3.1 光是粒子还是波？在线视频

今天我们开始讲第三章

揭开光的面纱

讨论对光的本性的认识

第一节 波还是粒子

主要介绍三方面的内容

一 光源

二 光的粒子说

三 光的波动说

我们所见的光有些是由发光体发出的

如灿烂的太阳光

摇曳的烛光

迷幻的灯笼

和现代都市里四射的灯光

这些都是光源

芳情雀艳若翠仙 飞凤玉皇下凡来

孔雀的羽毛 姹紫嫣红的花朵

和五颜六色的昆虫的颜色

是由于被光反照而产生的物体色

科学家想要回答光是怎么组成的

对此历史上有两种不同的观点

一种认为光是由粒子构成的

另一种则认为光是一种波

波还是粒子这是个问题

牛顿提出光可以是一种微粒

它特别小而且轻

光微粒是物质的另一种形式

它用微粒说这样来解释光的折射现象

一束光微粒照射到空气和水的分界面上

水对光微粒一个向水内的拉力

从而使得光微粒向内部运动加快

折射角变小

而出水时则受到水分子反方向的拉力

折射到空气中时折射角则增加

按照牛顿的微粒说

则光在水中的速度

要大于光在空气中的速度

在那个年代

谁知道光速在水中在空气当中是多快呢

所以他的解释也是蛮有道理的

与牛顿同时代的惠更斯

则提出光是一种波

他认为当这种波从空气入射到水中时

波的边缘会发生弯曲

原理如同一队列队行进的士兵

由坚实的地面走进了泥泞路

而放慢了脚步

后到泥泞路的保持原来的速度前进

而先到泥泞路的则已经放慢了脚步

所以队列弯曲了

用波动的观点同样可以解释清楚

光的折射和反射等现象

而按照惠更斯的说法

则是光在水中的速度更慢

在空气中的速度更快

但是惠更斯也假说光是一种纵波

那么什么是波呢

抖动一根绳子波就传播开来

水珠滴入平静的水面

波纹荡漾开来

拨动琴弦

声音在空气中传播

这些都是机械波的例子

树色荡湖波 波光艳绮罗

在这首诗中显然波和光是联系在一起的

波传播过程当中每一个质点只是做振动

并不随波逐流

所以波实际上是振动

在弹性介质当中

由近及远的传播过程

借助于维持在平衡点附近的往复振动

振动的状态在传播

而这个状态是由相位来描述的

同时携带着能量和信息

沿着传播方向而传播

描述波有几个基本的物理量

波长 周期或频率和波速

我们先来看波长

以绳上的横波为例

这里绳抖动起来已经形成一个波纹了

我们定义相邻的波峰或者波谷之间的距离

就是一个波长

而对于纵波而言

则是相邻的密部和疏部之间的距离

严格的定义是

在同一波线上相位差为2π的两个质点之间

或者是波传播方向上

相邻的两个同相质点之间的距离

而周期则是说波传过一个波长所需要的时间

频率是周期的倒数

也就是单位时间传过完整波的个数

v=1/T

周期和频率是由波源决定的

第三个量就是波速

在波传播过程当中某一个振动状态

在单位时间内所传过的距离就是波速

一根弦线上它的横波

波速u=√F/ρ

其中F是绳中的张力

ρ是指的密度

波速决定于传播介质的密度和弹性模量

三者之间的关系是U=λ/T

和等于上λ乘上ν

波还可以用图像来描述

在波的传播方向上画一系列的线

这些线就称为波线

波可以沿各个方向传播

在空间相同的相位点会构成一个曲面

成为波振面

同一个时刻最前方的波面就称为波前

像这幅是一个球面波

由一开始点发出来一个一个的球面向前传播

这些面就是波面

而各个传播方向就是波线

最前面的那个球面就是波前

而下面这个平面波也是一样

一系列黄色的线表示传播方向是波线

一个一个的面这个波面

而最前面的那个就是波前