浅析人类对光的探索历程.doc

学号：２００９５０４０１４１

本科学年论文

学 院 物理电子工程学院
专 业 物理学
年 级
姓 名 　 　
论文题目 浅析人类对光的探索历程 　　

指导教师 职称 　　
成 绩

年月日

7

目 录

摘 要 1
关键词 1
Abstract 1
Keywords 1
引言 1
1 日常生活中的一些光学现象 1
2 人类早期发现的基本光学现象 1
3 光本质的探索过程 2
3.1波动说和微粒说 2
3.2光的电子假说和证明 4
3.3爱因斯坦的光量子理论 5
4 光在现代科学技术上的应用 6
4.1光纤通信 6
4.2激光技术 7
参考文献 7

浅析人类对光的探索历程

摘 要 ：光在日常生活中应用广泛，本文仅就人类对光的探索历程和光在现代科学技术中的应用进行分析。
关键词 ：光；本质；探索;应用

Analyses the human light exploring course
Abstract ：Light in daily life has been widely used , In this paper , only the human light exploring course of light in application of modern science and technology is analyzed .
Key words ：Light; Essence; Explore; Application
引言
我们生活的世界五彩斑斓，各种事物都呈现出不同的色彩，这些都是光作用的结果。光与人们的生活息息相关，不仅展现事物绚丽多姿的一面，也为我们提供了生存所需的能量。自古以来人们探索光的脚步就从未停下，从简单的小孔成像到激光技术的发展应用，这个漫长的历程中留下了许多前人智慧的结晶。
1.日常生活中的一些光学现象
光学现象在日常生活中应用广泛，如眼镜、显微镜、望远镜、平面镜等应用的是光的折射和反射原理。雨后美丽的彩虹，也是由于阳光射到空中的水滴里，发生反射与折射造成的，我们知道，当太阳光通过三棱镜的时候，前进的方向会发生偏折，而且把原来的白色光线分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光带。下过雨后，有许多微小的水滴漂浮在空中，当阳光照射到小水滴上时会发生折射，分散成7种颜色的光。很多小水滴同时把阳光折射出来，再反射到我们的眼睛里，我们就会看到一条半圆形的彩虹，彩虹的色带分明，红的排在最外面，接下来是橙、黄、绿、青、蓝、紫6种颜色。
2．人们早期发现的基本光学现象
我国春秋战国时期《墨经》就记载了光影的形成、针孔成像和光的镜面反射等现象，墨子和他的学生做了世界上最早的小孔成像实验，并对实验结果做出了光沿直线传播的科学解释。在希腊数学家欧几里德在他的《光学》著作中总结了当时已有的关于光现象的知识和猜测,提出了光的反射定律。[1]
在漫长的历史进程中,人们逐渐认识到光的直线传播、反射和折射等现象,了解到光线来自于物体,光以球面形式从光源发出,发明了凸透镜、凹面镜，以及它们的成像规律。从16 世纪到18 世纪近300年的时间里,人们建立了完备光的反射定律和折射定律[1]。发明了光学仪器,如望远镜、显微镜等。
3.光本质的探索过程
3.1波动说和微粒说
十七世纪中期科学界曾创建了对于光的本质认识的学说，其中之一认为光是极为微小的粒子，因而称为“微粒说”，另一种则认为光是波动运动而称为“光的波动说”。
微粒说的代表人物是英国物理学家牛顿，他以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光，由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现，牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象，揭开了物质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。
与牛顿同一时代的科学家惠更斯发展了光的波动学说，在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心[2]。他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。
牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。因牛顿在学术界的权威和盛名，所以“微粒说”一直占据着主导地位。
1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。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：让一束光穿过一个小孔，让这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。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第首先提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。
英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young,1773-1829）对牛顿的光学理论产生了怀疑。杨氏在1800年写成的论文《关于光和声的实验和问题》中，把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。杨氏干涉实验是牛顿绝对空间粒子光本向麦克斯韦以太空间波动光本过渡的关键性实验[3]。在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起。1811年，苏格兰物理学家布儒斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。
1815年菲涅尔发表了关于光的波动学说，阐明干涉和衍射效应以后不久，就有另一位当时很有名望的科学家泊松提出了异议和反驳，他提出按照菲涅尔的理论可以推算出光源通过一个圆形挡板以后，由圆板边缘所产生的衍射光波会在圆板后面的阴影中心产生一个亮的光点，这在当时是一个不能理解的结论，有人立即为此做了实验，确实在阴影中心看到了小亮点，这一事实不但强烈的支持了菲涅尔的理论，而且还由此坚实的确立了光的波动论。[4]
3.2光的电磁波假说和证明
英国物理学家麦克斯通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。1873年，麦克斯韦在发表了"三部曲"之后，又潜心写出了经典著作《电磁通论》，这部元典相当于电磁学的百科全书，甚至可以与牛顿的《自然哲学之数学原理》相媲美。它系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。
1887年，德国科学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。
在自由空间中，电场和磁场互相激发，电磁场的运动规律是齐次的麦克斯韦方程组（p=0，j=0的情形）：

在真空中可推得光的波动方程，麦克斯韦就据此预言了电磁波的存在。在关于平面电磁波的定量研究中，麦克斯韦除了指出电磁波的横波性之外，还类比予机械波的波速由介质的弹性系数和密度来决定的关系，证明了决定电磁波传播速度的"弹性系数"与电场相联系，"密度"与磁场相联系，于是求出电磁波的传播速度为电介质的磁导率和介电常数之积的平方根的倒数。于是在真空中，电磁波的传播速度为3×10的10次方厘米／秒，恰好等于由实验测定的光速。这个奇妙的结果促使麦克斯韦在他的思想里实现了一个极具创造性的巨大飞跃："两个结果的一致性表明，光和磁乃是同一实体的属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动。"
1868年，麦克斯韦发表了一篇短而重要的论文《关于光的电磁理论》，明确地把光概括到电磁理论中，这就是著名的麦克斯韦确立的光的电磁波学说。这样，麦克斯韦就把原来相互独立的电学、磁学和光学这三个重要的物理学研究领域结合起来，构成十九世纪中叶物理学上的一个重大综合。
3.3光电效应和爱因斯坦光电量子理论
1887年赫兹在研究电磁波性质时发现,如果用紫外光照射电极,那么电极间的放电就变得容易“点着”了。演示这种现象时，将一个阴极置于真空管内，并用光照射它。这时就开始有电子从阴极飞出。这些电子向正电极(方向)运动，产生很微弱的电流。根据麦克斯韦理论我们可以期望，光源的功率越大，释放出的电子所具有的能量也越大。但这却与实验观察到的完全不同。总电流的大小表征着放出的电子数目的多少，它与入射光的强度有关。但对于阴极来说，单个电子的能量只与入射光的颜色(即它的频率)有关。即使是很微弱的光源，只要它的频率足够高，也能引起很大能量的电子的发射。另一方面，低频率的光，不论光源的功率多大，无论如何也不能引起电子的发射。这样的结果是与麦克斯韦理论相矛盾的，因为根据麦克斯韦理论，光也好，电场矢量或者是振动的电磁波也好，都是依靠电场作用于的力而传递能量的。如果光源很弱，则分布于整个空间的电场矢量也很弱。对于这样弱的电场来说，要打出足够能量的电子将需要很长的时间。可是在实验中看到的事实是：不管紫光的强度如何，只要它以射到阴极上，立刻就发出光电子。
1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号h表示，其数值为6.626176×10-27尔格·秒，是微观现象量子特性的表征。他从理论上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，称为普朗克公式。量子假说的提出对现代物理学，特别是量子论的发展起了重大的作用。普朗克在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射，使人们认识到电磁波是某种粒子，既光量子。为了强调光的粒子属性，光量子被称之为“光子”,光子的质量在运动中显示出来。当时电磁学存在着巨大缺陷,[5]按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（速）应该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，而且波也不可能处于静止状态，也就是惯性系中的光速不同。光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家——爱因斯坦的出现。1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。
爱因斯坦坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。但是，根据麦克斯说，宇宙中不可能存在光在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探索和研究，1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，引起了物理学基本概念的重大变革，开创了物理学的新世纪；提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性，用分子运动论解决布朗运动问题；发现了质能之间的相当性，在理论上为原子能的释放和应用开辟道路。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美地结合在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。 
4．光在现代科学技术中的应用
光在近代科学技术上的应用极为广泛，其中光纤通信和激光技术的发展尤为迅速。
4.1光纤通信
光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。[6] 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的串绕非常小；光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听；光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。[7] 光纤通信技术具有频带极宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰能力强；无串音干扰，保密性好的特点。[8] 所以在现代通讯技术上占据主导地位。
4.2激光技术
激光本质上是相干辐射与物质相互作用的产物，而产生激光辐射的物质可以是原子系统、分子系统、也可以是凝聚态物质，如半导体材料。[9] 世界上第一台激光器诞生于 1960 年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用迅猛发展，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。目前激光器及其支撑配套技术：激光测量、激光测距、激光雷达、激光通讯、激光加工与检测、激光医学、激光光谱等先进技术已广泛应用到国防、工业、民用等领域。
参考文献
[1]高润梅．对光本质不断深入探索的启示［Ｊ］．运城学院学报，2003，10（5）
[2]林榕．人类对光本质认识的历程[J]．物理教师，1995．10(2)
[3]江铭波．光本性研究的历史与前景［Ｊ］．湖北工业大学学报，2006，02：9-11
[4]章志明，沈元华，陈惠芬．《光学》［Ｍ］．高等教育出版社，2009,12：117
[5]李艳平，申先甲．《物理学史教程》［Ｍ］．科学出版社，2003：117-141．
[6]王磊，裴丽．光纤通信的发展现状和未来［Ｊ］．中国科技信息，2006，(4)．
[8]何淑贞，王晓梅． 光通信技术的新飞跃［Ｊ］．网络电信，2004，(2) (4)．
[7]辛化梅，李忠.．论光纤通信技术的现状及发展.［Ｊ］．山东师范大学学报，2003，4．
[5]李超.．浅谈光纤通信技术发展的现状与趋势［Ｊ］．沿海企业与科技，2007，7．
[9]闫吉祥．激光原理技术和应用[M]．大连理工大学出版社，2006．8（9）．

学年论文（设计）成绩评定表
评 语

成 绩：

指导教师（签字）：

2011年 月 日

学院意见：

学院院长（签名）：

201年 月 日