线，加热作用主要是靠其中的长波红外线来实现的，并由此得名．不要以为烤箱中的红光就是红外线！红外线是看不见的．紫外线紫外线也是不可见光，它的波长比紫光还短，大约为5nm至370nm．紫外线有荧光作用．有些物质，受到紫外线照射时能够发出可见光．日光灯管的管壁上涂的就是一种荧光物质．大额钞票上也有用荧光物质印刷的文字，在可见光下肉眼看不见，用紫外线照射则会发出可见光，这是一种防伪措施．紫外线能促使人体合成维生素D，这种维生素有助于人体对钙的吸收，所以儿童常晒太阳能够防止缺钙引起的佝倭病．但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌，这点也要引起注意．紫外线能杀死多种细菌，所以医院和食品店常用紫外线消毒．波长比紫外线更短的光叫做X射线，也叫伦琴射线．因为X射线的穿透能力很强，医学上用来进行人体透视．此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，那就是γ射线，我们将在下章学习．无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，都是电磁波，按波长或频率的不同顺序排列起来，称做电磁波谱．消毒用的紫外线灯看起来是淡蓝色的，这是因为它不仅发出看不见的紫外线，而且发出少量紫光和蓝光．练习四(1)赫兹在一次实验中测得他所产生的电磁波的周期为1.4×10-8s，波长的一半为4.8m，这样算出来的电磁波的波速是多少？(2)响尾蛇能够感受红外线，它能在夜里“看”见东西吗？为什么？有一种被动制导的空对空导弹(导弹本身不发射电磁波，靠接受目标的电磁辐射来制导)，就是靠探测飞机发动机辐射的红外线来射向目标的．电子课文·光电效应光子到了19世纪后半叶，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，完全取代了光的微粒说．但是，还在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，人们就已经发现了后来叫做光电效应的现象，这个现象使光的电磁说遇到了无法克服的困难．光电效应把一块擦得很亮的锌板连接在验电器上，用弧光灯照射锌板(图19－19)，验电器的指针就张开了，这表示锌板带了电．进一步检查表明锌板带的是正电．这说明在弧光灯的照射下，锌板中有一些自由电子从表面飞出来了，锌板中缺少了电子，于是带了正电．这里说的光包括不可见光．在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子．最初观察到光电效应的时候，物理学家们没有感到惊奇．他们想，光是一种电磁波，当它射入金属时，金属里的自由电子会由于变化着的电场的作用而做受迫振动．如果光足够强，也就是说光的振幅足够大，经过一段时间后电子的振幅就会很大，有可能飞出金属表面，这就像一锅开水，由于锅中水的剧烈运动，会有水花溅到锅外．不同的金属，极限频率也不一样．但是，对光电效应的进一步研究发现，对各种金属都存在着一个极限频率(见下表)，如果入射光的频率比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应；而如果入射光的频率高于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会立即观察到光电子发射．光子说 1900年，德国物理学家普朗克在研究物体热辐射的规律时发现，只有认为电磁波发射和吸收的能量不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能跟实验事实相符，他还认为，每一份能量等于hν，其中ν是辐射电磁波的频率，h是一个常量，叫做普朗克常量．实验测得上节已经学过，热辐射实际上也是电磁辐射．h＝6.63×10－34J·s(1)受到普朗克的启发，爱因斯坦(1879－1955)于1905年提出，在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率ν成正比，即别忘了，同样颜色的光，频率相同．E= hv(2)式中的h就是上面讲的普朗克常量．这个学说后来叫做光子说．光子说认为，每个光子的能量只决定于光的频率，例如蓝光的频率比红光高，所以蓝光光子的能量比红光光子的能量大．同样颜色的光，强弱的不同则反映了单位时间内入射光子数的多少．光子说能够很好地解释光电效应中为什么存在极限频率．光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子立即全部吸收．电子吸收光子的能量后，它的能量增加．如果能量足够大，电子就能克服金属离子对它的引力，离开金属表面，逃逸出来，成为光电子．不同金属中的离子对电子的约束程度不同，因此电子逃逸出来所做的功也不一样．如果光子的能量E小于使电子逃逸出来所需的功，那么无论光多么强，照射时间多么长，也就是说这种能量比较小的光子无论数目多么多，也不能使电子从金属中逃逸出来．这样就解释了为什么存在着极限频率．光电效应可以把光信号转变成电信号，光电管就是利用光电效应的一种传感器．碱金属的极限频率较低，常用来制做光电管．如图19－20甲，真空玻璃管内有一半涂着碱金属，如钠、锂、铯等，作为阴极K，管内另有一个阳极A．使用时照图19－20乙那样连接电路．当光照到阴极K时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下飞向阳极，形成电流，光越强，电流越大；停止光照，电流消失．光电管可以用在自动控制的机械中，由光照控制电路的接通和断开；在电影中则可用于录音和放音．。