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1 光的本質. 2 我是誰 ? 波?波? 粒子 ? 3 很久以前 …… 一名古希臘哲學家亞里士多德 (384 - 322 B.C.) 認為 我們能看見萬物,原因是眼睛能發出一些「東西」, 而那些東西能從物體上反射回來。 在柏拉圖的時代 (427 – 347 B.C.) 人類已經知道平滑 的表面能反射光線,他也是個希臘人。

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Παρουσίαση με θέμα: "1 光的本質. 2 我是誰 ? 波?波? 粒子 ? 3 很久以前 …… 一名古希臘哲學家亞里士多德 (384 - 322 B.C.) 認為 我們能看見萬物,原因是眼睛能發出一些「東西」, 而那些東西能從物體上反射回來。 在柏拉圖的時代 (427 – 347 B.C.) 人類已經知道平滑 的表面能反射光線,他也是個希臘人。"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 1 光的本質

2 2 我是誰 ? 波?波? 粒子 ?

3 3 很久以前 …… 一名古希臘哲學家亞里士多德 (384 - 322 B.C.) 認為 我們能看見萬物,原因是眼睛能發出一些「東西」, 而那些東西能從物體上反射回來。 在柏拉圖的時代 (427 – 347 B.C.) 人類已經知道平滑 的表面能反射光線,他也是個希臘人。 古希臘人 ( 約 200 A.D.) 也是首個觀察到光會在兩個 折射率不同的透明介質的交界產生折射。

4 4 牛頓 1643 - 1727 惠更斯 1629 - 1695 在 17 世紀,兩個科學家對光的本質持有不同的見解 ... 光是粒子 不對!光是 波動

5 5 17 世紀時,人類已經知道了光的一些特性,例如: 光有不同的顏色 光可以穿越真空 光可以進行反射和折射,這些過程都由反射定律和折 射定律來描述

6 6 反射定律 根據反射定律, 入射角 = 反射角 ( θ i = θ r ) 入射光線反射光線 法線 θiθi θrθr

7 7 折射定律 斯涅耳在 1621 年發現當波從折射律為 n 1, 的介質 進入折射率為 n 2 的介質時, n 1 sin(θ 1 ) = n 2 sin(θ 2 ) 這個關係稱為斯涅耳定律。 入射光線 法線 折射光線 θ1θ1 θ2θ2 n1n1 n2n2 介面 當光線從光密度較低的介質進入光密度較高的物 質時會偏向法線。

8 8 牛頓提出「光的粒子論」 ( 又稱為「光微粒說」 ) 來解釋光的特性。 ( 資料來源: “Opticks”, 由 Isaac Newton 於 1704 年發表 ) 我認為光是一串由微粒組成的 射線 …

9 9 為甚麼光有不同顏色? 不同顏色的粒子有著不同的特質,例如質量、 大小和速度。 為甚麼光能穿越真空? 由於光是粒子,所以能穿越真空。 (牛頓的時代還未有人發現有哪種波可以穿越真空。) 粒子論

10 10 為甚麼光以直線前進? 把球凌空拋擲,由於地心吸力的緣固,球會以 曲線路徑活動。 但是隨著擲球的速度上升,其活動路徑的弧度 會下降。 所以,當數以億計質量極小的細小光粒子以高 速前進時,其路徑基本上成直線。

11 11 粒子論怎樣能解釋反射定律? 鋼球從平滑表面反彈的情況與光線 從鏡子表面反射的情況相似。 鋼球反彈 光線反射 鏡子 光線內有大量光粒子

12 12 當炮彈抵達水面時,會受到與水面成直角的「折射力」影響, 因而減慢速度,並偏離法線。光線的表現則剛好相反。要解 釋這個觀察現象,牛頓假設光在水中的前進速度較快,所以 會偏向法線。 (這個解釋有甚麼問題?) 問題: 光在水中的速度真的較快嗎? 在牛頓和惠更斯的年代還沒有 人能測量光的速度 牛頓的粒子論怎樣解釋折射定律? 炮彈光 水 空氣

13 13 為甚麼稜鏡能把一束白光分成彩虹? 為甚麼紅光的折射程度最低,紫光的折 射程度最高? 牛頓的假設: 1. 不同顏色的光粒子都擁有質量。紅光粒子的質量較紫光粒 子重。 2. 所有光粒子在越過介面時都會受到同樣的折射力。 所以受到相同的力影響時,與惰性較低的紫光粒子相比, 惰性較高的紅光粒子的折射程度較低。 紅 紫

14 14 讓我們看看惠更斯怎樣利用他的 「波動論」來解釋光的特性... 我認為光是以一列波動的形式從 介質中發射,這個介質稱為 「 aether 」 ( 資料來源: Treatise on light, 由惠更斯於 1690 年發表 ) (“aether” 也常稱為 “ether”)

15 15 一個由 P 開始、波前為 W 的波以各個方向 往外移動。經過一段時間 t 後,波的半徑 為 r ,如果 t 是波的速度,則 r = ct 。 波前上的每一點都會產生次子波。這些次 子波互相干涉,在時間 t’ 後產生新的波前 W’ 。 波怎樣前進? P

16 16 波動論怎樣解釋折射定律? 按此看動畫 W1W1 W2W2 CD AB 當波前 W 1 (AC) 到達 A 點時,從 A 開始的次子波會擴散。當原來的波 前到達 B 時,從 A 開始的次子波會到達 D ,產生新的波前 W 2 (BD) 。 入射角 = 反射角可以用幾何學來證明。參考工作紙的附錄或課本便 可知道怎樣證明。

17 17 波動論怎樣解釋折射定律? 光學密度較 高的介質 n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 可以以幾何學證明。參考工作 紙的附錄或課本便可知道怎樣 證明。 按此看動畫 波前 W 1 到達介質 1 和 2 的交界時,波前 W 1 上的 A 點會開始擴散。當前 進波前抵達 B 時,由 A 開始的次波會前進一段較短的距離到達 D ,並 且開始一個新的波前 W2 ,所以波會偏向法線。 空氣 A C B D W1W1 W2W2 θ1θ1 θ2θ2

18 18 如果光擁有波的表現,則可以觀察到繞射和干涉。 這兩種都是波的重要特色,在 17 世紀便已知。 ( 利用水波槽觀察水波便可見到這些特性。 ) 光的波動論能預測干涉和繞射。可是,惠 更斯卻不能提出任何有力證據顯示光能進 行干涉和繞射。 水波的繞射和干涉

19 19 甚麼是科學定律? 甚麼是科學理論? 「反射定律」和「折射定律」都是科學定律的例子。 「光的粒子論」和「光的波動論」都是科學理論的子。 兩者之間有甚麼分別?

20 20 甚麼是科學定律? 甚麼是科學理論? 科學理論是對這些關係或規律的解釋。 科學定律是對大自然現象間的關係或規律的描述。 例子:理想氣體定律 PV = nRT 例子:分子運動論

21 21 定律和理論 分子運動論解釋這些關係(即理想氣體定律)。 理想氣體定律描述理想氣體的 P, V, 和 T 之間的關係。 分子運動模型

22 22 假設 理論 定律 從屬關係

23 23 理論不會演化成定律,相反亦言。 科學理論和定律是不同類型的知識。

24 24 如果你是活在 17 世紀的科學家,你會相信「光的 粒子理論」還是「光的波動理論」?為甚麼? 提示:哪個理論對解釋光特性的能力較強?

25 25 牛頓是勝利者... ( 當時的 ! ) 牛頓的光粒子理論在 18 世紀主宰了光學。 大部分科學家都認同牛頓的光粒子理論,因為這個理 論有較強的解釋能力。 考慮這些理由 ……

26 26 我們可以輕易聽到在障礙物後發出的聲音, 但卻不能見到後面的物件。與聲音不同, 光線不能展示繞射特性,所以不可能是波。 (1) 波並不只以直線前進,但光只以直線前進, 所以光不是波。

27 27 在 17 世紀,人們都相信波不能穿越真空。 要當時的人相信波能穿越「 ether 」-一種 由惠更斯提出,讓光能藉以前進的假想 「介質」-並不容易。 (2) 與聲波不同的一點,是光能穿越真空。 粒子能穿越真空。 X

28 28 (3) 光的粒子論能解釋為甚麼光有不同顏色。 惠更斯完全無法解釋為甚麼光有不同顏色。 他不知道不同顏色的光線有著不同的「波 長」。 雖然牛頓的解釋並不正確(不同色光的粒子 各有不同的質量和大小),但是他的粒子論 卻完滿解釋 17 世紀時所發現的各種現象。 ?

29 29 ( 4) 牛頓的聲譽 當缺乏足夠證據作出判斷時,人們都傾向信 任「權威」。牛頓的粒子論能解釋折射作用, 是因為錯誤地假設了光在密度較高的介質內 速度較快。當時沒有人能證明這是錯的。 有關光在水中的速度的疑團,直至牛頓死後超過一 世紀仍然未有人能解開。

30 30 總結:從惠更斯與牛頓對光本質的辯論, 我們知道... 科學定律是對大自然各種現象之間的關係或大自然的 規律所作的描述。(例如反射定律、折射定律) 科學理論是對這些規律和現象所作的解釋。 (例如光的粒子論 、 光的波動論) 好的理論應能解釋更多科學定律 。 (牛頓的光粒子論較惠更斯的光波動論有較強的解釋能力) 當缺乏足夠證據作出判斷時,人們都傾向信任權威。 (相信牛頓的理論是因為他在科學界德高望重)

31 31 可是,當牛頓的光粒子論獲接納後 100 年,科學界重 新檢視這個理論... 楊格 1773 - 1829 光不是粒子!

32 32 透過其著名的雙縫實驗, 楊格成功地顯示光的干涉 作用(這點是惠更斯無法 做到的)。 從此光的波動論便確切建 立。 楊氏雙縫實驗 設單縫的熒幕 陽光 設雙縫的熒幕 繞射同源 圓形波前 同步的波不同步的波 探測熒幕暗條子亮條子干涉條子

33 33 光的波動論一直受廣泛接納,直至 1905 年... 愛因斯坦 1879 - 1955 光的波動論? 「不可能!」

34 34 當光照射金屬時,光電效應產生,同時發射電子 利用光子(光由細小粒子組成)的構思,愛因斯坦解釋了顯 示光電效應的結果。 光電效應 電子從 表面發 放 鈉金屬 在真空環境 中,光照射 到清潔的鈉 金屬表面 出射電子 入射光子

35 35 Light 愛因斯坦的光電效應實驗提供了甚 麼證據支持光粒子理論? 研究光電效應的裝置中(如下所示),要量度光的強度、 光的頻率、所產生的電壓和電流的大小。 e-e- 光

36 36 對某些金屬而言,弱藍光能產生電流,而強紅 光卻完全不能發電 。 如光的頻率比臨閾頻率低,便沒有電流產生。 為甚麼光波動論不能 解釋實驗結果? 光電效應實驗的結果  fCfC f 電壓 光頻率

37 37 愛因斯坦的解釋 入射的光子使電子脫離金屬表面,每個光子都帶有固 定的能量 E , E 的大小與光的頻率 ( 有著以下關係: E = h h 是普朗克常數 (6.62 x 10 -34 焦耳秒 ) 只有擁有足夠能量(高於某個臨閾值)的光子才能令 電子脫離金屬,例如藍光。紅光便沒有足夠能量令電 子脫離金屬。

38 38 愛因斯坦為光粒子本質提供了強而有力的據... 但這是不是定局呢? 光究竟是粒子還是波? 德布羅意 1892 - 1987 光既不是粒子、也不是波 ,而是兩者的混合體!

39 39 1924 年,德布羅意提出粒子同時有著波的本 質,三年後的實驗結果證明了這點。 當時大部份科學家都不明白德布羅意這份博士 論文的意思。其中一個學生把論文交給愛因斯 坦解讀,愛因斯坦的回覆是德布羅意不但可取 得博士銜,更應取得諾貝爾奬! 結果他在 1929 年獲頒諾貝爾奬!

40 40 亞里士多德(光由眼睛發出) 惠更斯(光的波動論) 牛頓(光的粒子論) 楊格(光的波動論) 愛因斯坦(光的粒子論) 德布羅意(所有物體的波粒二象性) 總結

41 41 總結 : 從探索光本質的發展史中,我們學習到甚麼? 證據 (例如楊氏雙縫實驗、光電效應實驗結果...等) 能建立或否定一套理論。 建立或發展科學知識 ( 光的本質)需要努力不懈,亦往往 建基於他人及前人努力的成果。(跨時空的合作) 科學知識不斷變更,有時甚至具革命性(愛因斯坦發現光 的粒子本質,德布羅意發現所有物體的波粒二象性)。


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