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1、最美光学实验最美光学实验 20022002年年9 9月份的月份的物理学世界物理学世界杂志上刊杂志上刊登了有史以来最美的十大物理实验,其中登了有史以来最美的十大物理实验,其中排名第四和第五的分别是牛顿的棱镜分解排名第四和第五的分别是牛顿的棱镜分解太阳光实验和托马斯太阳光实验和托马斯杨的光双缝干涉实杨的光双缝干涉实验,这两个实验属于光学领域。验,这两个实验属于光学领域。NewtonNewton(16431643-17271727)英国物理学家、天文英国物理学家、天文学家、数学家。学家、数学家。1.1.牛顿牛顿的棱镜分解太阳光实验(排名第四)的棱镜分解太阳光实验(排名第四)亚里士多德认为白色是一种再
2、纯不过的光亚里士多德认为白色是一种再纯不过的光,而平常我们所见而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光,是不纯净的是不纯净的,这种结论直到这种结论直到1717世纪大家对这一种结论坚信不移世纪大家对这一种结论坚信不移。从从16701670年到年到16721672年年,牛顿研究了光的折射牛顿研究了光的折射。他把一面三棱镜放他把一面三棱镜放在阳光下在阳光下,透过三棱镜透过三棱镜,墙上出现不同颜色的光带墙上出现不同颜色的光带,后来我们称后来我们称作为光谱作为光谱。人们知道彩虹由七种颜色组成人们知道彩虹由七种颜色组成,但是大家认为那是但是大家认为那是
3、不正常的不正常的。牛顿的结论是:正是这些牛顿的结论是:正是这些红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光光。白光实际上是非常美丽的白光实际上是非常美丽的。牛顿牛顿的棱镜分解太阳光实验的棱镜分解太阳光实验 牛顿牛顿的棱镜分解太阳光实验的棱镜分解太阳光实验 意义意义:不仅为颜色理不仅为颜色理论奠定了基础论奠定了基础,而且而且为光谱学的研究和发为光谱学的研究和发展开辟了道路展开辟了道路。Thomas Young(1773Thomas Young(1773-1829)1829)英国医生、物理学家英国医生、物理学
4、家,光的波动说的奠基人之一。光的波动说的奠基人之一。2.2.托马斯托马斯杨的光双缝干涉实验(排名第五)杨的光双缝干涉实验(排名第五)光的本性是光学研究的重要课题。光是粒子还光的本性是光学研究的重要课题。光是粒子还是波是波,这个问题在历史上经历了三个世纪的争这个问题在历史上经历了三个世纪的争论论。争论双方具有代表性的是牛顿的微粒说争论双方具有代表性的是牛顿的微粒说VSVS惠更惠更斯的波动说。斯的波动说。牛顿也不是永远正确。在多次争吵后牛顿也不是永远正确。在多次争吵后,牛顿让牛顿让科学界接受了这样的观点科学界接受了这样的观点:光是由微粒组成的光是由微粒组成的,而不是一种波。而不是一种波。18301
5、830年,英国医生、物理学家年,英国医生、物理学家托马斯托马斯杨用实验对牛顿的观点提出了严峻的杨用实验对牛顿的观点提出了严峻的挑战。挑战。托马斯托马斯杨的光双缝干涉实验杨的光双缝干涉实验 托马斯托马斯杨的光双缝干涉实验杨的光双缝干涉实验 【实验装置及原理实验装置及原理】他在百叶窗上开了一个小洞他在百叶窗上开了一个小洞,然后然后用厚纸片盖住用厚纸片盖住,再在纸片上戳一个再在纸片上戳一个很小的洞很小的洞,让光线透过让光线透过,并用一面镜并用一面镜子反射透过的光线子反射透过的光线。然后他再用一然后他再用一个厚约个厚约1 13030英寸的纸片把这束光英寸的纸片把这束光从中间分成两束从中间分成两束,结果
6、看到在两束结果看到在两束光相交的区域中光相交的区域中,出现了亮线和阴出现了亮线和阴影影,即产生了光的干涉现象即产生了光的干涉现象。托马斯托马斯杨的光双缝干涉实验杨的光双缝干涉实验 【重大发现重大发现】使人类首次看到了光的干涉现象使人类首次看到了光的干涉现象,证明了光证明了光是一种波是一种波。【深远意义深远意义】为光的波动学说的胜利奠定了坚实的实验基为光的波动学说的胜利奠定了坚实的实验基础础,使人类对光的本性的认识更近了一步为干涉计量学的使人类对光的本性的认识更近了一步为干涉计量学的研究和发展开辟了道路研究和发展开辟了道路;为一个世纪后量子学说的创立起为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作
7、用到了至关重要的作用。后来该实验发展为双缝实验后来该实验发展为双缝实验,下左图是自然白光双缝干涉条纹下左图是自然白光双缝干涉条纹,下右图是红光双缝干涉条纹。下右图是红光双缝干涉条纹。最下两幅图分别是光通过肥皂泡最下两幅图分别是光通过肥皂泡和蜻蜓的翅膀形成的干涉条纹。和蜻蜓的翅膀形成的干涉条纹。托马斯托马斯杨的光双缝干涉实验杨的光双缝干涉实验 肥皂泡肥皂泡 蜻蜓的翅膀蜻蜓的翅膀 对光的本性的认识对光的本性的认识 牛顿和托马斯牛顿和托马斯杨对光的性质研究得出的结论都不完杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确全正确。光既不是简单的由微粒构成光既不是简单的由微粒构成,也不是一种单也不是一种单纯的波纯的波。2020世纪初世纪初,麦克斯麦克斯普克朗和阿尔伯特普克朗和阿尔伯特爱爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理:光子和光子和亚原子微粒亚原子微粒(如电子如电子、光子等等光子等等)是同时具有两种性是同时具有两种性质 的 微 粒质 的 微 粒,物 理 上 称 它 们物 理 上 称 它 们:波 粒 二 象 性波 粒 二 象 性。
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