光学研究中辩证思维.docx

光学研究中的辩证思维萌芽时期在光的萌芽时期，对光的认识是建立在直觉感官之上的。一、光的直线传播直觉感官：在森林中有雾气的时候，可以看到一条明显的光束；激光照射；补充：图片资料。科学实验：小孔成像原理。早期记载：春秋战国时期墨经：景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足避下光，故成景于上；首避上光，故成景于下。补充：照片资料二、对视觉和颜色的认识目以火见，指出看见物体需要光。光的颜色;彩虹。（补充，图片资料）。毛泽东：菩萨蛮大柏地赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞。说明光中蕴含着不同的颜色。三、光的反射及其应用照镜子（补充：图片资料）欧阳修新唐书：以铜为鉴，可以正衣冠，以人为鉴，可以明得失；以史为鉴，可以知兴替。四、关于成影现象的认识立竿见影，日晷，白天黑夜。（补充：图片资料）五、对大气光学现象的探讨光晕、彩虹、海市蜃楼、北极光等。几何光学时期光学发展史上的转折点，由现象逐渐到本质的过程。一、光学仪器的发明与应用荷兰人李普塞在1608年发明第一架望远镜。在整个17世纪，荷兰是世界上最强大的海上霸主，因此，被称为海上马车夫。二、光的反射和折射定律开普勒在1611年发表著作折光学，提出照度定律；之后笛卡尔和费马用精确地公式给出光的反射和折射定律。反射定律：折射角等于入射角。折射定律：入射角与折射角的正弦值在一定的两种介质中比值是一个定值。补充：黑板上画图讲解。几何光学是建立在直线几何的基础之上的，满足几何直线的性质。从宏观上来说，光就是一条直线（射线）。到十七世纪中叶，基本上已经奠定几何光学的基础。三、对光的本质的探索牛顿的光学微粒学说和惠更斯的以太波动说。牛顿的微粒学说：牛顿于公元1704年出版的光学，提出了光是微粒流的理论，他认为这些微粒从光源飞出来。在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难。同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。惠更斯的波动说：惠更斯反对光的微粒说，1678年他在论光一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波所谓“以太”则是一种假想的弹性媒质，充满于整个宇宙空间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有指出光现象的周期性，他没有提到波长的概念他的次波包络面成为新的波面的理论，没有考虑到它们是由波动按一定的位相叠加造成的归根到底仍旧摆脱不了几何光学的观念，因此不能由此说明光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象牛顿和惠更斯在探索光的本质的过程中尽管都没有得出正确的答案，但却做出了有益的尝试，并且这也预示出了光的本质的复杂性。波动光学时期一、托马斯杨杨氏干涉、菲涅耳惠更斯菲涅耳原理：解释光的的干涉、衍射和直线传播现象。杨氏双缝干涉实验：即双缝实验，著名光学实验，在1807年，托马斯杨总结出版了他的自然哲学讲义，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝实验：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。菲涅耳惠更斯原理：菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播 。二、法拉第、韦伯、麦克斯韦、赫兹：解释光的偏振、偏振光的干涉，提出光是一种电磁现象。1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。 1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。至此，物理学家已经证实光是一种波，而且是电磁波，具有波动性。新问题：黑体辐射、光电效应黑体辐射：19世纪末，卢梅尔（18601925）等人的著名实验黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。物理天空中的两朵小乌云：19世纪的最后一天，英国著名物理学家开尔文在新年祝词中称：“物理大厦已经落成，只剩下一些修饰工作，但是物理的美丽而晴朗的天空仍旧飘着两朵小乌云。”第一朵乌云：迈克尔逊-莫雷实验与以太说的破灭。物理学家认为光之所以能够从太阳上传播到地球，是因为宇宙中有一种介质，即以太。但是之后被迈克尔逊和莫雷的“以太飘移”实验证明宇宙中不存在以太。第二朵乌云：黑体辐射与紫外线灾难。尽管这两个物理问题在当时看来只是物理天空中飘着的两朵小乌云，但随后这两朵小乌云却引来一阵物理学界的狂风暴雨，随后诞生的量子力学和爱因斯坦的相对论，使为牛顿经典力学所所统治的力学产生革命性的突破。光电效应：光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而瞬间（十亿分之一秒）形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响量子光学时期一、普朗克提出辐射的量子论：近代物理学的起点1900年德国科学家马克斯普朗克提出了一个大胆的假说，认为黑体辐射中的辐射能量是不连续的，而是由小微粒组成的，他把这种小微粒叫做量子，并且所有能量只能取能量基本单位的整数倍，这一假设在科学界石破天惊，一鸣惊人。普朗克的假说与经典的光学说和电磁学说相对立，以至于当初大多数物理学家（包括普朗克本人在内）都认为这一假说不过是适应面很窄的一个数学假设。虽然这一假说听起来很离奇，但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式，而且能能很好的解释一些经典电磁力学无法解释的物理现象。二、爱因斯坦运用量子论解释光电效应。按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的金属(如硒)上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应三、康普顿效应1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长0的x光外，还产生了波长0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。四、德布罗意波结论：光具有波粒二象性。综述知识点：辩证法的三大基本规律：矛盾的对立与统一、质量互变规律、否定之否定。对立统一揭示了事物内部对立双方的统一和斗争是实物普遍联系和发展的根本内容，是事物发展的源泉和动力；质量互变规律揭示了一切事物运动、发展、变化的两种状态，即质变和两边以及他们之间的内在联系和规律性；否定之否定揭示了事物由矛盾引起的发展，即由肯定-否定-否定之否定的螺旋式的前进运动。结合实例：矛盾的对立与统一：在光的研究过程中，首先由牛顿和惠更斯分别提出了光学的微粒学说和波动学说，并认为两种观点非黑即白，互相排斥，具有不可调和的矛盾。但是之后的研究发现，光不仅具有波动性，还具有粒子性，也即波粒二象性。这说明一件事物自有其矛盾的有一面，这种矛盾处于对立与统一的斗争之中，最终促使事物不断的发展。运用：税收造成的无谓损失税收通过转移支付用于修建公共设施或者提高社会福利可以给人们生活带来好处，但同时税收会增大纳税人的经济负担，降低其生产的积极性，造成无谓损失。这说明一项政策制度不可能有益无害，要衡量一个制度的好坏，就要充分考虑到其矛盾的两面，在其中做好权衡。生物中的负反馈调节（TRH&RSH）TRH(促甲状腺激素释放激素)由下丘脑释放，作用于垂体，使垂体释放TSH（促甲状腺激素），TSH作用于甲状腺，使甲状腺释放甲状腺激素。但是反过来，甲状腺激素能够抑制TRH&TSH的释放，防止TRH&TSH的过度释放，导致甲状腺生长及分泌激素异常。（异常症状如大脖子病、甲亢）可逆反应略。质量互变规律：在光学研究的发展中，德布罗意提出，波粒二象性不仅仅是光所有的性质，任何实物粒子都具有波粒二象性。之所以我们看不出实物粒子的波动性，是因为其相对于光子的速度较小，体积较大。所以当速度逐渐增大，体积逐渐减小时，在量上的改变最终会导致质的改变改变，比如，光无法静止。运用：达尔文的生物进化论物种的基因处在不断地突变之中，当突变的基因累计到一定量的时候，物种之间就会发生生殖隔离，原本完全一样的物种最终会进化成两种不同的物种，这也有了自然界各种各样的生物。极限思维略。一万个小时理论指出在某一方面连续投入一万个小时以后，随着投入量的积累，最终会使你在那一个方面有很高的造诣，产生质的跃迁，这在我们的学习生活之中具有很强的指导意义。否定之否定：否定之否定实际上是一个突破片面局限，不断接近事实真相的过程，也是一个扬弃的过程。在光学研究中，我们看到，起初囿于科技水平，牛顿和惠更斯都没有提出正确的观点，并且片面的认为光要么只有粒子性，要么只有波动性。但是在之后的研究中才逐渐发现证实光具有波粒二象性，还原光的本质。运用：力学发展在牛顿经典力学创立以前，物理力学界一直信奉亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”，但是牛顿指出，历史改变物体运动的原因，由此而建立了经典力学，并一度成为物理大厦的根基。但是随着爱因斯坦的相对论以及后来的量子力学的建立，发现牛顿的经典力学也只适用于宏观低速的情况，也就是只是一种特殊情况。而如今，随着弦论的发展，人们进一步猜测相对论或许也只是一种特殊情况，为此还有待物理学家的进一步研究证实。社会主义市场经济的建立马克思、列宁、斯大林、毛泽东、邓小平等。苯环的发现略。事物之间是相互联系的：唯物辩证法指出，事物之间是相互联系与发展的。在光学的研究过程中，牛顿将光与微粒联系起来，惠更斯将光与声波联系起来，韦伯将光与电磁波联系起来，德布罗意将光波与物质波联系起来，这充分说明事物之