通过人类对光本性的认识过程进行科学认识论教育

高二物理第八章光的本性（人教版（实验本））一、全章说明本章循着人类认识历史的线索，引导学生一步步认识光的本质，认识光的波粒二象性．光的本性问题，在近代物理学发展史上占有很重要的地位．正是由于把波粒二象性推广到一切微观粒子的认识上去，才促进了量子力学的发展．所以，学习光的本性，对于学生进一步了解微观粒子的性质，具有重要的意义．把本章内容放在“波动”一篇的最后，也有“承前启后”的意思：波动粒子．本章内容，都是学生在生活中不大熟悉的．无论是光的波动性还是光的粒子性，都需要经过抽象思维，才能理解现象的本质．因此，本章的教学，应该特别注意在认真观察实验事实的基础上，加强抽象思维能力的培养．例如，在光的干涉的教学中，应该让学生充分观察干涉图样，再类比第六章讲过的机械波，应用波的叠加的知识，进行分析、推理，理解图样形成的物理过程．爱因斯坦的光子说，也应该在引导学生认真分析光电效应与波动说的矛盾的基础上提出来，然后进一步引导学生来研究光子说怎样解决了这些矛盾．经过充分的思考、分析，学生才能把书上的结论变成自己的认识，同时也提高了他们分析物理问题的能力．单元划分本章分为五个单元：第一单元：第一节，简述人类对光的本性的认识过程．第二单元：第二节至第四节，讲光的干涉和衍射．第三单元：第五节至第六节，讲光的电磁说、电磁波谱．第四单元：第七节，讲光的量子说．第五单元：第八节，讲光的波粒二象性．具体说明在光的干涉的教学中，考虑到一般中学生的知识基础和接受能力(前面的教学内容中从未涉及相及相差的知识)．本章中没有提出相干光的概念．在双缝干涉的实验中，把产生干涉现象的两个狭缝看成“振动情况总是相同的波源”．教学中不要求给学生严格的相干光的概念．在讲了光的衍射之后，指出高一几何光学中学过的光沿直线传播的规律的近似性．以利于帮助学生初步了解几何光学知识的适用范围，懂得在研究物理问题时，要根据不同的情况，选用不同的研究方法．学习光的电磁说的主要目的，是要进一步揭示光波在本质上不同于机械波，光是一定频率范围的电磁波．在光电效应的教学中，教材强调了光电效应的主要规律——极限频率的存在，光电子的初动能与入射光的强度无关，以及单位时间内发射的光电子数与入射光强度的关系．这些都是不能用波动说来解释的，只有用爱因斯坦的光子说才能圆满解释这些规律．在光子说的教学中应该注意，光子说不是简单地恢复了原来的微粒说，更为重要的是引入了光量子的概念，这就是能的量子化，即一定频率ν的光的能量只能以光量子能量的整数倍出现，而不能取任意值．光的波粒二象性的教学，要求不要过高，只要让学生初步了解光在某些情况下显示出波动性，在另外一些情况下又显示出粒子性就可以了．二、教学要求和教学建议全章教学要求知道人类对光的本质的认识过程．知道光的双缝干涉现象和薄膜干涉现象．知道光的衍射现象．知道光是一种波．4知道光的电磁说．知道光谱和光谱分析的初步知识．理解光电效应的基本规律和光子说的基本内容．知道爱因斯坦光电方程．知道光的波粒二象性的初步概念．（一）微粒说和波动说教学要求● 知道人类对光的本质的认识过程．知道17世纪光的微粒说的主要代表人，知道微粒说可以解释的现象以及它遇到的困难．知道17世纪光的波动说的主要代表人和他的观点．知道它可以解释的现象及问题．知道19世纪初光的波动说成功的实验依据和理论成就．知道19世纪末，光的波动说遇到的困难及现在对光的本性的认识．了解科学发展的曲折、辩证的过程．教学建议这一节是本章的引言，通过回顾人类对光的本性的认识过程，给学生指明学习本章的线索——教材内容的层次和系统，这对发挥学生学习的主动性是十分有益的．通过简要的史料介绍，一方面让学生体会到科学发展是一代一代科学家辛勤劳动的曲折过程，树立为科学献身的精神；另一方面，从中体会到科学研究的一些基本方法——“实验(事实)——理论假设——实验(提供新的事实)——修正理论(甚至建立新的假设)”，以及人们的认识就是从不断地纠正偏差错误中提高的．“光的本性”的认识史，也是对学生进行辩证唯物主义教育的好教材，虽然只有一课时，应当努力上好．教学实践证明，给学生讲一点物理学发展史，能给学生以多方面启迪，也容易激发学生学习的积极性．但一定要配合知识内容，使学生思路清晰，而不要陷于史实的细节之中．如果条件允许，可以配合观看图片、资料或介绍学生读一些课外书和资料，以丰富学生的知识．（二）光的干涉(三) 薄膜干涉教学要求● 知道光的双缝干涉现象和薄膜干涉现象．知道观察到的光的干涉现象，知道光的干涉现象证明光是一种波．知道光的双缝干涉现象是如何产生的，在何处出现明条纹，何处出现暗条纹．知道其他条件相同时，不同色光产生的双缝干涉的条纹间距不同，与波长成正比．知道不同色光的频率不同．知道薄膜干涉是如何产生的．知道光的干涉现象在技术中的一、二个应用实例．教学建议这是本章的重点之一．讲光的双缝干涉前，可先引导学生回忆机械波的叠加和干涉的知识，帮助学生认真分析课本图8－3和图8－4，弄清双缝干涉中明、暗条纹的分布情况．光的干涉的教学中，一个值得注意的问题是相干条件的讲述．我们知道，只有频率相同、振动方向相同、相差恒定的相干波之间才能产生干涉现象．在机械波里可以比较容易地获得连续振动的波源，两个波源只要频率相同，相干性的其他条件，比较容易满足．因此我们没有特别强调和介绍“相差恒定”这一条件，而只是提到振源的“振动步调相同”．一般光源发出的光，是大量原子跃迁时发出的，由不连续的波列组成，各波列的相位是无规则变化的，这是由原子发光的特点决定的．因此，两个独立光源发出的光，即使是“频率相同的单色光”(实际上严格的单色光并不存在)，也不能保持恒定的相差．必须把同一个点光源(或线光源)发出的一束光分成两束，才能得到相干光．课本考虑到学生的知识基础和接受水平，没有提出相干光的概念，但在课文的叙述中，强调了从单孔射出的光束到达双孔时，双孔“就成了两个振动情况总是相同的波源”，这同机械波中提到的振源的“振动步调相同”，要求是一致的．双缝干涉的教学虽不要求定量讨论，但是在狭缝间的距离和狭缝与屏间的距离不变的条件下，单色光产生的干涉条纹间距跟光的波长成正比，这个关系是应该让学生知道的．知道了这一点，学生才能理解不同色光具有不同的频率和波长．薄膜干涉的教学，可以结合实验、演示来进行，只要求学生初步认识这种现象，不必做进一步的分析．除了肥皂膜的干涉外，两片玻璃之间的空气膜的干涉(小实验1)、浮在水面上的油膜的干涉，都可以让学生观察．如果有牛顿环的实验装置，也可以让学生观察．关于光的干涉在技术上的应用，教材中举了用干涉法检查平面和增透膜的例子．对此只要求学生初步了解其原理，可不再补充．(四) 光的衍射教学要求● 知道光的衍射现象．知道光通过狭缝和圆孔的衍射现象．知道根据衍射条件和光的波长很短，要产生明显的衍射现象，障碍物或孔的尺寸必须很小、很小．(长度数量级范围知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似．教学建议课本只要求学生初步了解光的衍射现象，不做理论讨论，因此与机械波类比和观察实验现象是十分重要的．首先，要结合机械波的衍射，使学生明确光产生衍射的条件．除了演示实验外，要尽可能多地让学生自己动手做实验进行观察．包括节后的小实验2，以及观察小孔衍射(在铝箔或胶片上打出尺寸不同的小孔，以小电珠作光源，距光源1～2米，眼睛靠近小孔观察光通过小孔的衍射花样——彩色圆环)．还可让学生通过羽毛、纱巾观看发光的灯丝(对见到的彩色花样可不作解释)等等，以补学生对这一现象的不熟悉和帮助学生理解．在本节教材中提到泊松亮斑——泊松原以为这下子可以驳倒菲涅尔的波动理论了，事与愿违，菲涅尔和阿拉果接受了泊松的挑战，用实验验证了这个理论结论，实验却成了波动理论极其精彩的实证，菲涅尔为此获得了科学奖金(1819年)．这个科学小故事告诉我们，在科学研究上必须重视理论的指导作用和实践的检验作用；作为科研工作者，必须有坚定的自信心和踏实勤奋的工作态度．今天的学习，在掌握知识的同时，也应培养自己这方面的好品质、好作风．应该让学生了解，光的直进，是几何光学的基础，光的衍射现象并没有完全否定光的直进，而是指出了光的直进的适用范围或者说它的局限性．（五）光的电磁说电磁波谱教学要求● 知道光的电磁说知道光的电磁说的内容．知道可见光是一定频率范围的电磁波．知道红外线、紫外线、X射线等不同频率的电磁波的特点．知道电磁波谱．教学建议这一节和下面一节内容大多属于常识性介绍，在教学方法上宜采取有利于调动学生积极主动性的自学、讨论、小结及其它生动活泼的方式进行，既活跃教学，又有利于培养学生的能力．讲述光的电磁说时要着重说明光的电磁说提出的背景和它的事实依据．还要着重说明提出光的电磁说的重要意义在于使人们认识到光波与机械波有本质的不同．光的电磁说揭露了光现象的电磁本质，把光和电磁统一了起来．对红外线、紫外线、X射线的讲述，要让学生抓住主要特征和它们的应用，并尽可能联系可见到的实例．如有可能，可做实验演示．要使学生理解不同频率范围的电磁波，它们本质上是相同的，它们的行为服从共同的规律，但因为频率的不同又各自具有某些特性．(六) 光谱和光谱分析教学要求● 知道光谱和光谱分析的初步知识．知道什么是发射光谱．知道连续光谱和明线光谱的主要不同．知道什么是吸收光谱．知道什么是元素的特征谱线．知道存在元素的特征谱线是光谱分析的基础．知道光谱分析的一些应用．教学建议与上一节相同，本节可多让学生自己读书、总结、讨论，以调动学生的学习积极性和培养能力．由于学生对光谱接触少，不熟悉，可引导学生对光谱的知识进行归纳，使条理清晰．光谱分析方法根据什么原理，有什么优点，让学生通过读书自己回答．课时容许，可以让学生看一下太阳光谱，明确太阳光谱不是连续光谱而是吸收光谱．由太阳光谱中的暗线可查知太阳大气的组成元素．还可讲一下，人们在1895年从太阳光谱的暗线中确定了当时的新气体“氦”(自希腊文“太阳”来)，后来又在地球上找到它的故事，加深对所学知识的印象，以引起学习的兴趣．（七）光电效应教学要求● 理解光电效应的基本规律和光子说的基本内容．知道爱因斯坦光电方程．知道什么是光电效应，什么是光电子．知道光电效应的规律，知道什么是极限频率．理解光电效应无法用波动理论解释．知道光子说的内容．理解光子说如何解释光电效应．理解爱因斯坦光电方程．教学建议做好演示实验，是教好、学好本节的前提，要创造条件做好实验．根据学校的实验条件，也可将锌板换成光电管并改用可见光照射．光电效应的教学，要突出光电效应的主要规律．这些规律都不能用波动说来解释．只有用爱因斯坦提出的光子说，才能圆满地解释这些规律．学生初次接触这部分知识，对一些名词概念常常混淆不清，如“光子”和“光电子”，“光子的能量”和“光电子的最大初动能”等等。

对光本性的认识摘要本文从人们对光的本性的认识为核心进行展开的，首先对历史上争辩已久的光的关于光的本性的两种学说—波动说和微粒说进行了研究和探讨，在此基础上，重点介绍了光的波粒二象性。

关键词本性；学说；波动性；粒子性0 引言光学是物理学中较古老的一门基础学科，又是当前物理学领域最活跃的前沿之一然而光学也是经过一场场磨难和斗争才发展起来的，其历史被当作自然科学发展史的典范，对光本性认识的争论是光学发展主要动力之一光的本性是什么对这个问题人们自古就有不同的认识，形成了一场关于光的本性的激烈的争论，即微粒说和波动说之争。

1 光本性的两种学说之争关于光本性的两种学说—微粒说合波动说。

其中微粒说的代表人物是牛顿，而波动说则以胡克和惠更斯为代表，牛顿在向皇家学会提交的一封信中，首次提出了自己对光的物质见解，指出“光线可能是球形的物体” 即光的微粒说，牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。

并用这种观点解释了光的直线传播，光的反射和折射。

牛顿的论点遭到胡克等人反对并引起争论。

胡克主张光是一种振动，而且是短促的。

他举出金刚石受摩擦或打击时在暗中会发光来说明他的论点，同时认为在均匀媒质中，振动在各个方向以相等的速度因此发光体的每次振动都将形成一个球面，球面在不断扩大，就像石块落水激起的环波越来越大一样。

这就是较早提出的光的波动性的概念。

惠更斯则在其基础上没有能继续研究下去，即没有从理论上弄清楚振荡电流作为振源，是怎样把电磁振荡传播出去的这样。

惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。

注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。

正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。

开尔文又错过了发现电磁波的契机开尔文曾两次走到电磁理论的大门，但都因其少年早慧带来的弱点徘徊而去，错失发现电磁理论的良机，使其与电磁理论的发现者这一称号无缘。

人类对光本性的认识刘凡班级：10310901 学号:20092263摘要：浅显地讨论和分析光的本质关键词：波动性，粒子性，波粒二象性，量子论在《大学物理》波动光学的引言中，对光是这样描述的：“人类对光的认识始终贯穿着“光的本性是什么？”这一根本性的问题。

17世纪，牛顿(Newton)认为光是一股微粒流，沿直线传播，它可以说明光的反射和折射。

与此同时，惠更斯(Ch. Huygens)提出了光是一种波动。

他认为，光是机械振动在“以太（ether）”这种特殊介质中传播。

直到19世纪初，人们观察到了许多光的干涉、衍射和偏振现象，这些事实为“光是一种电磁波”提供有力的依据。

然而在19世纪末到二十世纪初。

人们对黑体辐射和光电效应等实验规律的研究，又证明了光的量子性，既具有波粒二象性。

首先，先谈一谈对光本性认识的意义：光学是人类较早用来认识和改造自然界的科学之一，在激光问世之后，光学这门古老的学科有了迅速的发展。

不仅丰富了原有传统学科分支=技术光学、薄膜光学的内容外，还形成了许多新的学科分支，如非线性光学，导波光学、强光光学、全息光学，激光光谱学等。

使得对波动现象的研究范畴由不相干到相干, 从线性到非线性, 从稳态到非稳态，从有序到混沌、从纯态到压缩态, 学科知识更加丰富及深化。

而上世纪初诞生的量子论和相对论是对光本性讨论的直接结果。

继续讨论已经而且必将加深对这两个伟大理论的理解和导致新的发展。

我们期望两个理论带来的困惑包括光本性在内的光与物质统一性研究能够带来物理学基础的改革。

其次，先总结一下历史上关于“光的波动说”和“微粒说”对应的著名实验。

关于波动说，荷兰物理学家惠更斯（Christian Huygens）于1690年提出了一条描述波传播特性的重要原理：在波的传播过程中，波前上的每一点都可以看作是发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波的包迹就是新的波面，也就是惠更斯原理。

它成功解释了当时已知的大多数光学现象，建立了惠更斯原理。

人类对光本性的认识摘要：光给我们带来了五彩世界的美丽，“光的本性是什么？”一直以来人们对此曾有过各种猜测和争论。

从人们最初认为的光是一种“很小的微粒”，到光是一种电磁波，最后到人们对光的认识既具有粒子性又具有波动性，经历了几个世纪的争论。

本文将重温历史上那些物理学家的经典实验，结合理论公式推导，带你走进“光的世界”！关键词：光的粒子性、光的波动性、波粒二象性1、前言：光到底是什么？17世纪，牛顿认为光是一股微粒流，沿直线传播，由此形成了几何光学，他以光的折射、反射定律为基础，研究光的直线传播和成像的规律。

由于当时的实验条件和牛顿的威信，人们普遍接承认“光的微粒学说”。

可是到了19世纪初人们观测到了许多光的干涉、衍射、和偏振现象，这些事实不禁让人们对光产生了新的认识……2、第一部分：光的波动性1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地实现了光的干涉实验，首次有力地证明了光是一种波动。

下面介绍一下这个有名的杨氏双缝干涉实验。

实验装置如图所示：为什么我们会观察到屏上的干涉条纹？下面我对屏上的条纹位置作定量分析：S为线光源，其后是一个遮光屏，其上有两条与S平行的狭缝S1、S2，且与S等距离，因此S1、S2是相干光源，且相位相同；S1、S2之间的距离是d ，到屏的距离是D。

P为屏上任意一点，P到S1、S2的距离分别为r1、r2，在屏上取坐标轴O x，向上为正，坐标原点位于关于双缝的对称中心。

P到屏中心O点的距离为x，在D>>d、x，则从S1和S2发出的相干光到达P点的光程差为δ=r2+r1由图可见r12 =D2+(x−d2)2 ,r22 =D2+(x+d2)2两式相减，得r22−r12=2dx由于D>>d、x，所以r2+r1≈2D,由此得δ=dxD故当光程差为半波长的偶数倍时，相位差就是π的偶数倍，两束光相干加强，P点为明纹；而当光程差为半波长的奇数倍时，相位差就为π的奇数倍，两束光相干减弱，P点为暗纹。

目录摘要 (I)Abstract (II)第1章引言 (1)1.1人类对光的本性的认识过程 (1)1.2光的波粒二象性 (3)1.2.1光的粒子性 31.2.2 光的波粒二象性的含义 (4)第2章对波和粒子认识 (6)2.1经典物理中的波和粒子 (6)2.1.1 经典物理中的波 (6)2.1.2经典物理中的粒子 (7)2.2 波粒二象性 (7)2.2.1 波粒二象性的提出 (7)2.2.2 波粒二象性的统一 (8)第3章对光的波粒二象性的剖析 (10)3.1 光子与经典实物粒子的区别与联系 (10)3.2 光的波动性与经典物理中的波的区别与联系 (11)结论 (14)谢辞 (15)参考文献 (16)对光的本性认识的剖析摘要：光是一种粒子，同时也是一种波，光具有波粒二象性。

这两种特性是不同于经典意义下的波和粒子的。

为了更好的区分它们，本文在人类对光的本性认识的基础上，阐述了经典物理中的波和粒子及微观粒子的波粒二象性。

通过对光的波动性和粒子性的深入剖析，进一步加强对光的波粒二象性及二者关系的理解，一方面光子自身具有集中的能量、质量、动量，也就是具有微粒性；另一方面，光存在电磁波的波性，但当光以量子形式存在时，由于其运动的不确定性，而有一概率波与之伴随，也就是光的波动性。

关键词：光的本性；波；粒子；光子；波粒二象性Analysis known to the natural of lightAbstract: Light is particles and simultaneously waves, with the wave-particle duality. These two dualities are different from classical significance wave and granule. In order to distinguish their relation .Thesis elaborated wave and particle in the classical physical and wave-particle duality of the micro-particle on basic of the natural of light which knew to the human. We can understand the wave-particle duality of light and relations between them through analysing undulation and granule of the light. On the one hand, photon has the centralism energy, the quality and momentum, this is its granule. On the other hand, light has undulation of electromagnetic wave. When it existences by form of quantum. It follows with certain probability-wave because of its movement indeterminism. This is its undulation.Key words: natural of light wave particle photon wave-particle duality第1章引言1.1人类对光的本性的认识过程为了解释各种光学现象和探索光的本性，在17世纪时就也形成了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说，19世纪初杨氏和菲涅耳关于光的干涉和衍射的研究，更是奠定了光的波动说的理论基础。

浅谈光的本性认知发展历程作者：师家庆来源：《文存阅刊》2020年第14期摘要：自然科学的发展是人类不断揭露矛盾和克服矛盾的过程。

它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，但也有很多的理论是在科学技术发展前提下对众多的科学假说进行证实或者部分证实的产物，这一产物本身其实也不是完美的，而是一个新的、有质的飞跃的一个新的假说。

其中，光学中对于光的本性——波粒二象性的描述就是很典型的例子。

关键词：理论;科学假说;光学;波粒二象性一、光学的早期发展光学是一门古老而又年轻的学科。

中国的《墨经》、希腊的《光学》等书中，均对光的一些规律进行了描述。

从这时候开始，一直到15世纪末16世纪初是光学发展的萌芽时期。

在这一阶段，所有光学的研究均未涉及光的本性。

二、光的微粒说17世纪中叶，人类开始对光的本质进行探讨。

人们在光的反射、折射等理论的基础上，提出了光的微粒说。

最早由笛卡尔提出。

在力学、数学、天文学的发展中作出巨大贡献的牛顿发展了该模型，提出了光的微粒理论并着手通过实验来验证自己的假说。

然而，在他的很多实验中，结论指向了波动性，如牛顿环实验等。

由此使得牛顿在光的本性问题上犹豫了很久。

微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射、折射定律，但对于干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强，以致牛顿不得不在微粒说中添加了“振动”的因素，认为光微粒在传播途中会受到媒质振动的影响，从而使得光的微粒说能够站住脚。

由于牛顿在自然科学界的巨大声望，使得微粒说在整个18世纪占统治地位。

三、光的波动说1655年，意大利数学教授格里马第观测放在光束中的小棍子的影子时，发现了影子的宽度和直线传播前提下影子的宽度是有差距的。

据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。

格里马第设计了一个实验：让一束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。

他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。

格里马第进一步实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕，这时得到了明暗条纹。