第二节 光的波粒二象性

教学设计示例（一）

光的波粒二象性

一、教学目标

　　1．知识目标

　　（1）了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

　　（2）了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

　　（3）了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子性．

　　（4）了解光是一种概率波．

　　2．能力目标

　　培养学生对问题的分析和解决能力，初步建立光与实物粒子的波粒二象性以及用概率描述粒子运动的观念．

　　3．情感目标

　　理解人类对光的本性的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识光的本性的．

二、重点、难点分析

　　1、这一章的内容，贯穿一条主线——人类对光的本性的认识的发展过程．结合各节内容，适当穿插物理学史材料是必要的．这种做法不但可使课堂教学主动活泼，内容丰富，还可以对学生进行唯物辩证思想教育．本节就课本内容，十分简单，学生学起来十分枯燥．课本所提到的内容，都是结论性的，加入一些史料不仅可能而且必要．

　　2、本节中学生初步接触量子化、二象性、概率波等概念，由于没有直接的生活经验，所以在教学中要重点让学生体会这些概念．

三、主要教学过程

　　光学现象是与人类的生产和日常生活密切相关的．人类在对光学现象、规律的研究的同时，也开始了对光本性的探究．

　　到了17世纪，人类对光的本性的认识逐渐形成了两种学说．

　　（一）光的微粒说

　　一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”．用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的．

　　在解释光的反射和折射现象时，同样十分简便．当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射．在解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其相互作用，使微粒的速度的竖直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和方向均不发生变化（因为在这一方向上没有相互作用），就可以准确地得出光在反射时，反射角等于入射角这一与实验事实吻合的结论．

　　说到折射，笛卡儿曾用类似的假设，成功地得出了入射角正弦与折射角正弦之比为一常数的结论．但当光从光疏介质射向光密介质时，发生的是近法线折射，即入射角大，折射角小．这时，必须假设光在光密介质的传播速度较光在光疏介质中的传播速度大才行．

　　一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射．何种情况发生反射，何种情况下又发生折射呢？微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难．为此，牛顿提出了著名的“猝发理论”．他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔（等时或等距）内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易透过下一个折射面，而在它（相继）两次复发之间容易被这个面所反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射（的状态）称它为‘容易反射的猝发’，而把它返回到倾向于透射（的状态）称它为‘容易透射的猝发’，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔’”．如果说“猝发理论”还能解释反射和折射的话，那么，以微粒说解释两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了．

　　（二）光的波动说

　　关于光的本性，当时还存在另一种观点，即光的波动说．认为光是某种振动，以波的形式向四周围传播．其代表人物是荷兰物理学家惠更斯．他认为，光是由发光体的微小粒子的振动在弥漫于一切地方的“以太”介质中传播过程，而不是像微粒说所设想的像子弹和箭那样的运动．他指出：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，光射线在传播中一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于从它所发生的物质，像穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移所引起的”．他把光比作在水面上投入石块时产生的同心圆状波纹．发光体中的每一个微粒把振动，通过“以太”这种介质向周围传播，发出一组组同心的球面波．波面上的每一点，又可以此点为中心，再向外传播子波．当然，这样的观点解释同时发生反射和折射，比微粒说的“猝发理论”方便得多，以水波为例，水波在传播时，反射与折射可以同时发生．一列水波在与另一列水波相遇时，可以毫无影响的相互通过．

　　惠更斯用波动说还解释了光的反射和折射．但他在解释光自光疏介质射向光密介质的近法线折射时，需假设光在光密介质中的传播速度较小．现代光速的测定表明，波动说在解释折射时依据的假设是正确的：光在光密介质中传播时光速较小．但在17世纪时，光速的测量尚在起步阶段，谁是谁非，没有定论．

　　当然，光的波动说在解释光的直进性和何以能在传播时，会在不透明物体后留下清晰的影子等问题也遇到困难．

　　可见，光的微粒说和波动说在解释光学现象时，都各有成功的一面，但都不能完满地解释当时所了解的各种光学现象．

　　在其后的100多年中，主要由于牛顿的崇高地位及声望，因而微粒说一直占主导地位，波动说发展很缓慢．人类对光本性的认识，还期待新的现象的发现．直到19世纪初，人们发现了光的干涉现象，进一步研究了光的衍射现象．干涉和衍射是波动的重要特征，从而光的波动说得到迅速发展．人类对光的本性的认识达到一个新的阶段．

　　（三）牛顿理论中的波动性思想

　　作为一代物理学大师的牛顿，是提倡了微粒说，但他却并不排斥波动说．他根据他所做过的大量实验和缜密的思考，提出了不少卓越的、富有启发性的思想．在关于颜色的见解上，他提出“不同种类的光线，是否引起不同大小的振动，并按其大小而激起不同的颜色感觉，正像空气的振动按其大小而激起不同的声音感觉一样？而且是否特别是那些最易折射的光线激起最短的振动以造成深紫色的感觉，最不易折射的光线激起最长的振动，以造成深红色的感觉，而介于两者之间的各种光线激起各种中间大小的振动而造成中间颜色的感觉？”

　　他同时还提出：“扔一块石头到平静的水面中，由此激起的水波将在石头落水的地方持续一段时间，并从这里以同心圆的形式在水面上向远处传播．空气用力撞击所激起的振动和颤动也将持续少许时间，并从撞击处以同心球的形式传播到远方，与此相似，当光线射到任何透明体的表面并在那里折射或反射时，是不是因此就要在反射或折射介质中入射点的地方，激起振动和颤动的波，而且这种振动总能在那里发生并从那里传播出去．”

　　在解释光现象中，牛顿还多次提出了周期性的概念．而具有周期性，也是波动的一个重要特征．提出波动说的惠更斯却否认振动或波动的周期性．因此，对牛顿来说，在他的微粒说理论中包含有波动说的合理因素．究竟谁是谁非，牛顿认为“我只是对尚待发现的光和它对自然结构的那些效果开始作了一些分析，对它作了几点提示，而把这些提示留待那些好奇的人们进一步去用实验和观察来加以证明和改进．”牛顿的严谨，兼收并蓄的科学态度是值得我们学习的，恐怕这也是他成为物理学大师的原因之一．

　　（四）理解光的波粒二象性

　　1、动画（参考媒体资料中的动画“光的波粒二象性”）：当我们用很弱的光做双缝干涉实验时，将感光胶片放在屏的位置上，会看到什么样的照片呢？为什么会有这种现象？

分析图片：

    

结论：

　　1、左侧图片清晰的显示了光的粒子性．

　　2、光子落在某些条形区域内的可能性较大（对于波的干涉即为干涉加强区），说明光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释．

　　得出：光波是一种概率波，概率表征某一事物出现的可能性．

　　2、让学生回忆在研究分子热运动时做过的伽尔顿板实验：

　　教师总结：伽尔顿板实验中，单个小球下落的位置是不确定的,但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大．

　　3、思考与讨论：

　　（书中的思考）根据你的理解，说明概率的意义，举出几个日常生活中的或科学中的事例，说明哪些事件是个别出现时看不出什么规律，而大量出现时则显示出一定的规律性．

教师总结：

　　生活中，涉及概率统计的事件很多，例如：在研究分子热运动时，研究单个分子的运动是毫无意义的，需要研究的是大量分子整体表现出来的规律，这叫做统计规律．

　　4、让我们换一个角度思考——仍然考虑双缝干涉实验

　　当光源和感光胶片之间不可能同时有两个和多个光子时，长时间曝光得到的照片仍然和光源很强、曝光时间较短时一样，则光的波动性不是光子之间的相互作用引起的．

　　结论：波动性是光子本身的一种属性

（五）方法总结

　　光既表现出波动性，又表现出粒子性，由于微观世界的某些属性与宏观世界不同，而我们的经验仅局限于宏观物体的运动．在生活中找不到一个既具有粒子性、又具有波动性的物理模型帮助我们研究光子的规律．

　　随着人类认识的范围不断扩大，不可能直接感知的事物出现在我们的眼前，需要我们建立新的模型，提出新的理论来进行研究，对于一种模型，只要能与实验结果一致，它就能在一定范围内表示所研究对象的规律．

四、例题分析（参考备课资料中的典型例题）

五、教学说明

　　人类对自然的探索精神，是激励学生学习的动力．自本节起，其后的物理各章节中，包含了大量的物理学史内容．充分利用这些宝贵资料，恰当结合教材内容，既能充分激发学生学习兴趣，又可以自然地对学生进行辩证唯物主义思想教育，以利于对学生的科学素质和创造性精神的培养．

教学设计示例（二）

光的微粒说和波动说

一、素质教育目标：

　　（一）知识教学点：

　　1．知道光的微粒说和波动说

　　2．了解光的波动说和微粒说的发展史

　　（二）能力训练点：

　　1．通过实验现象的观察对比分析，注重观察能力的培养．

　　2．通过对光本性发展史的认识，培养科学探索、质疑精神，提高科学素质．

　　（三）德育渗透点：

　　1．通过对光本性发展史的了解，使学生感受和体会物理学的研究方法，领略物理理论的形成过程和物理学家的思维方法．

　　2．对光的波动说与微粒说的初步了解，培养学生的辩证唯物观点，激发学习兴趣，培养创新意识和创新精神．

二、重点、难点、疑点及解决办法：

　　本节课的内容，就课本而言，十分简单，而学生学起来比较枯燥抽象．但它是本章的开头.本章贯穿主线--人类对本性认识的发展过程．因而，上好这节课，对认识光的本性，提高学生的科学素质和培养创新精神十分必要．重点是了解人类对光本性认识的发展史，从而激发学生的学习兴趣，使学生受到辩证唯物主义教育，了解物理学的曲折发展过程和研究方法．初步认识光的波动性与粒子性，且光具有波粒二象性是学习的难点．要调动学生学习的积极性，使课堂变得生动活泼，增加较多的演示实验，穿插介绍物理学史是十分必要的．

三、课时安排：

　　本节内容：1课时

四、教具准备：

　　多功能激光仪 投影仪 多媒体课件

五、学生活动设计：

　　主要包括老师提出问题引导学生思考、讨论，观察实验，类比分析，归纳推理，质疑等，激发起兴趣，落实"以人为本，注重发展"的目标．

六、教学步骤：

　　（一）明确目标，引入课题：

　　演示一：激光仪演示观察：光的直进、反射、折射、介质分界面上同时发生的反射与折射．

　　演示二：激光器上演示在宽窄不同的三种单缝下所发生的直进、衍射现象等．

　　演示三：单色光通过双缝屏所发生的干涉现象．

　　在实验演示前可由老师先引导学生分析可能产生何种现象，然后演示观察，一方面检验所学知识的理解和应用能力，另一方面由于受所学知识的局限，对演示二与演示三所发生的现象产生惊奇，产生学习兴趣，可以激发求知欲．在此基础上老师提出：以上种种现象已经无法用光的直进、反射、折射等规律解释和说明，需要我们进一步弄清光的本质，光到底是什么？

　　人类对光本性的探讨，从很早就开始了，不过这个问题并不简单，人类对光本性的认识经历了漫长而曲折的过程，直到十七世纪，人类对光本性的认识才逐渐形成了两种学说．

　　（二）重点、难点的学习与目标的完成过程：

　　1．光的微粒说：

　　多媒体课件："关于光的本性问题，在1704年出版的《光学》一书中，牛顿认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间直线传播的微粒．这种看法被称为微粒说．牛顿用弹性小球撞击平面时发生反弹现象的类比，来解释光的反射现象，当光从空气进入透明介质时，由于介质对光微粒的吸引，使它们的速度发生变化，即造成光的折射．按这种解释，应该假设介质中的光速大于真空中的光速．当时，人们不能用实验方法测出光速，又因牛顿的威望，这种学说在18世纪取得了统治地位"．

　　按照牛顿的微粒说，解释光的直进、影的形成、反射、折射十分方便，但一束光射到两种介质界面时，既有反射，又有折射．何种情况下反射，何种情况下折射？微粒说在解释时遇到很大的困难．

　　2．光的波动说；

　　教师讲解：“荷兰物理学家惠更斯在1678年写成的《光论》一书中，从光与声的某些相似性出发，认为光是在‘以太’介质中传播的球面纵波．‘以太’是一种假想的弹性介质，充满整个宇宙空间，这就是惠更斯的波动说．这种学说认为光是某种振动，以波的形式在‘以太’介质中的传播．按此学说解释光的折射时要假设介质中的光速小于真空中的光速．惠更斯成功地推导出了光的反射和折射定律．但是，‘以太’这种连续弹性介质，难以想象，给波动说本身造成了不可克服的困难．”

　　光的波动说在解释光的直进和影子的形成原因时也遇到困难．

　　可见，光的微粒说和波动说在解释光现象时，都各有成功的一面，但都不能完满地解释当时的一切光现象．

　　直到19世纪初，人们发现了光的干涉、衍射，从而波动说得到很大发展．19世纪未，又发现了波动说不能解释的新现象--光电效应，证实了光的确又具有粒子性．人们终于认识到了光的本性--光具有波粒二象性．

　　3．牛顿的辩证思想：

　　牛顿虽然提倡了微粒说，但他并不排斥波动说．他根据所做过的大量实验和缜密的思考，提出了不少卓越而富有启发性的思想．如牛顿提出"周期性"概念，这是波动的一个特征，而惠更斯却否认波的周期性．因此，牛顿在它的微粒说理论中包容有波动说的合理因素．牛顿认为"我只是对尚待发现的光和它对自然结构的那些效果开始做了一些分析，对它做了几点提示，而把这些启示留等那些好奇的人们进一步去用实验和观察来加以证明和改进"．牛顿的严谨、兼收并蓄的科学态度值得我们学习．

　　（三）总结扩展与作业布置：

　　关于光本性的探索又一次证明了物理学是通过实验为基础发展起来的一门科学，物理学理论的形成经过实验→假说→实验→完善和发展假说……的辩证过程，这期间往往要经过几代科学家的努力．这种探索精神，是我们今天学习的动力，这种探索过程，使我们再次领略到物理学的研究方法和物理思想．

　　布置学生预习下二节内容，提出预习目标，按课本要求自己观察所讲述的现象．

七、参考资料：

　　1．牛顿在1675年提出“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”．

　　2．为解释光在两种介质界面上同时发生的反射与折射，牛顿提出著名的“猝发理论”，他提出：“每一束光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔（等时或等距）内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易通过下一个折射面，而在它经过两次复发之间容易被这个面反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射的状态称它为‘容易反射的猝发'．而把它反回到倾向于透射状态称为‘容易透射的猝发'，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔'”．

　　3．“以太”：惠更斯提出的波动说中，需要指出光传播的介质．因而，他预言有这样一种连续弹性物质，它充满我们观察所及的整个空间，渗透于一切物体之中，这种介质取名为“以太”．