PDF《-1-光学》

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1 - 光学 引言 细推物理须行乐,何用浮名绊此身? ――杜甫《曲江二首》之一 人每时每刻都在呼吸着,所以并不觉得呼吸是一种幸福.

但如果不能呼吸了, 将会怎样?物理学对于我来说就像呼吸一样. ――李政道 一.光是什么? 起初,上帝创造天地. ……上帝说: 要有光 ,于是就有了光.……这是头 一日.…… ――《圣经・创世纪》 任何一门物理学科,都必须解决研究对象的两个问题:是什么?怎么样? 人来到世间,睁开眼就看到了光,光伴随一个人的终生.那么,如果问: 光 是什么? 不同的人将会有不同的答案. 光是视觉,是眼睛所见. 光是光线. 光是一种电磁波. 光是能量子. …… 对于上述种种答案,既可以说是对的,又可以说不是完全对的.那么,光到 底是什么呢?或者我们站在物理学的角度问,光的本质是什么? 要给出一个完全正确的答案,现在看来还为时过早.也许这个问题永远也没 有一个终极正确的答案. 我们常说,要了解一个人,应当 察其言而观其行 ,也就是说,要通过对其 表现的观察,来判断他到底是一个什么样的人.那么,对于光,也可以按照这一 原则进行研究. 人们对事物的本质和规律的认识,都是从认识其现象开始的.而现象,则是 通过该事物与环境和其它事物的相互作用而表现出来的.于是我们就可以从光与 其它物质的相互作用所产生的效果进行研究. 引言 -

2 - 首先,光能够对眼睛产生刺激并由此在头脑中形成图像.人眼可以感觉到光 的颜色、光的方向和光源的位置.人能够看到物体,是由于物体所发出的光,即 包含各种颜色、来自各个地点、具有各种角度的光进入我们眼睛的原因.人眼所 见的物体要么本身发光,要么反射来自其它物体的光.除此之外,光还能使物体 发热,说明光还具有能量.这是人们在日常生活中对光的认识,当然是肤浅的. 如果仅仅限于对现象的描述,还不能成为一门科学. 其次,可以发现光是遵循着一定的规律进行传播、反射和折射的,这种规律 可以用几何上的线,即光线,进行描述. 如果再深入进行观察的话,将会发现,光会出现干涉、衍射等等现象,而干 涉和衍射是波的特征,那么,光无疑又是一种波. 但是,研究又发现,如果认为光是波的话,则无法解释诸如黑体辐射、光电 效应等等现象,于是,光的量子说又出现并得到认可.而且,从光量子的角度, 也能够解释干涉、衍射等波动现象. 有了更加准确的光量子学说,是否意味着在此之前的光线、光波等等概念是 错误的,而应该加以摒弃呢? 在回答这个问题之前,我们应该想一下,光量子的学说难道就是对于光最本 质的解释吗? 事实上,无论是光线理论、波动理论还是光量子理论,既反映了在不同的历 史阶段人们对于光的认识,也反映了光在与不同物质相互作用时所表现出来的特 性.在研究光的反射折射和成像等问题时,用光线理论是最合适的;

而在处理光 的衍射、干涉等问题时,采用光的波动理论则最合适.对于诸如光电效应、黑体 辐射等问题,则只有采用光量子理论来解决.所以,直到目前为止,上述三种理 论仍然是组成光学的重要内容,都在不断获得发展、并在应用中取得了巨大的成 功. 所以,可以这么说,光线、光波、光量子,都是物理学中为了研究光而引入 的模型.