第四讲从探索与实践中认识光现象的本质课程教案授课方式理论课课时安排120分钟教学内容与课时安排：1、前几何光学时代；（20分钟）2、几何光学时代：（25分钟）3、波动说与粒子说之争；（25分钟）4、干涉、衍射理论的建立：波动说的胜利：（25分钟）5、粒子说的回归与波粒二象性的辩证统一。（25分钟）教学目的与要求：1、了解远古时期人们对光现象本质的认识：2、了解几何光学的逐步完善以及笛卡尔对折射现象的首次尝试历程；3、了解波动说与粒子说之争；4、理解波粒二象性及其重大意义；5、体会对光现象本质认识不断深入的启示。教学重点及难点：重点：波动说与粒子说之争以及波粒二象性的辩证统一难点：波粒二象性授课安排：（30分钟）1、前几何以及几何光学时代；波动说与粒子说之争；2、（50分钟）3、波粒二象性。（40分钟）教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法以讲授为主，使用电子教案，定义概念，播放相关视频和图片资料。课堂板书：多媒体
第四讲 从探索与实践中认识光现象的本质 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、前几何光学时代； （20 分钟） 2、几何光学时代； （25 分钟） 3、波动说与粒子说之争； （25 分钟） 4、干涉、衍射理论的建立：波动说的胜利； （25 分钟） 5、粒子说的回归与波粒二象性的辩证统一。 （25 分钟） 教学目的与要求： 1、了解远古时期人们对光现象本质的认识； 2、了解几何光学的逐步完善以及笛卡尔对折射现象的首次尝试历程； 3、了解波动说与粒子说之争； 4、理解波粒二象性及其重大意义； 5、体会对光现象本质认识不断深入的启示。 教学重点及难点： 重点：波动说与粒子说之争以及波粒二象性的辩证统一 难点：波粒二象性 授课安排： 1、 前几何以及几何光学时代； （30 分钟） 2、 波动说与粒子说之争； （50 分钟） 3、 波粒二象性。 （40 分钟） 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 以讲授为主，使用电子教案，定义概念，播放相关视频和图片资料。 课堂板书：多媒体
方法及手段教学基本内容讲授法+PPT光的本性问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本展示性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验一一假设一一理论一一实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程：1、前几何光学时代远古时候的人们似乎并不把光作为一种客观存在的事物，光亮与黑暗在他们看来只是两种不同的环境罢了。而当文明降临人间，人们脱离了野蛮和愚味的时候，便开始了对自己所生存的这个世界进行了思考，很多的理论都是这一时期开始形成的，而人类对光学的研究也是萌芽于这一时期，距今大概两三千年的时间。《墨经》中曾记载，在大约两千四五百年以前，我国的学者墨子和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验：在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。为什么会这样呢？下面我们看一段有关于小孔成像的视频（小孔成像视频）。墨子对实验结果做出了精辟的见解，解释了小孔成倒像的原因，指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。《墨经》在两千多年前关于小孔成像的描述，与今天的照相光学所讲的是完全吻合的。光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应用。比如：我们的祖先制造了圭表和日客，用来测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点：在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒星的位置。而对于光的本性的最初思考中，最具有代表性的是古希腊时期的两位科学家，一是德谟克利特；二是亚里斯多德。首先，我们简单介绍下德谟克利特的观点：德谟克利特，约公元前460年至公元前370年，出生在色雷斯海滨的阿布德拉的商业城市，是古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子唯物论学说的创始人之一，对原子论的发展起到了关键的作用。他认为，万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒，虚空
教 学 基 本 内 容 方法及手段 光的本性问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本 性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认 识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光 是波粒二象性的统一等各个认识阶段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算 起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验——假设——理论——实验这 条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁 的统一，光的波动性和微粒性的统一。 下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程: 1、前几何光学时代 远古时候的人们似乎并不把光作为一种客观存在的事物 ，光亮与黑暗 在他们看来只是两种不同的环境罢了。而当文明降临人间，人们脱离了野蛮 和愚昧的时候，便开始了对自己所生存的这个世界进行了思考，很多的理论 都是这一时期开始形成的，而人类对光学的研究也是萌芽于这一时期，距今 大概两三千年的时间。 《墨经》中曾记载，在大约两千四五百年以前，我国的学者墨子和他的 学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验： 在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里 相对的墙上就会出现一个倒立的人影。 为什么会这样呢？ 下面我们看一段有关于小孔成像的视频（小孔成像视频）。 墨子对实验结果做出了精辟的见解，解释了小孔成倒像的原因，指出了 光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。 《墨经》在两千多年前关于小孔成像的描述，与今天的照相光学所讲的 是完全吻合的。光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应 用。比如：我们的祖先制造了圭表和日晷，用来测量日影的长短和方位，以 确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒 星的位置。 而对于光的本性的最初思考中，最具有代表性的是古希腊时期的两位科 学家，一是德谟克利特；二是亚里斯多德。 首先，我们简单介绍下德谟克利特的观点： 德谟克利特，约公元前 460 年至公元前 370 年，出生在色雷斯海滨的阿 布德拉的商业城市，是古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子唯物论学说的创 始人之一，对原子论的发展起到了关键的作用。 他认为，万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒，虚空 讲 授 法 +PPT 展示
是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像启发式教学作用于人们的感官与心灵而产生的。受原子论的影响，德谟克利特对光的认识也带着明显的原子味道。德谟动画演示克利特认为：我们之所以能够看到物体，这是因为物体能够向外发射一些物质流。这些物质流散布到整个空间，当物质流进入我们眼晴时，我们就看到了物体。原子论的另两位学者伊壁鸠（jiu）鲁和卢克莱修也持相同的观点。卢克莱修曾说过：“从任何我们看见的东西，必定有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼晴，引起了视觉”。德谟克利特的这种观点被认为是光的粒子性的最初思考。接着下来，我们简单介绍下亚里斯多德的观点：亚里斯多德，公元前384年至公元前322年，古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。作为一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献，在很多领域都有建树。可是由于所处时代的限制，他的很多理论都只是出于初始阶段，所以不可避免会出现一些错误的认识，但我们不能因此而忽视他对科学的贡献，比如：亚里斯多德对光的认识来说，对后人的影响也是非常深远和不可否认的。亚里斯多德认为：视觉是眼睛和可见物体之间的中间物质运动的结果。他认为这种中间介质有让光通过的可能性（这种可能性也就是潜在的能力），即是透明的，光则把这种可能性变为现实。如果没有中间物质，我们就看不到物体，也就没有视觉。亚里斯多德的这种观点和我们今天的波动理论很相似，所以亚里斯多德的观点被认为是光的波动说的萌芽。然而，任何理论都是实践的结果。因此，无论是德谟克利特的粒子说还是亚里斯多德的波动说，都只是在哲学角度的一种思考，并没有实验事实作为依据，所以我们说这些观点仅仅只是一种思考，是粒子说和波动说的萌芽，并不是一个系统的理论。2、几何光学时代古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。在《梦溪笔谈》中曾记载的春秋虎鸟阳遂就是一个实例。阳，简单的来说，就是古代照日取火用的曲率很大的凹面铜镜。我们可以通过下面一段视频来了解下阳遂（阳遂视频资料）。在西方世界，自《墨经》开始，也有很多人开始了对光的研究以及应用
是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像” 作用于人们的感官与心灵而产生的。 受原子论的影响，德谟克利特对光的认识也带着明显的原子味道。德谟 克利特认为：我们之所以能够看到物体，这是因为物体能够向外发射一些物 质流。这些物质流散布到整个空间，当物质流进入我们眼睛时，我们就看到 了物体。 原子论的另两位学者伊壁鸠（jiu）鲁和卢克莱修也持相同的观点。卢 克莱修曾说过：“从任何我们看见的东西，必定有许多原初物体流出来，被 发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉”。 德谟克利特的这种观点被认为是光的粒子性的最初思考。 接着下来，我们简单介绍下亚里斯多德的观点： 亚里斯多德，公元前 384 年至公元前 322 年，古希腊人，世界古代史上 伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。作为一位 百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献，在很多领域都有建 树。 可是由于所处时代的限制，他的很多理论都只是出于初始阶段，所以不 可避免会出现一些错误的认识，但我们不能因此而忽视他对科学的贡献，比 如：亚里斯多德对光的认识来说，对后人的影响也是非常深远和不可否认的。 亚里斯多德认为：视觉是眼睛和可见物体之间的中间物质运动的结果。他认 为这种中间介质有让光通过的可能性（这种可能性也就是潜在的能力），即 是透明的，光则把这种可能性变为现实。如果没有中间物质，我们就看不到 物体，也就没有视觉。 亚里斯多德的这种观点和我们今天的波动理论很相似，所以亚里斯多德 的观点被认为是光的波动说的萌芽。 然而，任何理论都是实践的结果。因此，无论是德谟克利特的粒子说还 是亚里斯多德的波动说，都只是在哲学角度的一种思考，并没有实验事实作 为依据，所以我们说这些观点仅仅只是一种思考，是粒子说和波动说的萌芽， 并不是一个系统的理论。 2、几何光学时代 古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国 较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。在《梦溪笔谈》中曾记 载的春秋虎鸟阳遂就是一个实例。阳燧，简单的来说，就是古代照日取火用 的曲率很大的凹面铜镜。 我们可以通过下面一段视频来了解下阳遂（阳燧视频资料）。 在西方世界，自《墨经》开始，也有很多人开始了对光的研究以及应用， 启发式教学 动画演示
比如：公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明了显微镜：一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。除此之外，欧几里德，托勒密和希隆等人也对光提出了自己的看法。欧几里德是古希腊著名的数学家，所著的《几何原理》对后世产生了巨大的影响。在光学领域，欧几里德利用几何学上严密的公理化体系建立了几何光学。他在《反射光学》一书中利用几何知识确定了光的直进性（即光的直线传播）和反射定律，叙述了入射角等于反射角，这是最早关于反射定律的描述。日心说的支持者托勒密在对天体的观测中，发现了光的折射现象，而且希隆利用光程最短证明了光的反射定律。但是，人们还没有从的光的本性层面来解释光的反射和折射现象。科学发展到了17世纪，法国著名的哲学家、物理学家、数学家、神学家笛卡尔（公元1596年一公元1650年）首次提出了对光本性的看法。德国物理学家波恩和美国物理学家沃耳夫在他们的《光学原理》一书的历史引言中说到：“在新哲学的创立者当中，笛卡尔可以提出来说一说，因为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光本性的见解。笛卡尔认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太）之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度旋转运动”。然而，笛卡尔对光的本性没有明确而统一的观点。一方面，他在他的著作《光的折射》中提出了一个比喻：光通过介质传入人眼，就像机械脉冲传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西传入眼晴使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用，认为光是以太介质中某种压力的传播过程，很明显具有波动说的思想。另一方面，笛卡尔运用解析几何的方法对光学进行了研究。笛卡尔将光的反射现象假设为小球和平滑表面发生碰撞的形式。如果把小球的速度分解为水平方向和竖直方向的速度，在碰撞过程中水平速度保持不变，而竖直方向只改变速度的方向不改变速度的大小，则很容易得出反射角等于入射角。利用相同的方法，笛卡尔对光的折射现象也进行了证明。虽然笛卡尔的折射定律得到了光从光疏介质到光密介质速度增大的错误结论，是不完善的，可这是人类对折射现象进行的首次尝试，其意义不容忽视。而因此，笛卡尔和斯涅耳共享了发现折射定律的荣耀。不难看出，笛卡尔对光的反射和折射的研究过程中用到的方法体现了明
比如：公元 11 世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜；公元 1590 年到 17 世纪初，詹森和李普希同时独立地发明了显微镜；一直到 17 世纪上半叶， 才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用 的反射定律和折射定律。 除此之外，欧几里德，托勒密和希隆等人也对光提出了自己的看法。 欧几里德是古希腊著名的数学家，所著的《几何原理》对后世产生了巨 大的影响。在光学领域，欧几里德利用几何学上严密的公理化体系建立了几 何光学。他在《反射光学》一书中利用几何知识确定了光的直进性（即光的 直线传播）和反射定律，叙述了入射角等于反射角，这是最早关于反射定律 的描述。 日心说的支持者托勒密在对天体的观测中，发现了光的折射现象，而且 希隆利用光程最短证明了光的反射定律。 但是，人们还没有从的光的本性层面来解释光的反射和折射现象。 科学发展到了 17 世纪，法国著名的哲学家、物理学家、数学家、神学 家笛卡尔（公元 1596 年—公元 1650 年）首次提出了对光本性的看法。 德国物理学家波恩和美国物理学家沃耳夫在他们的《光学原理》一书的 历史引言中说到：“在新哲学的创立者当中，笛卡尔可以提出来说一说，因 为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光本性的见解。笛卡尔认为， 光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太） 之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度旋转运 动”。 然而，笛卡尔对光的本性没有明确而统一的观点。 一方面，他在他的著作《光的折射》中提出了一个比喻：光通过介质传 入人眼，就像机械脉冲传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西 传入眼睛使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用， 认为光是以太介质中某种压力的传播过程，很明显具有波动说的思想。 另一方面，笛卡尔运用解析几何的方法对光学进行了研究。笛卡尔将光 的反射现象假设为小球和平滑表面发生碰撞的形式。如果把小球的速度分解 为水平方向和竖直方向的速度，在碰撞过程中水平速度保持不变，而竖直方 向只改变速度的方向不改变速度的大小，则很容易得出反射角等于入射角。 利用相同的方法，笛卡尔对光的折射现象也进行了证明。虽然笛卡尔的折射 定律得到了光从光疏介质到光密介质速度增大的错误结论，是不完善的，可 这是人类对折射现象进行的首次尝试，其意义不容忽视。而因此，笛卡尔和 斯涅耳共享了发现折射定律的荣耀。 不难看出，笛卡尔对光的反射和折射的研究过程中用到的方法体现了明
显的粒子性。虽然，在光学领域，笛卡尔有不可忽视的成就，可是最终在对光的本性研究当中，笛卡尔还是没有分辨清楚。3、真正的论战：波动说与粒子说笛卡尔之后，人们对光的认识逐渐明确，这种明确导致了人们分成两派，一派坚持粒子说，一派坚持波动说。两派展开了激烈的论战，互不相让。在论战的过程中，人们的才智被激发出来，提出了很多有见地的观点。首先，我们介绍下粒子说。粒子说的领军人物是经典物理学的奠基人牛顿。牛顿（公元1643年一公元1727年），爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》。早在剑桥大学高年级时，牛顿便通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“最美丽的十大物理实验”之一。接着，我们通过一段视频来了解下三棱镜实验（光的色散视频）牛顿还发现把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。下面，我们通过一段视频来简单了解下什么是牛顿环？（牛顿环视频）牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。牛顿基本上是主张粒子说的，之所以说牛顿基本上是因为牛顿曾试图把粒子说和波动说结合起来解释光的现象。牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。1672年，牛顿提出粒子说时，年仅30岁，牛顿争论时很小心，承认两种理论（即波动说和粒子说）各有优缺点。关于牛顿的粒子说，有两个问题值得我们深思：（1）第一个问题：牛顿的粒子说是在什么指导思想下提出来的？我觉得主要是基于光的直线传播和他的自然哲学思想。牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”：加上粒子说简单、直观、方便应用在几何光学中。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的
显的粒子性。 虽然，在光学领域，笛卡尔有不可忽视的成就，可是最终在对光的本性 研究当中，笛卡尔还是没有分辨清楚。 3、真正的论战：波动说与粒子说 笛卡尔之后，人们对光的认识逐渐明确，这种明确导致了人们分成两派， 一派坚持粒子说，一派坚持波动说。两派展开了激烈的论战，互不相让。在 论战的过程中，人们的才智被激发出来，提出了很多有见地的观点。 首先，我们介绍下粒子说。 粒子说的领军人物是经典物理学的奠基人牛顿。牛顿（公元 1643 年—公元 1727 年），爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的 “全才”，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》。 早在剑桥大学高年级时，牛顿便通过三棱镜实验研究太阳光的色散现 象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光谱 学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“最美丽的 十大物理实验”之一。 接着，我们通过一段视频来了解下三棱镜实验（光的色散视频） 牛顿还发现把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照 射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一 单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿 环。 下面，我们通过一段视频来简单了解下什么是牛顿环？（牛顿环视频） 牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒 流。牛顿基本上是主张粒子说的，之所以说牛顿基本上是因为牛顿曾试图把 粒子说和波动说结合起来解释光的现象。 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅 速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。 1672 年，牛顿提出粒子说时，年仅 30 岁，牛顿争论时很小心，承认两 种理论(即波动说和粒子说)各有优缺点。 关于牛顿的粒子说，有两个问题值得我们深思： （1）第一个问题：牛顿的粒子说是在什么指导思想下提出来的？ 我觉得主要是基于光的直线传播和他的自然哲学思想。牛顿在研究力学 时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”；加上粒子说 简单、直观、方便应用在几何光学中。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光 也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的