光的波粒二象性课件

谈谈对光的波粒二象性的理解

光的波粒二象性是指光既可以表现为波动的形式，也可以表现为粒子的形式。这一现象被称为波粒二象性。

波的特征表现为它的传播速度是恒定的，且能够穿过一个物体而不受影响。粒子的特征表现为它们能够被测量的位置和动量，并且能够发生碰撞和相互作用。

这两种特征似乎是矛盾的，但是在微观世界中，光确实既具有波的特征，又具有粒子的特征。例如，在干涉实验中，光可以表现出波的性质，但是在光电效应实验中，光又可以表现出粒子的性质。

这种现象表明，在微观世界中，波和粒子是相互转换的，并不是绝对固定的。这就是光的波粒二象性。

波粒二象性是由费米和爱因斯坦在20世纪初提出的，并得到了后来的广泛证明。它对于理解微观世界具有重要意义，也是量子力学的基础。

光的波粒二象性

━━本章总结

一部光学说的开展史，就是人类认识光本性的认识史。让我们再次作一个简单的回忆，肯定比第一课有更深刻的理解。

光的干预、衍射有力地证明光是一种波。但它是一种什么性质的波泥？

两种不同的光波理论

１、惠更斯的波动说──把光看作是某种在介质中传播的波。这是一种典型的机械波观念，需借助介质，且波是连续的。

２、麦克斯韦的电磁说──把光波看作是一种电磁波。

两种观点的争论焦点是：光波传播是否需要介质？⑴、寻找这种介质“以太〞的彻底失败〔本来无一物，何来自寻烦？〕。⑵、电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传播。⑶、但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？麦克斯韦的电磁场理论证明了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系。赫兹又从实验得到了证实，光的行为与电磁波的行为一致，从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波。它揭露了光现象的电磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系和认识。光的电磁说是对光的波动说的扬弃，保存了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成份。

光电效应现象对光的电磁说提出了严重的挑战。使我们不得不再回到微粒说方面来。

３、牛顿的微说──把光看作沿直线传播的粒子流。它带有明显的机械运动的痕迹，也无法解释光的干预、衍射这些现象。但这个学说中仍含有其合理的成份，这就是光的粒子性。

４、爱恩斯坦抛弃了牛顿微说中机械运动的成份，吸收了〔对方──波动说〕电磁辐射量子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、开展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了光的粒子性的权威。

但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量，就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作出“科学的〞预测，它的行为不服从牛顿经典力学。光子说使光的粒子性有了新质的内容。

５、在对光本性的认识过程中，惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、相互对立的。后来开展成为光的电磁说和光子说。人们发现，这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成份，无法划清界限，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理。光学说开展到此，已无法逃避辩证的综合。中国有句古话，叫做两极相通。人们终于明白，光的波动性和粒子性，不过是光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性。它排除了非此即彼的形而上学观念〔这正是形式逻辑的重大特征！〕，建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下成认非此即彼，在另一条件下又成认亦此亦彼。对光来说，一定条件下〔大量光子、传播过程、低频率光〕波动性上升为矛盾主要方面，那么波动性显著；而在另一条件下〔个别光子、光与物质作用、高频率光子〕粒子性上升为矛盾主要方面，那么粒子性显著。所谓彼一时也，此一时也，在微观世界里也存在着。在宏观物体来说不可思议的波粒二象性，在微观世界里却是真实的图景。矛盾啊！然而是事实。只有辩证思维才可以把握。恩格斯曾经指出：“常识在它自己的日常活动范围内是极可尊敬的东西，但它一跨入广阔的研究领域，就会遇到惊人的变故。形而上学的思维方式，虽然在相当广泛、各依对象的性质而大小不同的领域是正当的，甚至是必要的，可是它每一次迟早都要到达一个界限，一超过这个界限，它就要变成片面的、狭隘的，并且陷入不可解决的矛盾，……〔?反杜林论?P.19.〕

光的波粒二象性

作为被列入世界上十大经典物理实验之一的双缝实验，让很多物理学家和科学家们伤透脑筋。双缝实验是一种光学实验，大家一起往下看吧。

在量子力学里，双缝实验是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。在这种更广义的实验里，微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径，从初始点抵达最终点。

这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移，因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。双缝实验还被列入了世界十大经典物理实验之中，但是有人却认为双缝实验十分的难以理解。如果电子是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹。如果电子是以波的形式运动，由于波之间存在干涉，穿过双缝落到黑板上是一道道痕迹。一开始实验表明电子以波的形式运动。即使一个个电子发射，黑板上还是一道道痕迹。于是科学家想知道为什么一个个电子发射也会有波的现象，于是将高速摄像机对准双缝以便观察。重点来了：当想进一步观察时，粒子却是是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹!!!双缝实验，著名光学实验，在1807年，托马斯·杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝实验：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。

试验本身没什么问题，证明了光有波粒二象性，但是科学家们想观察清楚如何会这样，于是他们在微观层面上来观察，架设高速摄像机，观察光子是如何一个一个通过缝隙形成波干涉的，这时候神奇的事情出现了，光子波的特性消失了!又变成人类最容易理解的粒子，只出现了两条条纹。这才引出了超级可怕和诡异的电子双缝干涉实验和后来石破天惊的的“延迟选择实验”，给整个人类带来了前所未有的思想冲击。单光子双缝干涉实验现在有一种仪器，每次只发射出一个光子，这时如果遮板上仍然有两个缝隙A和B(遮板与上述传统实验一样)。依照传统理论，该光子每次有且仅有以下三种情况中的一种：被遮板挡住、通过A缝、通过B缝 。

第二节 光的波粒二象性

教学目标：

一、知识目标

1. 了解事物的连续性与分立性是相对的；

2. 了解光既具有波动性，又具有粒子性；

3. 了解光是一种概率波。

二、能力目标

1. 能自己举出实例理解连续性与分立性是相对的；

2. 能通过日常和实验事例理解概率的意义；

3. 能领会课本的实验意义。

三、德育目标

通过这节课的学习，领会实验是检验真理的唯一标准；体会我们唯有敢于打破旧的传统的经验才能有所创新、有所发现。

教学重点：1.光具有波粒二象性；2.光是一种概率波。

教学难点：1.概率概念；2.光波是概率波。

教学方法：在学生阅读课文及《康普顿效应》材料的基础上对分立性和连续性、概率、光波是概率波等问题展开课堂讨论，由学生回答课本提出的问题，最后由教师归纳，统一认识。

教学过程：

一、引言：干涉和衍射现象说明了光具有波动性。而光电效应现象又无可辩驳地证明了光具有粒子性，这使人们感到困惑，光的面目究竟是什么样的？我们好象很难在脑子里描绘出光既是粒子又是波的图景。所以这一节课我们将继续学习关于光是什么的课题 光的波粒二象性。

二、布置学生阅读课本，同时思考课本中的“思考与讨论”及练习二的（1）、（2）、（3）。

三、课堂讨论：

（一）、光的波粒二象性 1.光的波动性和粒子性的实验基础。

2.分立与连续是相对的

老师问：谁能仿照课本的例子举例说明分立性与连续性是相对的？

例子：

a. 在地上撒一把米，这些米看起来是分立的，如果直接倒几筐米组成米堆时，测一堆米的体积可以认为它是连续的。

b. 下雨天，一开始是雨点，是分立的，下大了以后，就变成连续的了。

c. 课本中的实验，当曝光量很少时，在胶片上是一个一个的点，这时光看起来是分立的；曝光量多的时候就变成亮带了，这时又是连续的。

引导学生回答出：当通过狭缝的光很少时，这时它们就像撒在地上的一把米，表现出粒子性；当曝光量很大时表现出连续性。