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为什么说光具有波粒二象性

发布时间:2019-08-01 04:24:59 影响了:

为什么说光具有波粒二象性_如何理解光的波粒二象性

如何理解光的波粒二象性四川省冕宁中学:刘彬学很多同学在学完光的本性——波粒二象性后,都觉得非常困惑:无法理解光子 为什么会具有波的特性?从经典物理学的观点来看,“微粒”和“波”是相互排 斥的概念,或者说“波”与“微粒”是两种截然对立的存在。一个东西要么是波, 要么是微粒,即“非此即彼”。

那么究竟自由理解光的波粒二象性呢?为了使中学生能够理解,又不失去其科 学性。我认为应从如下几个方面来讲解。

1、物体从宏观到微观,即物体由大到小改变时,量变将导致质变——使得微 观物体的运动规律不能用牛顿定律来描述。

(1)宏观物体的运动具有严格的决定性规律:“一个宏观物体的运动规律或 一种宏观物理现象的变化,只要知道了它的初始条件,原则上就能知道它以后的 运动状态或变化状况。一个宏观物体可以在任何轨道上被连续跟踪。表示宏观物 体各种物理性质的物理量原则上都可同时被确定”。

例如:一个质量为 m 的物体,在动摩擦因素为 μ 的水平面上受到水平拉力 F 的作用, 以初速度 V0 开始做匀加速直线运动, 则在 t 秒末物体的位移和速度多大?解:物体受力分析如图所示: 而 f=μ N=μ mg 根据牛顿第二定律得: F-f=ma a=(F-f)/m=(F-μ mg)/m 由运动学公式有: s=V0t+at /2 =V0t+(F-μ mg)t2/2m Vt=V0+(F-μ mg)t/m 显然,只要知道了物体的初始条件:初速度和始位置就可以预先确定物体在 t 秒(任意时间)后的位置和速度及运动轨道等。即宏观物体的运动具有决定性的 规律。

(2)微观物体的运动不具有宏观意义的决定论。当一个宏观物体用二分法不 停分割时,最初的变化仅仅是量的变化,仍可用牛顿运动理论来解决其速度、位 移等问题;但当分割到一定程度时,物体的运动规律将发生质的变化,不能再用 牛顿运动定律来描述其规律。为什么呢?我们知道,物理学是一门测量基础上的 科学:而测量宏观物体的各物理量时,由于测量仪器对被测物体的影响相对于受 到的其它力而言是很小很小的,完全可以忽略不计;而测量微观物体的各物理量 时,由于测量仪器对被测物体的影响不满足宏观物体那样的条件,因此,测量仪 器对被测物体的影响不能忽略,测量仪器和被测对象形成一个统一的不可分割的 整体,即:“观测过程是一个不可分割的整体,观测结果是一个完整的不可分割2 的现象。”——显然,微观物体的运动规律不能象宏观物体那样具有完全的决定 性。

2、微观物体的运动规律 物体小到一定程度后,不能按牛顿运动力学来研究其运动规律,那么如何描述 其运动规律呢?随着物理学的进一步发展和研究手段的进一步提高,发现单个微 观粒子的运动是按一定几率出现的,即微观粒子的运动具有这样的特点——一个 微观粒子在某一空间运动时,它没有特定的可预测的运动轨道,下一时刻它将在 哪儿,可以说“它自己也不知道,它只知道达到哪儿的可能性大,达到哪儿的可 能性小”。这就是微观物体运动具有几率性特征。若对大量的微观粒子而言,某 处达到粒子的几率大,该处的量就较强,反之,某处达到的几率小,该处的量较 弱——即空间出现强弱不同的分布,这就是波的特征。

3、光子是属于微观粒子,因此它的运动也不具有宏观意义的决定论,而具有 几率的特征:对某一个光子而言,它将怎样运动,经过一段时间后,它敬爱责任 感哪儿,在它到达以前是完全不可能预测的。但我们利用现代物理学可以计算出 它到达某处的可能性的大小。可能性大——几率大,可能性小——几率小。从而 对大量光子而言,某处的几率越大,该处光就强,也就越亮;反之,某处几率小, 该处光就弱,也就越暗。从而出现明暗不同的区域,表现出波的特性——这就说 明了光具有波粒二象性。

以上观点, 在人教社出版的 《物理》 第二册教材上介绍的实验也证明了这一点: 在光的双缝干涉实验中,在屏处放上一照相底片,并设法减弱光的强度,使光子 只能一个一个地通过狭缝,实验结果表明:如果曝光时间不太长,底片上只出现 一些无规则分布的点子——说明光子的运动不具有宏观意义的决定性,它没有一 定的轨道。如果曝光时间足够长,底片上就出现了规则的干涉条纹——说明亮的 地方光子数多,即该处光子到达的几率大;反之,光子到达的几率小,从而表现 出波的特性。注:该篇论文发表在《凉山教育研究》上

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