惠更斯光的波动说
引言
惠更斯光的波动说是光学领域的一项重要理论，由法国物理学家克里斯多夫·惠更斯于18世纪末提出。该理论基于波动的性质，揭示了光的传播方式以及折射、干涉、衍射等现象。本文将详细介绍惠更斯光的波动说的背景、基本原理以及在光学中的应用。
背景
在惠更斯之前，人们对于光的传播方式存在着两种主要观点，即粒子说和波动说。粒子说认为光是由许多微小粒子组成，而波动说则认为光是一种波动现象。牛顿的撞击说支持粒子说的观点，而胡克等人对波动说提供了支持。然而，这两种观点都无法解释光的传播现象和干涉效应，因此需要一个更全面的理论来解释这些现象。
光的波动性
根据惠更斯的波动说，光是一种横波，通过介质传播。光的波动性可以通过干涉和衍射现象来证明。干涉是指两个或多个波的相遇产生的干涉图样，常见的干涉现象有杨氏实验和干涉条纹的产生。衍射是指光波通过孔洞或物体边缘时发生的弯曲现象，常见的衍射现象有单缝衍射和双缝衍射。
惠更斯原理
惠更斯光的波动说的核心原理是惠更斯原理。惠更斯原理认为，在光传播过程中，每个点都可以看作是一个次波源，次波源发出的波将在后续的传播过程中与其他波相遇，并通过叠加形成新的波面。这一原理可以解释光的传播和干涉现象。
折射和惠更斯原理
惠更斯的波动说对折射现象也提供了合理的解释。根据惠更斯原理，当光从一种介质传播到另一种介质时，次波源将根据相应介质的折射率发出新的波，形成新的波面。这一解释可以定量地解释折射定律，并为光的传播速度提供了合理的解释。
干涉和惠更斯原理
干涉现象是惠更斯光的波动说的重要应用之一。根据惠更斯原理，两个波相遇时，各个次波源会发出新的波，并在相遇点形成干涉图样。例如，在杨氏实验中，光通过狭缝后形成的次波源会产生干涉现象，最终形成明暗相间的干涉条纹。通过测量这些条纹的间距和角度，可以获得有关光波长和波速的信息。
衍射和惠更斯原理
衍射现象也是惠更斯光的波动说的重要应用之一。根据惠更斯原理，光波传播过程中的每个点都可以看作是次波源，光波通过孔洞或物体边缘时会受到衍射现象的影响。例如，通过一个单缝时，光波会呈现出弯曲的衍射图样，通过一个双缝时，光波会呈现出交替的亮暗条纹。衍射现象是光的波动性的直接证据，也是光学中很多实验和现象的解释基础。
光的波动说的实验验证
为了验证惠更斯光的波动说，科学家进行了许多实验。杨氏实验是其中最重要的实验之一，它通过狭缝产生干涉现象，从而证明了光的波动性。其他实验还包括单缝和双缝衍射实验，通过这些实验可以直接观察光的波动特性。
光的波动说的应用
惠更斯光的波动说在光学领域有着广泛的应用。例如，在光学仪器的设计中，我们需要考虑到光的波动性，以避免产生像差。光的干涉现象也被广泛应用于干涉仪、光栅等设备中。此外，光的衍射现象也用于天文学中的星等测量、医学中的X光衍射等领域。
结论
惠更斯光的波动说是光学领域的一项重要理论，它揭示了光的传播方式以及折射、干涉、衍射等现象。惠更斯原理是该理论的核心，它通过次波源的叠加形成新的波面，解释了光的传播和现象。光的波动性通过干涉和衍射实验得到了验证，并在光学领域有着广泛的应用。光的波动说的提出和发展对于现代光学的进步具有重要的意义。
一、光的微粒说与波动说 光的本性是什么？三百多年来，它一直是令人困扰，久盛不衰的课题，它牵动着那么多物理学家的神经，使他们忘寝废餐、苦苦求索。一代又一代才华横溢、学识渊博的学者、泰斗被卷入争论的旋涡，一座又一座“迷宫”出现在他们面前。这场争论极大地影响和推动了近代科学发展的进程，直接导致了《相对论》的诞生。追寻往事，令人感叹，发人深省。 1．根深蒂固的微粒说 远在古希腊时代，亚里士多德等先哲即对光的本性深感兴趣。他们认为光是从物体发出、射入眼睛引起视觉的客观现象，并总结出光的基本性质是：1、光在均匀媒质中直线传播；2、光线相互交汇时互不扰乱对方。 十七世纪文艺复兴时期逐渐形成了光本性的两种学说－－微粒说与波动说。 17世纪的科学巨匠牛顿，也是光学大师。关于光的本性，牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。 但是，微粒说并不是“万能”的，比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。 为了解释这些现象，和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说。惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。谁是谁非，拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕。 尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设究竟谁对谁错。尤其是牛顿在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时，在光学界称雄整个18世纪。 2．英姿焕发的波动说 进入19世纪以后，曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来。一个个崭新的实验事实，使波动说雄姿英发，应付自如，进入了一个“英雄时期”。 第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯?杨。1801年，年轻的托马斯?杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威也许有时阻碍了科学的进步。”托马斯?杨为了证明光是一种波，他在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验。我们知道，干涉现象是波动的一个特性，托马斯?杨的成功，证明了光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，微粒说对此一筹莫展。 给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验。衍射现象也是波的基本特性之一，这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物，或穿过小孔、狭缝而不沿
【发明的故事】（209）---惠更斯光波动说的创始人 【发明的故事】（209）---惠更斯:光波动说的创始人 惠更斯:光波动说的创始人 光是一种什么东西？从古到今人们一直在思考这个问题。开始，人们从光的直线传播和反射定理得到启示，认为光就是像乒乓球一样的粒子。然而，随着光的干涉和衍射现象的发现，人们对这种看法提出质疑。要了解光的历史，我们就必须知道荷兰数学家，物理学家，天文学家——克立斯丁·惠更斯。 克立斯丁·惠更斯，1629年4月14日生于海牙。幼年时，跟随父亲学习数学和力学，16岁进入莱顿大学，两年后转入布勒达大学学习法律和数学。1655年，获得法学博士 学位。他曾访问过巴黎和伦敦皇家学会组织的许多著名学者，其中包括牛顿、莱布尼茨等。1663年他自己也成为伦敦皇 家学会的第一名外国会员. 1665年受聘去巴黎，在此期间，他曾致力于光学的研究。与胡克一样，惠更斯支持光的波动学说，反对牛顿为代表的光的微粒说。他认为，如果光是微粒性的，光在交叉处就会发生碰撞，使光线方向发生改变，可是当时人们都未发现这
种现象，而且利用微粒说固然可以很好地解释反射现象，因为它和刚性小球在刚性上的弹性碰撞发生的反弹现象一模 一样，但却不能解释折射现象。如果用光的微粒说解释折射现象，将得出光在光密媒质（例如水）传播的速度比在光疏媒质中（如空气）光速快的结论，这显然是和实验事实相矛盾的。 惠更斯为此提出了光的波动说，指出光是在“以太”中象波一样地传播的，即著名的惠更斯原理。惠更斯原理有两个要点：1）波阵面上的任何一点都可看作是一个新的波源，各向前发生波动。2）各次波的包面即为下一时刻的新的波阵面。知道了波阵面在任意时刻的位置，就能够知道光的传播方向。惠更斯原理是人类对于自然规律的一种认识，它成功地解释了通常情况下光现象的三个基本定律：直线传播定律，反射和折射定律。 惠更斯认为光是一种机械波，因此，需要传播媒质，他把它称为“以太”。既然声音是波，而空气又是声音的载体，如果根据葛利克的实验，作为波动的光，又能在真空中传播，那么在真空中也一定存在一种传播光的载体，这就是“以太”。“以太”的提出，对整个物理学产生了很大的影响，其后的许多年人们一直在寻找“以太”，但一直没有成功，成为当时物理学晴朗的天空飘着的两朵乌云之一。直到1887年美国物理学家迈克尔逊和莫雷作了精确实验后，才否定了以太的存
惠更斯原理解释衍射 惠更斯原理是描述波动现象中衍射现象的一种基本原理。衍射是波动现象中的特有现象，描述的是波与障碍物或孔径的相互作用过程中的传播特性。下面将从最基本的波动模型和惠更斯原理出发，详细解释衍射现象的发生及其原因。 首先，我们来了解一下波动现象中的基本模型。波动现象可以使用波动方程来描述，其中最基本的波动方程就是三维空间中的波动方程。对于一维情况下的波动，波动方程可以简化为一维波动方程： ∂²u/∂t²= c²∂²u/∂x² 其中，u(x,t)表示波幅的分布，c表示波速，x表示空间坐标，t表示时间。以上方程描述了波动在时空中传播的规律。 在波动现象中，惠更斯原理是解释波通过障碍物或孔径传播后形成衍射的一种基本原理。惠更斯原理的核心思想是，波通过某一点后，每个点都可以看作是一个次波源，次波源发出的波以原波的波前为基准继续传播。 对于障碍物上的波动衍射现象，可以通过以下步骤进行解释。假设有一个平面波垂直照射到一个波长远大于障碍物尺寸的障碍物上。根据惠更斯原理，波通过障碍物上每个点后，各个点都可以看作是次波源。这样，在障碍物后方可以看到波阻塞部分的背后出现了新的波源。
具体通过惠更斯原理进行推导。在波阻塞区域的每个点都可以看作是一个次波源。这些次波源发出的波以波阻塞区域的波前（即原波的波前）为基准继续传播。在波传播过程中，不同次波源发出的波相位存在差异，当波阻塞区域的尺寸大于波长时，波的传播过程会导致相干干涉现象的产生。具体而言，当障碍物上不同点的次波源相对于某一特定观测点的相位差达到整数倍时，这些次波源的波振幅将相长干涉，使得观测点的波幅增强；当次波源的相位差为奇数倍时，这些次波源的波振幅将相消干涉，使得观测点的波幅减弱或干脆消失。 相干干涉的结果，就是障碍物后形成的衍射现象。通过惠更斯原理的推导，可以得到经典的夫琅禾费衍射公式，用于计算衍射波的幅度分布。夫琅禾费衍射公式可以用来解释从一个狭缝或者一个光阑上发出的波的传播特性。 在绕射现象中，光通过狭缝或者孔径后会发生弯曲，即传统的几何光学中所描述的直线传播效应无法预测地形成了局部的偏离。这是因为在波动光学中，波面在通过狭缝或者孔径后会发生弯曲，这种弯曲就是衍射现象。 总结来说，惠更斯原理对波的传播进行解释，每个点都可以看作是次波源。障碍物或者孔径对波传播过程中产生的相位差导致相干干涉，形成了衍射现象。惠更斯原理的应用使我们能够理解光线如何避开障碍物，绕射到背后的区域，为我们认识光的传播提供了基础。衍射现象的研究在物理学、光学等领域有着广泛的应
4.4光的微粒说和波动说 什么是光？光的本性是什么？它由什么组成？每一位研究光学现象的物理学家都必然会涉及这些问题。从折射定律和色散现象的研究也可看出这一点。 笛卡儿主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空或均匀媒质中作惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出了自己的解释。可见，不论是笛卡儿还是牛顿，都没有对光的本性作出肯定的判断。 4.4.1早期的波动说 胡克明确主张光是一种振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为光是类似水波的某种快速脉冲。在1667年出版的《显微术》一书中，他写道①： “在均匀媒质中，这种运动在各个方向都以同一速度传播，所以发光体的每个脉冲或振动都必然会形成一个球面。这个球面不断扩大，就如同把石块投进水中在水面一点周围的波或环，膨胀为越来越大的圆环一样（尽管要快得多）。由此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交。” 荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想。他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。1678年他向巴黎的法国科学院报告了自己的论点（当时惠更斯正留居巴黎），并于1690年取名《光论》（Traite de laLumiere）正式发表。他写道①： “假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，其射线在传播中一条穿过另一条而互相毫无影响，就完全可以明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质迁移所引起，就象穿过空气的子弹或箭那样。” 罗迈（Olaf Roemer， 1644—1710）在1676年根据木星卫蚀的推迟得到光速有限的结论，使惠更斯大受启发。罗迈观测到当地球行至太阳和木星之间时，木卫蚀提早7—8分钟，而当地球行至太阳的另一侧时，木卫蚀却推迟7—8分钟。由此推算光穿越地球轨道约需22分钟。惠更斯根据罗迈的数据和地球轨道直径计算出光速c=2×108米/秒。这个结果虽然尚欠精确，却是第一次得到的光速值。于是惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就象振动
惠更斯光的波动说 引言 惠更斯光的波动说是光学领域的一项重要理论，由法国物理学家克里斯多夫·惠更斯于18世纪末提出。该理论基于波动的性质，揭示了光的传播方式以及折射、干涉、衍射等现象。本文将详细介绍惠更斯光的波动说的背景、基本原理以及在光学中的应用。 背景 在惠更斯之前，人们对于光的传播方式存在着两种主要观点，即粒子说和波动说。粒子说认为光是由许多微小粒子组成，而波动说则认为光是一种波动现象。牛顿的撞击说支持粒子说的观点，而胡克等人对波动说提供了支持。然而，这两种观点都无法解释光的传播现象和干涉效应，因此需要一个更全面的理论来解释这些现象。 光的波动性 根据惠更斯的波动说，光是一种横波，通过介质传播。光的波动性可以通过干涉和衍射现象来证明。干涉是指两个或多个波的相遇产生的干涉图样，常见的干涉现象有杨氏实验和干涉条纹的产生。衍射是指光波通过孔洞或物体边缘时发生的弯曲现象，常见的衍射现象有单缝衍射和双缝衍射。 惠更斯原理 惠更斯光的波动说的核心原理是惠更斯原理。惠更斯原理认为，在光传播过程中，每个点都可以看作是一个次波源，次波源发出的波将在后续的传播过程中与其他波相遇，并通过叠加形成新的波面。这一原理可以解释光的传播和干涉现象。 折射和惠更斯原理 惠更斯的波动说对折射现象也提供了合理的解释。根据惠更斯原理，当光从一种介质传播到另一种介质时，次波源将根据相应介质的折射率发出新的波，形成新的波面。这一解释可以定量地解释折射定律，并为光的传播速度提供了合理的解释。
干涉和惠更斯原理 干涉现象是惠更斯光的波动说的重要应用之一。根据惠更斯原理，两个波相遇时，各个次波源会发出新的波，并在相遇点形成干涉图样。例如，在杨氏实验中，光通过狭缝后形成的次波源会产生干涉现象，最终形成明暗相间的干涉条纹。通过测量这些条纹的间距和角度，可以获得有关光波长和波速的信息。 衍射和惠更斯原理 衍射现象也是惠更斯光的波动说的重要应用之一。根据惠更斯原理，光波传播过程中的每个点都可以看作是次波源，光波通过孔洞或物体边缘时会受到衍射现象的影响。例如，通过一个单缝时，光波会呈现出弯曲的衍射图样，通过一个双缝时，光波会呈现出交替的亮暗条纹。衍射现象是光的波动性的直接证据，也是光学中很多实验和现象的解释基础。 光的波动说的实验验证 为了验证惠更斯光的波动说，科学家进行了许多实验。杨氏实验是其中最重要的实验之一，它通过狭缝产生干涉现象，从而证明了光的波动性。其他实验还包括单缝和双缝衍射实验，通过这些实验可以直接观察光的波动特性。 光的波动说的应用 惠更斯光的波动说在光学领域有着广泛的应用。例如，在光学仪器的设计中，我们需要考虑到光的波动性，以避免产生像差。光的干涉现象也被广泛应用于干涉仪、光栅等设备中。此外，光的衍射现象也用于天文学中的星等测量、医学中的X光衍射等领域。 结论 惠更斯光的波动说是光学领域的一项重要理论，它揭示了光的传播方式以及折射、干涉、衍射等现象。惠更斯原理是该理论的核心，它通过次波源的叠加形成新的波面，解释了光的传播和现象。光的波动性通过干涉和衍射实验得到了验证，并在光学领域有着广泛的应用。光的波动说的提出和发展对于现代光学的进步具有重要的意义。
惠更斯原理与光的直线传播 如果从自然现象的观察层面讲，或者是基于生活经验来说，光的粒子说应该是比光的波动说更“合理”一些，比如，在空气中光沿直线传播与粒子的惯性性质非常得一致，对光的反射现象也是粒子说要直观形象些。毕竟，光的波动理论过于学术化。但是，如果从物理学研究的角度看，在折射现象上，粒子说就过于牵强了，比如说，在透明物质，如玻璃中“光粒子”如何才能前行，且又能直线前进呢？ 现在，我们想光的波动说之所以长时间不被接受，也是自身理论存在较大缺陷的原因。我想最大的问题在于其“机械论”的色彩，即把光现象看成某种机械运动过程。用弹性波的图像去应对光波（这就必须设想存在一种特殊的弹性介质——以态，按照理论要求和实际状况，该介质必须同时具有密度极小和弹性模量极大两方面的性质，而这两方面的物理性质是相互矛盾的），确实是不合逻辑的。 下面，我们一起来体会用惠更斯原理说明光的直线传播现象，从而感受该原理（它可看成是光的波动说的理论核心）的有效性和不足。 1． 惠更斯原理的基本内容 首先我们要明确波面和波线（此处即光线）的概念。物理中的波动，一般都是周期性的，那么，在同一振源的波场中，扰动（波动是扰动在空间里的传播）同时到达的各点具有相同的相位，这些点的轨迹称为波面。比如，由一个点振源发出的波，在各向同性的均匀介质中的波面就是以振源为中心的球面，这种波当然就是球面波。而从离振源很远的地方看，其波面就趋于平面，此即我们常说的平面波。 惠更斯原理就是关于波面传播的理论。它可以通过图1进行 形象地说明： 在某一时刻t 由振源发出的波扰动传播到了波面S 。惠更斯提 出：S 上的每一面元可认为是次波的波源。由面元发出的次波向 四面八方传播，在以后的时刻t '形成次波面。在各向同性的均匀 介质中，次波面是半径为t v ?的球面，其中v 为波速，t t t -'=?， 那么，这些次波面的包络面S '′就是t '时刻总扰动的波面。 很显然，惠更斯原理回避了次波向后传播的可能。 用惠更斯原理可以对光的反射和折射现象作出完美的解释， 这在高中教材中有详细的过程描述。 2． 用惠更斯原理对光的直线传播问题进行解释 要想验证光的直线传播，必须用带小孔的障板把一束较窄 的光分离出来，如图2所示。由这束光的边缘光线就可以考查 直线传播定律是否成立。 我们可以画出点波源Q 发出的球面波传播到障板开口处的 波面。按照惠更斯原理，这波面上每个面元都是一个次波中心，当然只有未被障板遮住的部分AB 发出的次波才对障板后面的 空间起作用。 考虑以后的某一时刻，画出此时波面S 上的AB 部分每点发出的次波的波面，并作这些次波面的包络面CD 。当然CD 也是以Q 为中心的球面的一部分。 针对上面的情况，惠更斯指出，只有各次波的包络面CD 上才发生可觉察的总扰动， 也图 1 图2
利用惠更斯原理证明光的折射定律 惠更斯原理是光学中的重要原理之一，它可以用来证明光的折射定律。惠更斯原理是法国物理学家惠更斯在17世纪提出的，它的基本思想是：每个波前上的每个点都可以看作是一个次波源，它们发出的新的波前是原来波前的衍射。这个原理可以用来解释光的传播，以及光的折射和反射等现象。 光的折射定律是指：光线从一种介质进入另一种介质时，入射角和折射角的正弦之比是一个常数，这个常数叫做这两种介质的折射率之比。这个定律可以用惠更斯原理来证明。 在证明过程中，我们首先需要了解光的波动模型。根据这个模型，光可以看作是由很多个波峰和波谷组成的波浪形式的电磁波。这些波峰和波谷在传播过程中会遇到各种不同介质的边界，这时就会出现反射和折射等现象。 当光线从一个介质进入另一个介质时，它的速度会发生改变，这时就会发生折射现象。根据惠更斯原理，我们可以将入射光线上的每个点都看作是一个次波源，它们发出的新的波前是原来波前的衍射。这些次波源发出的新的波前将会与其他次波源发出的波前相遇，在相遇的地方就会出现增强或者减弱现象。根据这个原理，我们可以推导出光的折射定律。 具体地说，当光线从一个介质进入另一个介质时，它会遇到一个分
界面。在这个分界面上，光线就会发生折射。根据惠更斯原理，我们可以将入射光线上的每个点都看作是一个次波源，它们发出的新的波前是原来波前的衍射。这些次波源发出的新的波前将会与其他次波源发出的波前相遇，在相遇的地方就会出现增强或者减弱现象。如果我们将这些波前画出来，就可以看到一个新的光线从分界面上发出，这个光线的入射角和折射角之间满足光的折射定律。 根据惠更斯原理，我们还可以进一步推导出光的反射定律。当光线从一个介质进入另一个介质时，如果它的入射角大于某个临界角，那么光线就不会折射，而是会被反射回来。这时，我们可以将入射光线上的每个点都看作是一个次波源，它们发出的新的波前是原来波前的衍射。这些次波源发出的新的波前将会与其他次波源发出的波前相遇，在相遇的地方就会出现增强或者减弱现象。如果我们将这些波前画出来，就可以看到一个新的光线从分界面上反射出来，这个光线的入射角和反射角之间满足光的反射定律。 惠更斯原理是光学中的一个重要原理，它可以用来解释光的传播、折射和反射等现象。通过应用惠更斯原理，我们可以推导出光的折射定律和反射定律，这些定律在实际应用中具有重要的意义。
光的粒子性与波动性 光作为一种电磁波，在早期的科学观念中被视为一种传播的波动现象。然而，通过对光的深入研究，我们意识到光既具有波动性，又具 有粒子性。这一发现颠覆了传统的科学观念，对于我们理解光的本质 以及物质世界的性质起到了重要的推动作用。 1. 光的波动性 光的波动性最早由荷兰科学家惠更斯提出。根据惠更斯的波动理论，光在传播过程中表现出与水波类似的特性，包括折射、反射、干涉和 衍射等现象。这些现象可以用波动模型来解释，并且得到了实验证实。 折射现象是光通过介质传播时由于光速变化而改变方向的现象。惠 更斯通过波动理论解释了这一现象，将光的传播看作是波动在介质中 的传递。 反射现象是光遇到边界时发生的现象，其中光的入射角等于反射角。惠更斯的波动理论也能成功解释这一现象，认为反射是由于波动碰到 障碍物后回到原来的介质。 干涉现象是多个波动源产生的波相遇时形成的干涉图样。这种干涉 可以解释光的明暗条纹和彩色光的分光现象。 衍射现象是光通过障碍物的缝隙或物体边缘时，光线发生弯曲和扩 散的现象。这种衍射现象证明光具有波动性，因为波动可以通过缝隙 传播，扩散到不同的区域。
2. 光的粒子性 光的粒子性最早由德国科学家爱因斯坦提出。他基于对光电效应的研究，提出了光的粒子性假设，即光可以看作是由一连串的微粒（光子）组成的。 光电效应是指当光照射到金属表面时，会导致电子的排斥或排出现象。根据爱因斯坦的光粒子假设，光的能量是由一系列离散的能量量子组成，而光子的能量与其频率有关。只有当光的频率高到达一定阈值时，光子的能量才能够足够大，使得金属表面的电子脱离束缚。 爱因斯坦的光粒子假说在解释光电效应、光的散射以及光的吸收与发射等现象方面得到了很好的解释。而且后来的实验也证明，光具有波长和频率的双重性质，支持了光的粒子性。 3. 波粒二象性 尽管光既具有波动性，又具有粒子性，但并不是说光既是波也是粒子。波粒二象性代表了光的本质上既是波动又是粒子的一种描述。 量子力学就是解释光及其他微观粒子行为的基本理论。根据波粒二象性，光可以被看作是一种粒子（光子）的集合，但同时也可以被看作是波动的传播。这种波粒二象性不仅适用于光，还适用于其他一些微观粒子，如电子、中子等。 波粒二象性的提出对量子力学的发展产生了重大影响。它突破了传统物理学的观念，拓展了我们对于自然界的认识。 结论
惠更斯原理名词解释 惠更斯原理是光波动理论的重要基石之一。本文将对其做名词解释，让你能够快速明白其中所讲述的物理道理。 比如，在不考虑声音的前提下，如果一盏发光的灯泡距离某点声源的距离为r，那么它所辐射出的光在r之内都可以照亮整个空间，并且该光的波长与距离成反比，也就是说该光在整个r的范围内都是人眼无法观测到的。这就是所谓的“全反射”现象。但是我们知道光是由一个个的独立粒子组成的，所以这样的现象仅存在于该区域内，不会像镜子反射时一样照亮整个空间。那么如何解释这种“有声音时没光”的奇怪现象呢？ 最简单的例子就是水波。如图所示，当你拨动一块石头或者敲打一块木头，我们就可以发现，水面上会激起很多小波纹。而在海边，你会发现，虽然海浪不停地拍打着海岸，但是海水里却没有泛起波纹，只是静止不动。因此，科学家得出了这样的结论：当你敲击一个表面光滑、粗糙程度相差很大的物体时，它在物体表面形成的凹凸不平的波痕一定不一样，也就是它们传播的速度不同，所以导致了光速不同，所以会有有声音时没光的情况出现。 那么为什么我们可以得到这样的结论呢？实际上是由于光具有 波粒二象性，即它可以像微粒一样，在一维空间内运动，同时也可以像波一样，在二维空间内传播。另外，由于光是电磁波的一种，所以它的传播速度也可以随周围的介质的不同而变化，比如一般的固体和液体对电磁波的传播速度影响不大，而气体则会显著影响其传播速度。
所以，物体在不同的环境下，由于各种介质的密度和分子布朗运动等因素的影响，它发出的光在不同的传播路径下的传播速度就不一样，也就导致了有声音时没光的奇怪现象。这也是为什么当你用手指按压水面时，水面总是会泛起波纹，而当你摇晃一盆水时，水面又不会起波纹的原因。 看来要想弄清楚这个问题还得从源头——声音开始研究。如果声音在固体、液体和气体介质中传播时，都会改变声波的传播方向和速度，那么这些波在不同介质中传播的速度是否也会不同呢？科学家通过研究发现，声音在气体中传播的速度确实要远远低于在液体中和固体中传播的速度，因此这也解释了为什么敲击木头时水面会激起小波纹，而按压水面时则没有。
走近科学：跨越300年的光是波还是粒子之争，到底争些啥？ 展开全文 量子力学的诡异之根源在于“波粒二象性”。 要揭开量子力学之迷，不得不先从了解光的波粒二象性开始。 如果量子力学是一部传奇的故事，光的“波”“粒”之争就是它的前传，我们就从这场跨越三个世纪的“论战”开始吧...... 首先，请闭上眼睛，先回顾一下这场“ 回肠荡气“”波澜壮阔”的画面： 古希腊时代人们就开始思考关于光的本质。根据经验观察和元素说的影响，那时人们认为光是一粒一粒的。 17世纪初，笛卡尔第一次提出了光是波的看法，加上惠更斯的支持，整个17世纪人们主要的观点就是，光是一种波。 18世纪初的1704年，牛顿发表了《光学》，他说光是一种粒子。于是整个18世纪人们几乎都承认，光是一种粒子。 19世纪初的1803年，托马斯.杨做了一个著名的实验，叫双缝干涉实验，它证实光是一种波。加上后来麦克斯韦电磁理论的证实与支持，于是人们在整个19世纪里都相信，光还是一种波。 20世纪初的1905年，爱因斯坦的光电效应理论说明，光也可以是一样粒子，于是人们都被搞懵了…… 真是各领风骚一百年啊！ 都争了300来年，还是别争了，现在大家都相信光不仅是一种波，也可以是一粒子，还可以同时是一种粒子和波，这就是光的“波粒二象性”。 几百年来这场争论是如何展开的？他们都争了些啥？ 在古希腊时代，人们只是凭生活的经验去理解，为何光只能走直线？光遇到了障碍物怎么不会绕过去呢？光在水中为什么会发生折射现象？....等等。这些观察到的现象加上当时元素说的影响，人们认为光应该是一颗颗非常小的“光原子”组成。这种理论我们称之为光的“微粒说”。当时欧几里得的《反射光学》也论述到光的直线传播原
高中物理光的微粒说和波动学说 一.光的微粒说和波动学说 . 1.光的微粒说 : 代表人：牛顿 论点：光是由光源发出的高速弹性粒子流。 论据：可以解释光的反射 ,光的直线传播。 困难：不能解释光在介质界面处同时发生折射，反射。以及几束光在空中相遇时互不影响的独立 传播现象。 2.光的波动学说 : 代表人：惠更斯 论点：光是由光源发出的波。 论据：可以解释光的反射 ,折射现象。以及几束光在空中相遇时互不影响。 困难：不能解释光的直进，影子现象。 3.光的电磁说： 代表人：麦克斯韦 论点：光是由光源发出的电磁波。
论据：电磁波是物质波，不需要介质。光速与电磁波波速相同。 困难：不能解释光电效应。 二.光产生 (稳定 )干涉的条件 . 1.频率相同 (宏观表现为颜色一样 ),相差恒定 ,振动状态相同的两个相干光源发出的光相遇才能产 生稳定的干涉现象 . 2.事实上只有将一束光一分为二才能形成相干光源 . 三.干涉条纹的特征 . 1.入射光为单色光时 ,干涉条纹是明暗相间的条纹 ,亮纹和暗纹的宽度是一样的即条纹是等间距的 . 中央是亮条纹 ,两侧对称的分布明暗相间的条纹 . 2.入射光为复色光 (白光 )时 ,干涉条纹是彩色条纹 .中央是亮 (白色 )条纹 ,两侧对称的分布彩色条纹 , 从中央到两边依此是紫 -------- 红. 3.缝宽一定时 ,入射光波长越大 ,条纹间距越大 .入射光波长一定时 ,缝越 窄 ,,条纹间距越大 . 条纹间距是指相邻两条亮 (暗)纹间距 ,或一明纹加一暗纹宽度 . 4.条纹间距公式 : △x = L? λ /d (其中 L 指双缝到屏的距离 , d指双缝间距 , λ是入射光波长 .此式可以
惠更斯原理 作者：一点秋出自：午夜“insert”&“de...浏览/评论：811/0日期：2021年5月 18日23:00 科学家：惠更斯 历史背景： 人们对光的本性的认识经历了漫长的岁月，大约在十七世纪形成了两种对立的学说， 即光的波动说与微粒说，但在以后很长一段时期内，微粒说占据统治地位，而波动说几乎 消声匿迹．历史发展到十九世纪初，由于一连串的发现和众多科学家的努力使光的波动说 再次复兴，并压倒了微粒说．二十世纪初，爱因斯坦提出了光的量子说，康普顿证实了光 的粒子性，使人们对光的本性又有全新的认识，乃至到今天，人们认识到光具有波粒二象性．人们对光的本性的认识过程可概括为：光的波动说→光的微粒说→光的波动说→光的 量子说→光的粒子说→光的波粒二象性． 一、光的波动说道的构成 十七世纪形成了关于光的本性的两种学说，历史上主张光的波动说有笛卡儿、胡克、 惠更斯等人． 1．笛卡儿借助以太来说明光的传播过程 十七世纪上半叶，法国物理学家笛卡儿（1596―1650）曾用他提出的“以太”假说来 说明光的本性．他用以太中的压力来说明光的传播过程．如果一物体被加热并发光，这意 味着，物体的粒子处于运动状态并给予这一媒质的粒子以压力．这一媒质被称为以太，它 充满了整个空间．压力向四面八方传播，在达到人眼后引起人的感觉，他把人们对物体的 视觉比喻为盲人用手杖来感知物体的存在，他把光的颜色设想为起源于以太粒子的不同的 转动速度，转得快的引起红色的感觉，转得慢的对应于黄色，最慢的是绿色和蓝色．他的 主张是强调媒质的影响，以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出 发点，把光看作压力或者脉动运动的传播，因而笛卡儿被认为是光的波动说的创始人． 2．胡克把光波与水波投影表示光的波动性 胡克在1665年出版的《显微术》一书，明确提出光是一种振动．他以钻石受到摩擦、打击或加热时在黑暗中发光的现象为例，认为发光体的一部分处在或多或少的运动中，又 因金刚石很硬，肯定它是一种很短的振动．在分析光的传播时，胡克提到了光速的大小是 有限的，并认为“在一种均匀媒介中，这一运动在各个方向都以相等的速度传播”，因此 发光体的每一个振动形成一个球面向四周扩展，犹如石子投入水中所形成的波那样，而射 线和波面交成直角．胡克还把波面的思想用于对光的折射现象的研究，提出了薄膜颜色的 成因是由于两个界面反射、折射后所
光的波动说的复兴 托马斯·杨、菲涅尔 19世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文揭开序幕的。杨（1773—1829）生于英国的米斯维顿一个富裕的家庭。据说他2岁就能读书，4岁已将《圣经》通读两遍，是一位十足的神童。青年时代，他是一位多才多艺的人，会十几门外语，能演奏多种乐器。他起先在爱丁堡大学学医，后在德国哥廷根大学取得了博士学位，1799年开始在伦敦开办诊所。 杨的光学研究始自对视觉器官的研究。他第一个发现，眼球在注视距离不同的物体时改变形状。1800年，杨发表了《关于光和声的实验和问题》一文，对延续了一个世纪的微粒说提出异议。他说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是万无一失的。我遗憾地看到他也会弄错。而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”“在文章的光学部分，杨提出了否定微粒说的几个理由：第一，强光和弱光源所发出的光线有同样的速度，这用微粒说不好解释；第二，光线由一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒说解释也很牵强。在文章的声学部分，杨依据水波的叠加现象，提出了声波的叠加理论。他把由叠加造成的声音的加强和减弱称为“干涉”。在声波干涉中，“拍”现象即叠加造成的声音时断时强的效果，引起了杨的特别注意。他联想到，如果光是一种波动，也应该有干涉和拍现象，即两种光波叠加时，应该出现明暗相间的条纹。 1801年，杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文。文中正式将干涉原理引入了光学之中，并且用这一原理解释薄片上的色彩和条纹面的衍射。在这篇论文中，杨还系统地提出了波动光学的基本原理，提出了光波长的概念，并给出了测定结果。杨指出，正是由于光波长太短，以致遇障碍物拐弯能力不大，人们才很难观察到这类现象。 杨的论文在英国学界引起了敌视。当然，他的论文在阐述实验方面不够明晰。尽管他本人实际上做过十分精确的实验，但由于表述的问题使读者感到干涉理论只是一些没有实验根据的理论推测。杨没有气馁，继续进行实验研究，于1803年发表《物理光学的实验和计算》，对双缝干涉现象进一步做出了解释。在1807年出版的《自然哲学讲义》中，杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。 1809年，法国物理学家马吕斯（1775—1812）发现了光在双折射时的偏振现象。众所周知，纵波不可能出现偏振现象，这使杨新近复兴的波动说遇到了极大的困难。微粒说的信奉者以此对波动说发起攻击。杨于1811年给马吕斯写信说：“你的实验证明了我所采用的理论的不足，但是这些实验并没有证明它是错的。”1817年，杨终于发现了摆脱这个麻烦的途径。他在1月12日给法国物理学家阿拉果的信中说，光波不是一种纵波，而是一种横波，而偏振完全可以用横波加以解释。 几乎独立地提出光的波动学说的还有法国物理学家菲涅尔（1788—1827）。与杨相反，他从小非常迟钝，身体也不好，后来由于刻苦努力成了一名工程师。由于反对拿破仑，他曾被关进监狱一段时间。1814年，他对光学开始感兴趣，次年便向科学院提交了第一篇光学论文。文中仔细地研究了光的衍射现象，并提出了光的于涉原理。菲涅尔的论文实验证据确凿，很快在法国物理学界获得支持。本来信奉微粒说的阿拉果，在受命审查菲涅尔的论文之后，第一个改信波动说。菲涅尔与阿拉果一起继续进行实验研究，于1819年证实了杨关于光是一种横波的主张。 菲涅尔在毫不了解杨的工作的基础上独立地提出了光的波动理论。令人高兴的是，他与杨之间并未发生优先权之争。当阿拉果将他的论文介绍给杨时，杨对此进行了高度的评价。由于他们的齐心协力，微粒说一统学界的局面被打破。在波动学说基础上的光学实验大量涌现，使19世纪在物理光学方面取得了重大的进展。 泊松光斑 法国著名物理学家菲涅耳（A．J．Fresnel 1788～1827）是光的波动学说的先驱，他以高超的实验技巧和杰出的数学才能，建立了光的衍射实验和理论，从而稳固地确立了光的波动学说在物理学史上的地位。 1814年，菲涅耳开始致力于光的本性的研究，他再无重见了托马斯·扬（Thomas Young）于1801年建立的光的双缝干涉实验，并用惠更斯原理对这一现象作出完美的解释。与此同时，他开始研究小孔出射
课题：光的微粒说和波动说 一、教学目标： 1、要求知道牛顿和惠更斯关于光的本性的不同说法。 2、要求知道并能理解微粒说和波动说在解释光的直进、反射、折射的成功和困难。 二、教学容及过程： 前面一章已学过几何光学知识，以光线概念为根底，讨论了光的传播规律，对光的一些性质有了初步了解。如： 1、光在均匀介质中是沿直线传播的； 2、光照射到两种介质的界面处会发生反射和折射； 3、光的传播速度很大，在真空中为最大，c=3.0×108m/s。 4、光具有能量。 但对于光的本性还没有深一步的探讨。几千年来，人们为了解释这些现象，对于光的本质是什么，经过粒子说和波动说的变替开展，逐渐认识光的本性——波粒二象性，这是本章学习的重要容。这节课我们先来回忆对光的本性认识的曲折历程；然后学习光的干预、衍射等，证明光具有波动性的实验和现象，进而从理论上认识光的波动性。 引导学生阅读课文“光的微粒说和波动说〞。 阅读后小结如下： (1)17世纪同时出现了两种学说——牛顿的微粒说和惠更斯的波动说； (2)两种学说对光的现象的解释各有成功和缺乏之处； (3)19世纪初从实验中观察到了光的干预、衍射现象，证明了光具有波动性； (4) 19世纪末发现了光电效应，证实了光具有粒子性。所以光既具有波动性又具有粒子性。本章就从这两方面来认识光的本性。 (一)人类对光的本性的认识历史 1、光的微粒说：光是沿直线传播的粒子流，人的视觉就是光粒子进入人的眼睛引起的，这是以光的直线传播为根底的模型。
光的微粒说能成功地解释：光的直线传播，光的反射现象以及光的色散现象。但它不能解释光在两种介质的界面上会同时发生反射和折射；更不能解释几束光线穿插相遇后彼此会毫无阻碍地继续向前传播。 2、光的波动说：光是*种振动以波的形式向外传播：这是荷兰物理学家惠更斯提出的。〔因17世纪，发现光在传播时会偏离直线〕 波动说能成功地解释：光同时发生反射和折射，几束光相遇互不相干等现象。但由于当时对光的“波长很短很短〞这一点还不清楚，因此对光照射的物体后面会留下清晰的影子还解释不了。即不能解释光的直线传播现象。 微粒说在17世纪和18世纪占主导地位，其原因有：牛顿的威望，力学的成就使人们思维上产生定势；波动说本身的不完善，当时的实验事实还不能分出谁是谁非。 直到19世纪初，人们成功地观察到了光的干预和衍射现象等波的特征，波动说才获得了公认，使光的波动理论得到迅速开展。 3、光的电磁说：随着物理学各方面的开展，麦克斯韦提出了电磁波的理论，进而得出了光是电磁波的结论，惠更斯的波动说开展到了麦克斯韦的电磁说。 4、光子说：19世纪末，光电效应被发现了〔说明现象〕，这证明了它具有粒子性，波动说在光电效应面前束手无策，人们又认识到光确实具有粒子性〔不连续性〕，爱因斯坦提出了光的量子理论——光子说，从而使人们认识到：光既有波动性，又有粒子性。 5、最后统一到光既有波动性，又具有粒子性〔但这种粒子已不再是牛顿提出的机械微粒模型了〕，即光具有波粒二象性。