13．光的本性

The Nature of Light

1. 射电天文望远镜

2. 圆孔衍射图样

3. 单色光的双缝干涉和单缝衍射的比较

从古代起，人们就十分注意对光现象的观察，并积累了大量资料， 但是，光的本性究竟是什么，却是一个不很容易回答的问题。人们对光的本性的探索，经历了一个漫长而又曲折的发展过程。本章我们将学习有关光的本性的知识。

一、光的微粒说和光的波动说

“什么是光”这个问题很早就引起了许多学者的关注，直到 17 世纪， 基本上形成了两种学说。一种是牛顿支持的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。另一种是荷兰物理学家惠更斯（1629—1695）提出的波动说，认为光是某种振动，在弹性介质中以波的形式向周围传播。

微粒说很容易解释光的直进现象和光的反射。光射到镜面上，光微粒受到镜面的推斥，就好像弹性小球跟光滑平面发生碰撞一样，被反弹回去。然而，微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时发生反射和折射，以及几束光相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播等现象时，遇到了很大困难。而波动说在解释这些现象时却轻而易举，因为这些现象都是波具有的特征。利用发波水槽做实验，可以看到水波同时有反射和折射现象；几列水波相遇时，能够互不干扰地互相穿过。然而， 波动说在解释光的直进现象时，却遇到了困难，因为人们都知道各种波都不会像光那样在物体的后面留下轮廓清晰的影子。

光的微粒说和波动说各有成功的一面，但都不能完满地解释人们已经知道的一些光现象，只是牛顿在学术界的声望，致使微粒说统治了 100

多年。波动说发展很缓慢，一直到 19 世纪初期，人们成功地在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，而干涉和衍射是波的特征，这是微粒说无法解释的，于是波动说得到了公认，光的波动理论也就迅速地发展起来。

二、光的反射与折射

我们在初中已经学习过光的反射现象、光的反射定律和光的折射现象等光学知识。知道发生折射现象时，折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居在法线的两侧（图 13-1）。现在我们将进一步学习折射角 r 与入射角 i 之间的关系。

光的折射定律

公元 2 世纪，希腊天文学家托勒密（100—170），测量了折射角与入射角的大量数据，但由于他所测量的角度都较小，结果便误认为折射

角与入射角成正比。事实上，当入射角大于 20°时，这个结论就不成立了。下表是实验测得的光从空气射入玻璃时，入射角和相应的折射角的 数据。

1621 年，荷兰科学家斯涅耳（1580—1626），根据实验测得的入射角的正弦值和相应的折射角的正弦值，画出它们的关系图象（图 13-2）， 终于找到了折射角和入射角之间的定量关系：当光从真空（或空气）射入介质时，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。如果用 n 表示比例常数，就可写成

sin i = n, sin r

这就是光的折射定律，也叫做斯涅耳定律。

折射率

光从真空进入某种介质时，入射角的正弦跟折射角的正弦之比总是一个常数，但光从真空进入不同介质时，这个常数是不同的。它表明这个常数是反映介质光学性质的物理量，我们把它叫做介质的绝对折射率，简称折射率。

理论研究和实验结果都表明：某种介质的折射率，等于光在真空中的速度 c 跟光在这种介质中的速度 v 之比，可表示为

n = c 。

v

空气中的光速跟真空中的光速相差很小，可以认为空气中的光速等于真空中的光速。因此，光从空气进入某种介质时的折射率就近似等于这种介质的折射率。下表列出几种介质的折射率。

如果光线 AO 在真空中以入射角 i 射入某种介质，折射角为 r[图13-3(a)]。实验表明，当光线从介质射入真空时，如果入射角 i＇等于原来的折射角 r，则折射角 r＇等于原来的入射角 i[图 13-3(b)]，也就是

说折射现象中光路是可逆的。

所以，当光从介质射入真空时，折射定律的表达式

sin i' = sin r = 1 。

sin r' sin i n

式中 n 为该介质的绝对折射率。

全反射 临界角

光从介质进入真空（或空气）时，折射角大于入射角，当入射角增大时，折射光线偏离法线越来越远，并且折射光线越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一数值时，折射角等于 90°，折射光线消失，只有反射光线，光全部反射回原来介质中传播，这种现象叫做全反射。

折射角等于 90°时（图 13-4）的入射角叫做临界角。光从介质射向真空（或空气），并且入射角大于临界角时，就会发生全反射现象。

根据折射定律，可以求出各种介质对真空（或空气）的临界角。如果用 C 表示临界角，n 表示介质的折射率，则有

由此可得

sin C = 1

sin 90° n

sin C = 1 。

n

从介质的折射率可以计算出各种介质对真空（或空气）的临界角。例如水的临界角为 48.5°，玻璃的临界角为 30°～42°，金刚石的临界角为 24.5°。

两种介质相比较，光在其中传播速度较小的，它的折射率就较大， 这种介质叫做光密介质；光在其中传播速度较大的，它的折射率就较小， 这种介质叫做光疏介质。金刚石和水相比较，金刚石是光密介质，水是光疏介质。若光线以某一入射角从金刚石射向真空（或空气）可以发生全反射，那么，以相同的入射角，光从水中射向真空（或空气）时，就不一定能发生全反射。金刚石看起来特别明亮，就是因为射入的光在金刚石内发生全反射。

思考

1. 在游泳池水中的人，可以看见池边的人，池边的人同时也一定会看见水中的这个人（图 13-5），怎样解释这个现象呢？

2. 光从真空射入水中时的入射角等于 0°，这时的折射角是多大？ 在这种情况下，光进入水中传播的速度，是否仍等于在真空中的传播速度？

光的色散

太阳光经由小水珠、水晶等透明物质折射后，射出的光呈现许多色光的现象，早在公元 11 世纪，我国已有记载。北宋初年杨亿（974—1020）

所著《杨文公谈苑》一书中就记载着“嘉州峨嵋山有菩萨石，人多收之， 色莹如白玉，如上饶水晶之类，日射之有五色⋯⋯”。

我们可以做这样的实验，将一束红光 SO1 从空气射入玻璃棱镜的 AB 侧面（图 13-6），就会观察到从棱镜射出的光线 O2P 偏离原来入射光线的方向，向着棱镜的底面 BC 偏折，这是光先后通过棱镜的两个侧面，发生了两次折射所造成的。从棱镜射出的光线 O2P 和入射光线 SO1 之间的夹角叫做偏向角δ。偏向角的大小既跟入射角的大小有关，也跟棱镜的折射率、棱镜的顶角的大小有关。

如果实验中入射光不是红光而是太阳光，那么，光线经棱镜折射后， 将形成由各种色光按一定次序排列的彩色光带。这就是光的色散现象。

1665 年，牛顿用棱镜研究了太阳光产生色光的现象，证实了太阳光

（白光）由七种颜色的光组成。

白光通过棱镜后出现的七种色光如图 13-7 所示，这七种色光依次排列的顺序是：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，它们排列后形成的光带叫光谱。光的色散现象表明各种色光经过棱镜后发生偏折的程度是不同的，其中红光偏折最小，紫光偏折最大。这是介质对各种色光的折射率不同而引起的。红光偏折程度最小，说明介质对红光的折射率最小；紫光偏折程度最大，说明介质对紫光的折射率最大。同一介质对各种色光的折射率是不同的，以冕牌玻璃为例，它对红光的折射率为 1.513，对橙光的折射率为 1.514，对黄光的折射率为 1.517，对绿光的折射率为1.519，对蓝光的折射率为 1.528，对紫光的折射率为 1.532。

我们已经知道，介质的折射率等于光在真空中的速度跟光在这种介质中的速度之比。各种色光在真空中的速度是相同的，都等于 c，而同一介质（例如玻璃）对各种色光的折射率是不同的，这是因各种色光在同一介质中的传播速度是不同的。红光的折射率比其他色光小，说明红光在介质中的速度比其他色光大；紫光的折射率最大，说明紫光在介质中的速度比其他色光小。

思考

1. 一束单色光，从空气射入水中，它的传播速度将怎样改变？

2. 分别用红光和紫光测定同一凸透镜的焦距，实验结果相同吗？哪一次测得的焦距大一些？为什么？

练习二十六

1. 如图 13-8 所示，光线 SO 以入射角 i 从水中射向空气，那么，折射光线可能经过的点是 [ ]

A．a 点； B．b 点； C．c 点； D ． d

点。

1. 甲、乙两种介质与空气的界面在同一平面上。某光线分别以入射角 i 甲、i 乙从空气射入到甲、乙两介质中，观察到两次折射光线互相平行，即 O1P1∥O2P2，如图 13-9 所示。若已知甲介质的折射率大于乙介质

的折射率，那么，下列说法中正确的是 ［ ] A．入射角 i 甲一定大于 i 乙；

1. 入射角 i 甲一定等于 i 乙；

2. 入射角 i 甲一定小于 i 乙；

3. 入射角 i 甲一定小于或等于 i 乙。

1. 将折射率 n=1.33 的透明实心塑料块 P，放置在盛有水的烧杯中（图

13-10）。一束单色光 S0 经水、塑料块 P 后，传播方向会发生改变吗？为什么？（不考虑烧杯玻璃的折射）

2

1. 光在某介质中的速度是在空气中速度的 5 ，试求该介质的折射率。

2. 光线从某种介质射到空气中，测得入射角是 45°，折射角是 60

°，求这种介质的折射率和光在这种介质中的传播速度。 6．一束光线以 45°的入射角从真空射入某介质，观察到折射光线的

方向偏离入射光线 15°，试求：(1)该介质的折射率；(2)光在该介质中的传播速度。

1. 一束光线以 60°的入射角，从空气射入折射率为 1.60 的玻璃， 那么折射角多大？并画出示意光路图。

2. 一束单色光以 45°的入射角从空气射入一块两面平行的玻璃砖， 然后从玻璃砖再射到空气中（图 13-11）。如果玻璃的折射率是 1.50， 玻璃砖的厚度是 2 厘米，求光线的侧向位移δ。

3. 如图 13-12 所示，一束在空气中波长为λ0 的超声波，以入射角 i 从空气射入水中，若折射角为 r，这束超声波在水中的波长为λ，则下列能正确反映这几个量之间的关系的是 [ ]

A．r＞i，λ＞λ0； B．r＜i，λ＜λ0；

C．r＞i，λ＜λ0； D．r＜i，λ＞λ0 。

三、光的干涉

几束光在空中相遇，可以互相交叉穿过，互不干扰。例如射向舞台的追光灯，互相交叉的光柱虽然在空中相遇，但并不影响它们各自的光的颜色，也不影响它们各自的亮度，好像在空中没有相遇一样（图 13- 13），所以光波也是遵循波的独立传播和叠加原理的。现在，我们进一步来研究两列光波相互叠加，会不会产生干涉现象呢？

光的干涉

人们围绕这一问题做了许多实验，如将两个独立光源发出的光同时照射到光屏上，虽然光屏上被照射的部分更加明亮，但并没有出现干涉现象。我们知道，要使两列波叠加后产生干涉现象是有条件的，它们的波源必须是相干波源。但是通常两个光源或同一光源的两个发光部分都是独立发光的，它们的频率等都互不相同，不能满足相干条件，所以两支蜡烛或两盏电灯发出的光，叠加以后都不能出现干涉现象。直到 1801 年，英国物理学家托马斯·杨（1773—1829）让通过一个狭缝 S 的一束光，再通过两个平行的狭缝 S1 和 S2 变成两束光，由此巧妙地解决了相干

光源的问题，在实验室里才观察到了光的干涉现象，从而证实了光具有波动性。

我们可以利用图 13-14 所示的双缝干涉仪来观察光的干涉现象。图中 L 是一个线光源——有长直灯丝的钠灯，灯丝与不透明的遮光屏Ⅰ上的狭缝 S 平行。钠灯发出的光从 S 射出后，照射到不透明的遮光屏Ⅱ的两个狭缝，S1、S2 上，这两个狭缝离得很近，彼此平行，同时也与 S 平行，并且 S1、S2 到 S 的距离相等。这样，任何时刻从狭缝 S 射出的光波， 都会同时传播到 S1、S2 处，狭缝 S1、S2 就可以看成是两个频率相同的相干光源。从这两个狭缝射出的光波在空间相遇叠加，在像屏Ⅲ上就出现了明暗相间的干涉条纹。图 13-15 是双缝干涉实验中两列光波在空间相遇叠加时的示意图，可以看出，它和水波干涉时产生的干涉图样是相似的。光波干涉时振动加强处表现为明条纹，振动减弱处表现为暗条纹， 明条纹与暗条纹总是相互间隔着，而且明、暗条纹的间隔距离是相等的

（见本章导图 3）。

如果光源发出的光是白光，在像屏Ⅲ上观察到的则是彩色干涉条纹。

我们还可以从图 13-16 的实验中，观察光的干涉现象。在暗室中， 将附着一层肥皂液薄膜的金属框竖直放置在酒精灯后[图 13-16(a)]，在酒精灯的灯芯上放些食盐，点燃酒精灯，火焰发出黄光。对着液膜看去， 可看到以火焰的虚像为背景的液膜上，出现水平排列的黄黑相间的条纹。这是薄膜干涉现象。因为皂液薄膜在重力作用下，形成上端薄下端厚的尖劈状[图 13-16(b)]，在液膜的某些部位，从液膜的前表面和液膜的后表面反射出来的两列光波，叠加后使振动得到加强，在这些地方看到的就是黄光的明条纹。而在液膜的另一些部位，反射出来的两列光波， 叠加后使振动相互抵消，那么在这些部位看到的就是黑色条纹。在日光下吹肥皂泡时，肥皂泡表面呈现彩色花纹，也是在皂液膜的外表面和内表面上反射的两列光波所产生的干涉现象。

平时我们看到飘浮在水面上的油膜呈现彩色花纹，同样是日光在油膜的上、下两个表面所反射的两列光波（图 13-17）产生了干涉的结果。在油膜的某些地方，这两列反射光波叠加的结果使红光得到加强，该处油膜就呈现红色；而在另一些地方，两列反射光波叠加的结果使其他色光得到加强，那里就呈现其他颜色。在透明薄膜上由于上、下两个表面的反射发生光的干涉现象是常见的。如蚌壳的内表面有的地方常呈彩色，有些昆虫很薄的透明翅翼呈现彩色，有透明薄膜保护层的激光唱片也呈彩色。课本彩图 10 就是半球形薄膜在白光照射下产生干涉时的照片。

光的干涉现象在技术上有很多应用。利用图 13-18(a)所示的装置， 可以检查被磨制的镜面或其他精密部件的平面是否平整。在待检查的表面 AB 上放一块两面平行且非常平整的平板玻璃——平晶 CD，在 AB、CD 的一端垫一薄片，使平晶与待检查的平面间形成一空气楔。用单色光垂直照射时，在空气楔上下界面处反射出两列相干光波，若待检查表面平整，则干涉条纹是一组相互平行的直条纹，如图 13-18(b)所示；若待检查表面有缺陷，则干涉条纹会发生扭曲，如图 13-18(c)所示。应用干涉

原理还可以制成精密的测量仪器，用于测量物体长度的微小差异、薄膜的厚度以及光波的波长等。我们在学习力学时，曾介绍的用光学方法（光弹法）显示吊钩等物件模型内部所受应力的分布情况，就是利用光的干涉来实现的。

练习二十七 1．光的干涉现象在什么条件下才能产生？为什么两盏相同的电灯发

出的光不能产生干涉现象？

1. 举一两个日常生活中见到的光的干涉现象的实例，并简单解释产生干涉的原因。

2. 取两块载玻片，用手指把它们紧紧压在一起。白天，在玻片上人们会看到许多彩色带状花纹。改变手指用力的大小，花纹的形状、位置也随着改变。做这个实验，并解释所观察到的现象。

四、光的衍射

既然光是一种波，也应该有衍射现象。但通常见到的物体的影及小孔成像等现象，都说明光是沿直线传播的。那么，光能够发生衍射吗？光是可以发生衍射的。但由于光波的波长很短，可见光的波长只在

0.40 微米～0.77 微米之间，所以只有当光通过很小的孔或很狭的缝时， 才会发生明显的衍射现象。

我们可以利用图 13-19 所示的实验装置，来观察光的衍射现象。让一束平行的单色光照射到不透光的有一狭缝的屏Ⅰ上，狭缝的宽度可以调节，在屏Ⅰ的后面放一像屏Ⅱ。当缝的宽度比较大时，光沿直线方向通过狭缝，在像屏上出现的是一条跟缝的宽度相对应的亮线；使缝变窄， 光通过狭缝后，像屏上被照亮的范围远远超过了根据光的直线传播所能照明的范围，并且出现了明暗相间的条纹，这就是光的单缝衍射现象。如果缝变得更窄，则条纹间距变得更大。像屏上出现的衍射条纹的特点是：中央为一较宽的明条纹，在它的两侧对称地分布着若干条明暗相间的直条纹，并且明条纹的亮度依次减弱（见本章导图 3）。

如果把很多条狭缝以极小的相等的间距平行排列，就组成了光栅（图13-20）。有的光栅在每毫米内刻有上千条狭缝。最简单的光栅是用金刚石在平板玻璃片上刻划出一系列平行的细痕，细痕部分相当于毛玻璃不容易透光，细痕与细痕间的狭窄部分是透明的，起着狭缝作用，光通过光栅时，便会发生衍射（见课本彩图 11）。让单色光通过光栅，可以在光屏上看到一些细窄而明亮的条纹，在相邻两条纹之间是比较宽阔的暗区，这就是光栅的衍射条纹。利用光栅可以测量光波的波长。

我们还可以用图 13-21(a)的实验装置，来观察光通过小孔发生的衍射现象。让点光源 S 发出的光照射到不透光的有一圆孔 a 的屏Ⅰ上，在屏Ⅰ的后面放置一像屏Ⅱ。当圆孔比较大时，像屏Ⅱ上出现的是一个光亮的圆[图 13-21(b)]，光亮圆的大小与圆孔 a 的大小相对应。当换用孔径较小的圆孔时，像屏上出现的光亮的圆也随着缩小。但当圆孔缩小到一定程度时，像屏上会出现一些明暗相间的圆环，这些圆环的分布范围

远远超出了根据光的直线传播所能照明的面积[图 13-21(c)]，这就是光的圆孔衍射现象（见本章导图 2）。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫做衍射图样。

不只是狭缝和圆孔能使光产生衍射，各种不同形状的障碍物都能够使光产生衍射，在它的边缘出现明暗相间的条纹，从而使障碍物的影的轮廓变得模糊不清。图 13-22 是双面剃须刀片的阴影和周围的衍射图样。

平时我们还是比较容易观察到光的衍射现象的。取一片鸡毛，对着点亮的白炽灯的灯丝观察，就可以看到发光的灯丝周围呈现出彩色图样，这就是光通过鸡毛的细小缝隙发生的衍射图样。将两支铅笔并拢成一狭缝，通过狭缝观看点亮的日光灯管或白炽灯的灯丝，就可以看到彩色的单缝衍射花样。眼睛眯起来时，人的眼睫毛也起到狭缝作用，在夜间看远处的路灯，就能观察到路灯周围呈现的彩色衍射图样。

光的衍射现象和光的干涉现象都证明了光具有波动性。

思考

通常我们说光是直线前进的，这和光的衍射现象有矛盾吗？

练习二十八 1．光的衍射现象在什么条件下才能产生？小孔成像与圆孔衍射相矛

盾吗？

2．举一两个日常生活中见到的光的衍射现象的实例。

五、电磁波

我们知道广播电台是利用发射无线电波传播节目信号的，电视台也是利用无线电波把图象信号和伴音信号传递给千家万户的。那么，无线电波是什么样的波？它是怎样产生的？

电磁波的形成

19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦（1831—1879）在总结前人研究电磁现象成果的基础上，建立了完整的电磁场理论。

麦克斯韦理论指出：变化着的磁场产生电场，变化着的电场产生磁场。按照麦克斯韦电磁场理论，如果电场（或磁场）的变化是均匀的（即电场强度或磁感强度的变化率是恒定的），则所产生的磁场（或电场） 是稳定的（即不随时间而变化）。如果电场（或磁场）的变化是不均匀的，它所产生的磁场（或电场）就是变化的。所以变化的电场和变化的磁场总是相互依存、紧密联系组成一个统一体，叫做 电磁场(electromagnetic fields)。

根据以上理论可以知道，如果空间某一区域中有不均匀变化的电场，那么在它邻近的空间可以产生变化的磁场，这变化的磁场又可以在较远的空间产生新的变化的电场，新的变化的电场又会在更远的空间产生变化的磁场⋯⋯。这样，变化的电场和变化的磁场就在空间不断传播开去（图 13-23）。这种变化的电场和变化的磁场相互交替产生，由近及

远地向周围空间传播，就形成电磁波。

在必修课中，我们曾经学习过振荡电流，知道 LC 电路中振荡电流是周期性变化的，电容器两极板间的电场和电感线圈中的磁场也是周期性变化的，所以 LC 振荡电路可以产生电磁波。

麦克斯韦电磁理论预言的电磁波，于 1887 年为德国物理学家赫兹(1857—1894)的实验（课本彩图 17）所证实。

现在我们用图 13-24(a)所示的实验装置模仿赫兹实验来观察电磁波的发射与接收。图中感应圈 L 的输出端与两根长度相等的金属杆 A、B 连接，A、B 杆互相靠近的一端均固定着一个金属小球，感应圈与电源接通后，可以观察到两金属小球之间不停地有火花跳过，这时 A、B 杆向外发射电磁波。为了接收所发射的电磁波，可以在它的近旁，另外放置两根长度与 A、B 杆相等的金属杆 C、D，并在 C、D 之间接入一个小氖管[图13-24(b)]。当 A、B 杆的金属球间有火花跳过时，可以观察到氖管发光。这表明 C、D 杆接收到了从 A、B 杆发射出的电磁波，氖管发光的能量就是由电磁波传递的，所以电磁波的发射传播过程，也就是能量辐射的过程。

电磁波的速度

麦克斯韦还从理论研究中得出在真空中电磁波的传播速度跟光速相等的结论，即任何电磁波在真空中传播的速度都是

c=3.00×108 米/秒。

我们在上一章第二节中讨论的波长、频率和波速的关系，对于电磁波也是适用的。各种电磁波在真空中传播的速度都是 c，因此频率不同的电磁波的波长不同。例如上海人民广播电台发射的频率为 1197 千赫的电磁波，它的波长

λ = e =

f

3.00 × 10⁸

1197 × 103 米 = 250米。

无线电技术中使用的电磁波叫无线电波，各种不同频率的无线电波的波长可从几毫米到几十千米。根据波长的长短或频率的高低，无线电波可分成几个波段，如下表所示。

电磁波传播不需要介质。月球表面没有空气，因此在月球表面的空间里不可能产生声波。宇航员登月进行科学考察活动时，相互之间就是通过无线电波来传递信息保持联系的。

电磁波的反射

电磁波也有反射现象。在高楼林立的城市中收看电视时，电视机屏幕的画面上常会出现“叠影”，这是载有电视信号的电磁波，被高楼大厦反射后与从电视发射塔直接发射来的电磁波，一同进入电视机的接收天线的缘故。利用地球电离层对电磁波的反射，可使短波

信号传送得很远。这是因为距地球表面大约 60 千米～400 千米的范围内的地球大气层中的气体分子，在阳光照射下发生了电离，成为带正电的离子和自由电子，所以这一层大气叫做电离层。电离层能够反射无线电波中的短波和中短波。广播电台就是利用电离层的这一特性，将电台发射的短波信号传送到地球的另一侧去（图 13-25）。

电离层是受太阳的辐射产生的，所以电离层的厚度、高度等都跟太阳的活动情况有关。当太阳活动异常，从表面喷射出比通常时期更多的带电粒子时，将会引起电离层的变化，从而影响短波的反射，甚至暂时中断短波通信。

雷达（radar）就是利用电磁波的反射来探测目标的。雷达有一个可以移动的天线（图 13-26），用以发射电磁波和接收电磁波。雷达天线向某一方向发出不连续的电磁波，每次发射的时间约为 10-6 秒，两次发射

的时间间隔大约为发射时间的 100 倍。发射出去的电磁波在这一方向上遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来并被天线接收，测出从发射电磁波至接收到反射回来的电磁波的时间，就可以确定障碍物与雷达天线之间的距离。再根据发射电磁波的方向和仰角，通过电脑系统计算，可以迅速确定障碍物的位置和运动情况。与此同时，雷达显示屏上能将障碍物——目标直接显示出来。在国防上，雷达能侦察敌方动向， 为制定作战方案提供重要依据；在交通运输部门，利用雷达为飞机、舰艇导航，测定公路车辆行驶速率等；在气象部门，雷达能探测云层的变

化，以预报天气情况。

电磁波和其他波一样，具有波动的共同特征。某些频率的无线电波， 在穿过电离层时，传播方向会发生偏折，这就是电磁波的折射现象。对于中波无线电广播，世界各国间以及每个国家内，都必须共同遵守一个原则，即相邻近地区广播电台的无线电波的频率不可以相同，这样就能避免产生电磁波的干涉现象。都市里高楼林立，但收音机在室内的任何地方，都可以接收到广播电台发送出来的无线电广播信号，这些都是电磁波衍射的结果。

思考

射电天文望远镜有巨大的凹形天线（见本章导图 1），可用来接收来自宇宙深处类星体发射的微弱的电磁波。图 13-27 是这种天线的示意图， 图中 F 是抛物面天线的焦点。这种天线的口径为什么做得很大？电磁波是怎样被天线聚集到 F 处的？

S：既然电磁波和机械波都有反射现象、折射现象等等，那么它们的本质是相同的吗？

T：不相同。尽管人们对电磁波和机械波在传播过程中的描述是相同的，尽管它们在传播过程中都会有反射、折射、干涉、衍射等现象，但它们之间有着本质的差异。如电磁波是电磁运动的一种形式，而机械波则是机械运动的一种形式；电磁波传递的能量是电磁辐射能，而机械波传递的则是机械能；电磁波传播时不需要介质，即使在真空中也可以传播，而机械波传播时一定要有介质，它不能在真空中传播。

练习二十九

1. 雷达站发射电磁波后，经 2.0 毫秒接收到来自障碍物的反射波， 那么障碍物与雷达站之间的距离是多远？

2. 从地球向月球发射电磁波，经过多长时间才能在地球上接收到反射回来的电磁波（地球到月球的距离为 3.84×105 千米）？

3. 收音机在某一短波段接收无线电波的波长范围是 120 米到 2.5 米，那么，它接收的频率范围是多大？

4. 上海人民广播电台播音时，同时用 792 千赫、990 千赫、1197 千赫三种频率的无线电波播送节目，这些无线电波在空间相遇时，会不会产生干涉现象？为什么？

阅读材料 隐形飞机

军事上常设法采用“隐身技术”，以躲过雷达系统的监视，达到军事行动的目的。目前隐身技术已被应用在飞机和巡航导弹上。隐形战斗机之所以能够隐身，概括起来主要有下列几方面的原因：首先，这种飞机有独特的外形，它采用多面体结构（图 13-28）。整体结构扁平，表面光滑，能把射来的雷达波向各个方向散射掉，使敌方雷达接收不到足以判断目标特征所需要的反射波。其次，这种飞机的机身上涂有一种能够吸收电磁波的物质，所以，飞机表面不像一般飞机那样呈银灰色，而是

周身呈灰黑色。就是这种灰黑色物质，能有效地吸收掉一部分雷达波。飞机尾部采取严格的屏蔽措施，并加大进气口的尺寸，大大降低发动机的排气温度，有效地减弱了飞机尾部的热辐射源，这样，就可以防止敌方红外装置的搜索，躲避敌方红外跟踪导弹的攻击。此外，飞机的一些部件也采用了特殊设计，如埋入式武器舱、可伸缩的天线以及 V 形尾翼， 这些都能有效地减小飞机对雷达波反射的有效截面积。这种飞机无论哪个方向被电磁波“照射”，其反射波的截面积仅相当于一位飞行员头盔的反射面，因此它的隐身效果相当良好。

移动通信

科学技术的日新月异，各种信息的迅猛增长，人类社会活动的日益频繁，传统的固定通信方式已经远远不能满足需要，人们希望能够在任何地点、任何时间与对方联系，移动通信恰好能实现这一愿望。

无线电报的问世，使人们很快意识到利用电磁波进行移动通信具有广阔的前景。但是，移动通信与公用电话网连接进入实用阶段，还是近半个多世纪以来的事情。目前的移动通信系统已随着微电子技术、自动控制技术、计算机技术和数字技术的发展而日臻完善。移动通信设备的集成化、小型化，使它具有轻、小、可靠和省电等特点，这就为实现移动通信创造了重要的条件。移动通信不仅可以传送声音信息，而且还具有像公用电话网中一样的数据终端功能，满足用户随时、随地、快速、可靠地进行包括图象传送在内的多种信息的交换。

移动通信的应用范围相当广泛，海洋中航行的船只，天空中飞行的飞机，乃至陆地上行驶的车辆、行人等等，都可用它来进行通信联络。陆地民用移动通信系统中，公用移动电话系统、调度系统、无线电寻呼系统和无绳电话系统更为多见。

公用移动电话系统是公用电话网的一个组成部分。公用电话网的用户与无线用户、无线用户与无线用户之间的通话，是经过基站与无线用户移动台之间的无线电波来实现的（图 13-29）。基站设有固定天线，它向本基站业务范围内发送并同时接收无线电波，以实现用户与用户之间的通话。一般来说城市中要设立好几个基站，城市越大，基站的数目也就越多。

调度系统是在给定的业务范围内，为本单位或本系统服务的无线通信系统。在一般情况下，该系统不接入公用电话网。调度系统由调度站和外围用户台组成（图 13-30），调度站可以由调度员直接控制，也可以遥控。调度站与外围用户台之间由特定频率的无线电波沟通。通信范围一般在 20 千米～50 千米。比较先进的调度系统除了建立电话通信外，还有遥控、遥测等功能。调度系统常用来控制运货车、消防车、救护车、出租车等等。

无线电寻呼系统是一种单向通信系统，与公用电话网相连。它由无线电寻呼控制中心、若干个卫星发射台和用户寻呼接收机（BP 机）组成

（图 13-31）。寻呼者通过公用电话网打电话到无线电寻呼中心，告知被寻呼者的号码等内容；寻呼中心通过卫星发射台，发射出相应的被寻呼者的无线电信号；被寻呼者身边的无线电寻呼接收机就发出鸣叫声音信号，并同时显示出寻呼者的电话号码等内容，从而寻呼者和被寻呼者之间就可取得联系。无线电寻呼接收机的优点是体积小，质量小，便于携

带，使用方便；缺点是不能直接向寻呼者发回信号。

无绳电话系统是实现便携式电话的一种方式。它用无线电波代替用户室内的部分电线，使得电话机可随身携带，在一定范围内的任何地方与公用电话网连接。无绳电话系统由基站跟相对应的携带机（即无绳电话机）组成（图 13-32）。

移动通信之所以发展迅速，是因为它具有广泛的实用价值，取得令人瞩目的社会效益。例如，移动通信用在新闻报导方面，可以迅速将现场采访的信息（声音、图象等等）传送出去；在公安消防、抢险救灾等方面也显示了极大的优越性。所以，移动通信、卫星通信、光缆通信一起被作为现代通信领域中的三大新兴通信手段。

六、光的电磁说电磁波谱

光的干涉、衍射现象，充分证实了光的波动性，但是光究竟是一种什么样的波呢？

光的电磁说

1865 年，英国物理学家麦克斯韦提出了电磁波的理论，认为变化的电场和变化的磁场联系在一起，形成统一的电磁场，以波的形式从它产生的区域向四周传播，并且从理论上得出了电磁波的传播速度跟光的速度相同。在这基础上，麦克斯韦提出光是一种电磁波，这就是光的电磁说。

1888 年，德国物理学家赫兹，用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波也跟光波一样，具有反射、折射、干涉、衍射等性质。他还通过干涉实验，测出了一定频率的电磁波的波长，计算出了电磁波的波速，结果跟麦克斯韦关于电磁波的波速等于光速的预言符合得相当好。这就证明了麦克斯韦的电磁理论是正确的。

红外线和紫外线

1800 年，英国物理学家赫谢耳（1738—1822）发现了红外线。他用灵敏温度计研究可见光波中各种色光的热作用时，把温度计移到红光的外侧（图 13-33），发现温度上升得更高，说明在那里存在着某种看不见的射线，这种射线后来被称为红外线(infraredray)。红外线的波长比红光波长更长，它的范围在 0.75 微米～400 微米之间。

除太阳外，火焰、电灯、热熨斗、盛着热水的杯子、发动着的汽车、飞行中的喷气飞机、升空时的火箭以及大地、建筑物等都会发射出红外线。人体温度虽然只有 37℃左右，也能够发射红外线。可以说，一切物体都在发射红外线，只是发射的红外线的波长、强度不同而已。

红外线最显著的特性是它的热作用。现代家用电器中使用的各种红外线取暖器就是利用它的热作用。物体吸收了红外线会发热，所以可以利用红外线来加热物体，烘干油漆、谷物以及治疗某些疾病等。红外线的波长比红光还长，衍射现象比较显著，容易透过云雾、烟尘等，所以利用对红外线敏感的特殊感光底片可以拍摄远景或暗景。照片上越白的地方表示温度越高，越黑的地方表示温度越低。利用灵敏的红外线探测器吸收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接收到的信号进行处理，

就可以知道被探测物体的特征，例如在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成、预报热带风暴、寒潮。这种技术统称红外线遥感。红外线遥感技术的应用正在迅速发展中。彩电、录像机、空调机等许多家用电器所用的控制器，就是一种红外线遥感控制器。

1801 年德国物理学家里特发现，如果在色散后的紫光的外侧区域放一照相底片，底片就会感光。这种不可见的射线，叫做 紫外线(ultraviolet ray)。紫外线的波长比紫光的波长还短，它的范围在 0.001 微米～0.4 微米之间。

一切高温物体，如太阳、弧光灯，发出的光中都含有紫外线，在实验室里常用的紫外光源是各种电火花或石英管汞弧灯（图 13-34）。紫外线具有较强的化学作用，能使许多物质发生化学反应，能使许多物质发出荧光。紫外线常用来杀菌，治疗皮肤病、软骨病等。经常在矿井下劳动的工人，适当地照射紫外线，能促进身体健康，但过强的紫外线能伤害人的眼睛和皮肤。电焊时产生的弧光中有强烈的紫外线，因此电焊工在操作时，必须穿好工作服，并戴上防护面罩。

太阳辐射到地球上的紫外线，其中大部分被地球外围的臭氧层所吸收，过强的紫外线会使植物枯萎、动物死亡，所以保护地球臭氧层也就是从一个侧面保护了生态环境。

伦琴射线

1895 年，德国物理学家伦琴(1845—1923)在研究阴极射线性质时， 发现一种看不见的射线能使荧光物质发光，这种射线的穿透本领较强， 能穿过包在胶卷外面的黑纸使照相底片感光。因为当时人们还不了解它的性质，所以叫它为“X 射线”。后来人们做了大量的实验，发现高速电子流射到某些固体上，都会产生这种射线，并且知道了它是波长很短（10-8 米～10-12 米）的电磁波。为了纪念伦琴，后来人们就把这种射线叫做伦琴射线。

伦琴射线管是用来产生伦琴射线的一种装置，构造如图 13-35 所示。真空度

很高（约为 10-4 帕）的玻璃泡内，有一个阴极 K 和一个阳极 A，阳极也叫对阴极。阴极被加热后能向周围发射电子，在阳极和阴极之间加上几万伏的电压，从阴极发射出来的电子受强电场的作用，以很大的速度冲击阳极，阳极就激发出伦琴射线。

伦琴射线穿透物质的本领较强，在工业上可以用来检查金属部件内部有没有砂眼、裂纹等缺陷，在医学上可以用来透视，检查人体内的病变。图 13-36 是航空港用以检查旅客行李所用的 X 射线检测装置，从荧光屏上可直接看出行李包内是否携带违禁物品。

CT(computedtomography)是对被检查部位进行伦琴射线横断层扫描，利用电子计算机处理显示的一种新技术。伦琴射线对人体的正常组织和病变组织的穿透能力存在微小的差异，CT 扫描能够将这种差异通过电子计算机处理后以图象形式显示出来。目前，CT 的应用已从医学发展到林业、农业等行业和部门，如观察树木的年轮。

电磁波谱

麦克斯韦的电磁理论告诉我们，电磁波的频率范围相当宽广，它包

括无线电波（长波、调幅广播波带、调频电视波带、短波）、微波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线以及比伦琴射线波长还要短的γ射线， 按它们的频率从高到低（波长从小到大）的顺序依次排列起来，就可得到电磁波谱（图 13-37），其中最高频率是最低频率的 1022 倍以上。

从无线电波到γ射线，都是本质上相同的电磁波，它们传播时都服从共同的规律。但另一方面，由于它们的频率（或波长）不同，又表现出不同的个性。例如，波长较长的无线电波很容易出现干涉、衍射等现象，但对波长越来越短的可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线，要观察到它们的干涉、衍射现象就越来越困难了。

各种电磁波产生的机理

不同频率范围的电磁波产生的机理是不同的。无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动所产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。从图 13-37 中可以看出，长波的红外线和无线电短波已经重叠，这表明同一波长的电磁波可以有两种来源。

思考

对于同一个障碍物来说，电磁波中的伦琴射线、紫外线、红外线和无线电波，最能产生明显的衍射现象的是哪一种？为什么？

七、光谱

分光镜

研究物质的发光特征和规律，需要应用分光镜。它的构造如图 13－ 38(a)所示，由平行光管 A、三棱镜 P、望远镜筒 B 和标度管 C 组成。平行光管 A 的前方有一宽度可调节的狭缝 S，S 位于透镜 L1 的焦平面处。从 S 射入的白光经 L1 折射后，变成平行光射到三棱镜 P 上，白光中不同频率的光经过棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜 L2 后方的焦平面① MN[图 13-38(b)]上形成按频率大小依次排列的彩色光带，也就是光谱。通过望远镜筒的目镜，就可看到放大的光谱的像。如果在 MN 处放上照相底片，就可摄下光谱的像。具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。标度管 C 被照亮后，可在 MN 处形成标度的像，用以测量光谱中各波段的位置。

根据光谱的形成条件，光谱可分为发射光谱和吸收光谱两类。

发射光谱

由物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱又有两种类型：连续光谱和明线光谱。

炽热的固体、液体以及高压气体的光谱，是由连续分布的包含有一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续光谱（见彩图 12），例如白炽灯丝、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

稀薄气体的光谱，是由一些不连续的亮线组成，这种光谱叫做明线光谱（见彩图 13）。观察稀薄气体的光谱，可以使用光谱管。它是一支中间较细的封闭玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极，接在高压电源上。气体放电时，用分光镜可以观察这种气体的明线光谱（图13-39）。

把固态或液态物质放到煤气灯的火焰或电弧中加热，它们汽化后发光，也可用分光镜观察它们的明线光谱。

从实验知道，每种元素的原子都有一定的明线光谱，因为每种元素的原子只能发出一系列不连续的具有特定波长的光谱线，所以我们把这种谱线叫做元素的特征谱线。例如钠的特征谱线是在黄光区域的波长为0.5890 微米和 0.5896 微米的两条谱线，氢的特征谱线在可见光范围内是分别出现在红光、蓝光和紫光区域的波长为 0.6562 微米、0.4861 微米、0.4340 微米及 0.4101 微米的四条谱线，分别被称为 Hα、Hβ、Hγ和 H δ。

吸收光谱

高温物体发出的白光，通过温度较低的物质时，某些波长的光被物质吸收后形成的光谱叫做吸收光谱，用分光镜可观察到在连续光谱的背景上出现若干条暗线。例如让炽热固体发出的白光通过温度较低的钠蒸汽，用分光镜来观察，就会在连续光谱的背景上出现靠得很近的两条暗线（见课本彩图 14），这两条暗线的波长恰好跟钠蒸汽的发射光谱中两条黄色亮线的波长相同。实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应。

光谱分析

由于每种元素都有它的特征谱线，各种元素的特征谱线中亮线（或暗线）的条数、位置都因元素的不同而不同，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。用光谱分析的方法能非常灵敏地鉴别物质，某种元素在物质中的含量只要有 10-13 千克，就能把它鉴别出来。光谱分析在科学技术上有着广泛的应用。

太阳光谱中有许多条暗线，就是因为太阳发出的白光在穿过温度比太阳表面低得多的太阳大气层时，其中某些波长的光被吸收掉而形成的吸收光谱（见课本彩图 15）。通过对太阳光谱的分析，知道太阳大气层里至少含有氢、氧、钠、钾、钙、铁、镍、钴等 66 种元素。我国南京紫金山天文台就有太阳光摄谱仪，专门用来研究太阳光谱。其他恒星天体及其表面大气层的成份也可用光谱分析来测定，这就大大开阔了人们对各类天体的认识。

练习三十

1. 氢光谱管产生的光谱是 [ ] A．明线光谱； B．连续光谱；

C．发射光谱； D．吸收光谱。

1. 可用于光谱分析的是 [ ]

A．明线光谱； B．连续光谱； C．发射光谱； D．吸收光谱。

八、光电效应

麦克斯韦提出的光的电磁说，把光波和电磁波统一起来，使光的波动理论得到进一步的完善，但是光的本性是复杂的，19 世纪末发现的一些新现象，例如光电效应现象，就无法用光的波动理论进行解释。

1887 年，赫兹首先发现，让紫外线照射在电压很高的极板上，就能使极板间发生火花放电现象。1888 年，俄国物理学家斯托列托夫（1839

—1896）重复赫兹的实验，进一步发现，用紫外线照射带负电的极板时， 能使极板失去电子。

如图 13-40 的装置中，一块表面洁净的锌板和验电器连接，用紫外线照射锌板，验电器的指针发生偏转，由此可知锌板带了电。经过验证知道锌板带的是正电，这表明锌板在紫外线的照射下释放了电子。

金属及其化合物在光（包括不可见光）的照射下，释放电子的现象， 叫做光电效应(Photoelectric effect)。释放出的电子叫做光电子。光电子在外电路中运动形成的电流叫做光电流。

斯托列托夫研究了光电效应，总结出光电效应的规律： 1．任何一种金属，都有一个极限频率（又叫红限），入射光的频率

低于这个频率就不能发生光电效应。下面表中是几种金属的极限频率 v0 和极限波长λ。

1. 光电子的最大初动能跟入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。

2. 从光开始照射到释放出光电子，整个过程所需时间小于 3×10-9 秒。

3. 当入射光的频率大于极限频率时，单位时间、单位面积上发射出的光电子数跟入射光频率无关，跟入射光强度成正比。

光电效应的规律无法用光的波动理论来解释。按照波动理论，波的能量只跟振幅有关而跟频率无关，只要光足够强，照射时间足够长，都能使电子获得能量逸出金属表面，发生光电效应。而实验结果告诉我们， 对某种金属，当入射光的频率低于它的极限频率时，不论光多么强，照射时间多么长，都不可能发生光电效应。光电子的最大初动能只跟光的频率有关，而跟光的强度无关，这也跟波动理论相矛盾。此外，根据光的波动理论，入射光的辐射能是连续分布的，电子吸收光能需要一定时间，但实验结果是极板一受到入射光照射，几乎立即有电子释放出来。

光的电磁说无法解释光电效应现象，这告诉我们对光的本性的认识不能停留在光具有波动性的一个方面，必须对它作进一步的研究。

光子说

为了解释光电效应的实验结果，1905 年，爱因斯坦(1879—1955)在德国物理学家普朗克研究电磁辐射的基础上提出了光子说。他指出，在空间传播的光的辐射能不是像波动理论认为是连续分布的，而是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子(photon)。每个光子所具有的能量跟光的频率成正比，即

E=hv。

式中 v 为光的频率，比例常数 h 是一个普适恒量，叫做普朗克恒量，实验测出 h=6.63×10-34 焦·秒。

光子说可以很好地解释光电效应。当光照射到金属表面时，金属中电子吸收了一个光子就获得能量，不需要任何积累能量的时间。电子获得的能量如果足以克服原子核对它的束缚，就可以离开金属表面逸出成为光电子，电子克服金属原子核的引力所做的功，叫做逸出功。不同金属的逸出功不同，所以它们的极限频率也不同。由于光子能量跟频率成正比，入射光的频率越大，光子的能量越大，超过逸出功的部分越多， 从金属表面逸出的光电子的初动能也就越大。

思考

某种金属在黄光照射下恰好能产生光电效应，如果改用红光或紫光照射，是否还能产生光电效应？

爱因斯坦的光电方程

爱因斯坦的光子说指出，电子从入射光中吸收一个光子的能量 hv 之后，一

部分消耗于逸出功W，另一部分转变为电子的最大初动能 1 mv²。根据能量转

2

化和守恒定律可以得出：

hv = 1 mv² + W 。2

这个方程叫做爱因斯坦的光电方程。从方程中可知，当入射光子的能量小于金属的逸出功时，即 hv＜W，不会产生光电效应；只有 hv≥W 时，才会产生光电效应。当光子能量 hv=W 时，入射光的频率 v 就等于金属的极限频率 v0，因此，极限频率 v0 可由下式求得

v = W 。

0 h

对于一定的金属来说，逸出功 W 的值是一定的，所以电子的最大初动能跟入射光的频率有关，频率越高，电子的最大初动能越大，电子逸出速度也越大。入射光频率一定，光强度的变化不会影响电子逸出的速度。

光电管

光电管是光电效应在技术上的一种应用。图 13-41 是一种光电管。玻璃泡里的空气已经抽去，同时充有少量的惰性气体（如氩、氖、氦）。

泡内有一个涂有碱金属（如钠、锂、铯）的金属柱面 K，作为发射电子的阴极，金属棒 A 是收集光电子的阳极。

把光电管接在电路中，阳极 A 接在电池组的正极，阴极 K 接在电池组的负极。当光不照射时，电路中没有电流。当光照射到光电管的阴极 K 上，阴极表面就有电子逸出，在 K、A 间的电场中，电子向阳极 A 运动， 在电路中形成电流（图 13-42）。电流的大小决定于入射光的强度。光电管产生的电流一般很小，应用时要经过放大器放大。

光电管可以把光信号转变为电信号，它的应用很广泛，如各种光电自动化装置、电影、无线电传真和光纤通信。图 13-43 是光电管在自动控制中的工作原理图。当光照射到光电管的阴极 K 后，产生很微弱的光电流，经放大器放大，使电磁铁 M 磁化，把衔铁 N 吸住，于是接触片接通，工作电路通电，被控制的机器就开动起来。而当照射到光电管阴极上的光线被遮挡时，电路中没有电流，衔铁 N 在弹簧作用下与 M 脱离， 接触片断开，工作电路断路，机器就停止工作。

思考

根据光电管工作原理，请设计一个“光电计数装置”，用于统计进入展览会的参观者人数，并画出简要的电路图。

练习三十一 1．当光照射到某种金属表面时，金属表面有电子逸出。如果这束照

射光的强度减弱到某一最低值时，以下可能发生的现象是 [ ]

A．没有电子逸出金属表面； B．单位时间逸出金属表面的电子数减少； C．逸出金属表面的电子的最大初动能减小。

2．波长为 2.4×10-7 米的紫外线和波长为 6×10-7 米的橙光，它们光子的能量之比是多少？

九、光的波粒二象性

我们已经学过力学、热学、电磁学等知识，这些知识都是经典物理学的主要内容。经典物理学所研究的物质包括实物和场两种。实物和场在许多方面是不同的，但也有共同的地方，例如，它们的运动变化过程和描述这些过程的物理量都是连续的。

经典物理学的基本概念和规律，是以人们日常生活和生产的经验为基础，以及从一定条件下的实验结果归纳得出的。这就是：被观察物体的速度远远小于光速；它们本身的大小比原子、分子大得多。现在我们学习的知识领域将从宏观世界逐步深入到微观世界，例如光子、原子的性质。在微观世界中，我们将认识物质存在的两种形式——实物和场是统一的，物理量不一定是连续变化的。

人们对光的本性的认识

关于光的本性的认识，早在 17 世纪就存在两种对立的学说——牛顿

的微粒说和惠更斯的波动说。19 世纪初，人们在实验中观察到光的干涉、衍射现象后，波动说才逐渐为人们所公认。到麦克斯韦从理论上指出光是一种电磁波，赫兹又从实验证实了电磁波的存在，并测出了它的传播速度等于光速以后，似乎光的波动理论就相当完善了。然而光电效应等现象，不仅无法用波动理论来解释，而且这些现象所服从的规律与波动学说的结果发生严重的矛盾。为了解释光电效应的规律，爱因斯坦提出了光子说。爱因斯坦的理论经密立根（1868—1953）用实验完全证实， 这就肯定了光具有粒子性。这是人们对微观粒子本质认识的一个飞跃。

光的波粒二象性

光既具有粒子性又具有波动性，也就是光具有波粒二象性。这里所说的粒子性和波动性，已经不是牛顿的微粒说和惠更斯的波动说了。牛顿把光看做实物粒子，惠更斯把光看成机械波，他们都想用一种观点去说明光的本性，这主要是历史的局限，是受了宏观世界实践中所形成的观念的影响，因为宏观现象中的波动性和粒子性是完全对立的，无法统一的，在宏观世界中我们不可能找到具有与光子完全相同的实物。

光子是一种微观粒子，是人们以往实践中未曾接触过的，因此，不可能用宏观世界实践中所形成的概念，完美地说明微观世界。对于光子， 只有用波粒二象性才能说明它的本性。光子所具有的波动性和粒子性不是对立的，而是统一的，光子说指出光子的能量 E=hv，式中频率 v 就是波动的特征。

理论和实验告诉我们，光在传播过程中，主要表现为波动性；当光与物质相互作用时，主要表现为粒子性。大量光子表现出来的是波动性， 少量光子表现出来的是粒子性。我们了解光的波粒二象性，是认识微观粒子特殊规律的开始。进一步研究指出，不仅光具有波粒二象性，电子、质子、中子等一切微观粒子也都具有波粒二象性。

德布罗意波

法国物理学家德布罗意（1892—），在光的波粒二象性启发下大胆设想，在通常情况下表现为波动的光具有粒子性，那么在通常情况下表现为粒子的物质是否具有波动性？德布罗意在 1924 年提出一个假说，认为一切微观粒子，包括电子、质子、中子，都有波粒二象性。德布罗意从理论上建立了粒子与波动的联系,对于波动，我们用频率 v 和波长λ描述；对于运动粒子，我们用能量 E 和动量 P 表征。他指出：具有质量 m 和速度 v 的运动粒子的波长λ等于普朗克恒量 h

跟粒子动量mv的比，即λ = h

mv

。这个公式叫做德布罗意公式。

既然任何粒子都具有波动性，那末长期以来，人们为什么会忽略它的波动性呢？这是由于一般运动粒子的波长太短了，没有足够精密的仪器能够觉察它的波动性，我们知道狭缝的宽度远大于光波的波长时是观察不到衍射现象的。但当我们深入到微观世界中时，情况就不同了。科学家们设计了用电子射线通过氯化钠晶体产生衍射的实验，得到了电子射线的衍射图样[图 13-44(a)]，这图样与伦琴射线通过同一晶体时产生的衍射图样[图 13-44(b)]完全相似。这就证明了电子具有波动性。后来

又完成许多实验，证实了其他微观粒子，如质子、中子、中性原子、分子，也同样具有波动性，其波长与动量的关系都符合德布罗意公式。这种跟物质相联系的波动，叫做德布罗意波，也叫物质波。

本章学习要求1．知道人们对光的本性认识的发展。

1. 理解光的折射定律。理解介质的折射率。

2. 会用插针法测定玻璃的折射率。

3. 知道光的色散。

4. 知道光的干涉及其产生的条件。

5. 知道光的衍射及其能够发生明显衍射现象的条件。

6. 知道电磁场。

7. 知道电磁波，记住电磁波在真空中的传播速度。

8. 理解电磁波的波长、频率和波速的关系。

9. 知道红外线、紫外线、X 射线、γ射线及其主要作用。

10. 知道光的电磁本性。知道电磁波谱。

11. 知道光谱和光谱分析。知道连续光谱、明线光谱和吸收光谱。

12. 知道光电效应现象的基本规律。

13. 初步学会用光电元件控制电路。

14. 知道光子说。

15. 知道光子的能量跟频率有关。

16. 知道光的波粒二象性。

17. 知道一切微观粒子都具有波粒二象性。

复习题

1．单选题

1. 平面镜 CD 与水面 AB 间的夹角为 60°，一束红光从水中竖直向上入射到 O 点（图 13－45），则该束光传播的方向可能是 [ ]

   1. 沿 OA 方向；

   2. 沿 OC 方向；

   3. 沿∠AOD 的角平分线方向；

   4. 沿 ∠AOC 的 角 平 分 线 方 向

      。2．关于光的干涉，下列叙述中正确的是 [ ]

A．光的干涉现象是光直线传播的结果； B．光有干涉现象，证明了光具有波动性； C．在光的干涉现象中，明条纹是光波正常照射到的地方，暗条纹

是光波能量消失的地方； D．两支相同的烛焰发出的光也可能产生干涉现象。

3．在观察薄膜干涉时，用两块玻璃片叠在一起，在它们的一端夹一小薄片，使玻璃片间形成如图 13－46 所示的楔形缝隙，因而可以看到干涉图样。这是光从两块玻璃片的 a、b、c、d 四个面中，某两个面上反射的光线发生干涉的结果,这两个面是 [ ]

A．a 和 b； B．b 和 d；

C．b 和 c； D．a 和 d 。4．关于电磁波，下列叙述中正确的是 ［ ]

1. 电磁波、机械波都是本质相同的波； B．电磁波就是无线电波； C．电磁波的传播不需要介质，所以电磁波在真空中以及任何介质

中的传播速度都相同； D．无线电波、红外线、可见光线、紫外线、伦琴射线和γ射线都

是电磁波。

1. 用单色平行光照射一个狭缝后，在屏上得到明暗相间的条纹，这是由于 [ ]

   1. 光的全反射； B．光的色散； C．光的干涉； D．光的衍射。

2. 以下可以形成明线光谱的情况是 [ ] A．白炽灯丝发光；

   B．低压金属蒸汽发光； C．稀薄气体发光； D．高压气体发光。

3. 用某一频率的单色光照射金属表面时，恰好不能发生光电效应。为了产生光电效应，则应该采取的方法是 [ ]

   1. 光的强度增大； B．照射时间增加； C．光的频率变小； D．光的频率变大。

4. 在下列各单色光中，光子能量最大的是 [ ] A．红光； B．紫光；

   C．蓝光； D． 黄 光 。 9．关于光的本性，下列说法中正确的是 [ ] A．的波粒二象性综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说；

1. 光的波粒二象性反映了光的电磁本性的局限性； C．光子说只是说明光具有粒子性； D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果

往往显示出波动性。 2．某单色光从空气射到玻璃的表面，反射光线与折射光线的夹角为

90°，若已知玻璃对这一单色光的折射率为 1.50，试分别求入射角和折射角的大小。

1. 一束光线从空气射入某介质时，入射光线与反射光线恰好垂直， 折射光线与入射光线之间的夹角为 160°，试求：(1)介质的折射率；(2) 光在这种介质中传播的速度。

2. 如图 13-47 所示，棱镜的顶角为 30°，一束单色光垂直 AB 面射入，由 AC 面射出。测得从棱镜射出的光线与原来入射光线之间的夹角为30°，试求组成棱镜材料的折射率。

3. 有一圆柱形空筒，筒的直径和筒高均为 d。观察者在筒的边缘外侧 A 点恰好看到筒底边缘的 B 点（图 13-48）。观察者位置不变，将筒内注满某种液体，这时恰好看到筒底中央的圆心 O 点。试求：(1)液体的折射率；(2)光在这种液体中的传播速度。

4. 红光在真空中的波长是 7.5×1014 米，它以 60°的入射角从空气射入某介质，折射角为 30°，试求红光在这种介质中传播时的频率、速度和波长。

5. 频率为 3.9×1014 赫的某单色光，从空气射入水中，已知水对这一单色光的折射率为 1.33，试求它在水中传播时的波长和速度。

6. 频率为 6.0×1014 赫的光波在某种液体中传播时的波长是 3.0×

10-7 米。求：(1)这列光波在这种液体中的传播速度；(2)这列光波在空气中的波长。

1. 紫光在空气中的波长为 4.0×10-7 米，红光在空气中的波长为 7.0

×10-7 米，玻璃对紫光的折射率为 1.54，对红光的折射率为 1.50。求： (1)这两种色光的频率；(2)它们在玻璃中的传播速度；(3)它们在玻璃中传播时的波长。

1. 黄光在玻璃中传播时的波长为 4.2×10-7 米。这样的一束黄光从玻璃射向空气，入射角为 30°，折射角为 45°，试计算黄光的频率和它在空气中传播时的波长。

2. 如果某红光在水中的波长恰好跟某绿光在真空中的波长相等， 已知水

4

对红光的折射率为 3 。求红光与绿光在真空中的波长之比及其频率之比。