光学课程的课程思政教育研究(3)
以上的讨论表明光的衍射和直线传播并不是一成不变的,而是在一定的条件下可以转换的. 可见光波长的数量级为不到1个微米,因此在通常的生活中,光都是沿直线传播的,比如“坐井观天”、“凿壁偷光”、“小孔成像”等都可以说明. 而当狭缝b的大小和可见光波长λ的大小可比拟(一般在102λ~λ)时,衍射现象从微弱到明显,如晚上看路灯时,微闭眼睛可以看到路灯被拉长. 这些理论和现象正好印证了唯物辩证法中的矛盾转化,转化是矛盾同一性和斗争性共同作用的结果. 当然凡是实现矛盾对立面的转化都需要具备一定的条件,而在这里光由衍射现象转化为直线传播,或由直线传播转化为衍射现象的条件,则是看狭缝的开口线度与入射的光波波长的比值,也即是看到底是谁远远大于谁. 由此拓展,可以引导学生知道,矛盾必定要转化,转化必须要有条件,转化的形式可以是多种多样,且转化是一种趋势,是一个必经的过程. 正如经过改革开放的发展,我国社会的主要矛盾已经由人民日益增长的物质文化需要同落后的社会生产之间的矛盾转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡、不充分的发展之间的矛盾.
2.1.3 单个粒子无规性——大量粒子统计性与量变和质变
光的波粒二象性则可以用统计的观点来解释,如图3所示. 入射光先通过一个狭缝,再经过两个狭缝,在右侧的摄影底板上可以接收到光子,该装置实质上也是一个双缝干涉实验装置. 图3(a)中,入射光极弱,光子数目极少,这些光子几乎是一个一个地穿过双缝,则摄影底板上就出现了一个一个的感光点. 这些感光点在摄影底板上的位置并不重合在一起. 开始时,它们毫无规则地散布着,但随着曝光时间的延长,感光点数目逐渐增多,如图3(b)所示,增大入射光的强度,通过狭缝的光子数很多时,则在摄影底板上立即出现名暗连续变化的双缝干涉清晰图样.
图3 光的波粒二象性双缝干涉示意图.
在这部分内容的教学中,笔者重视引导学生思考,这种从单个光子的不确定性,到多个光子的统计规律性,与事物发展的两种状态——量变和质变的辩证关系如出一辙.任何事物的变化都是量变和质变的统一,量变是质变的必然准备,质变是量变的必然结果. 在这里,光子数很少时,不能确切地研究单个光子运动规律,更不可预知出现位置,也不可能出现清晰的干涉图样. 但当光子数增多,不论是长时间的曝光引起的增多,还是一次就有足够多的光子,均是由量变到质变,此时就可以观察到清晰的干涉图样,且这些光子都服从统计规律. 量变引起质变,又由质变开始新的量变,如此循环往复,构成事物无限的变化和发展过程,使事物不断地由低级阶段向高级阶段晋升. 在实际的学习、生产、生活中,要重视量的积累,不失时机地促成事物的飞跃.
2.1.4 光的本性问题与否定之否定
关于光学的发展历史,笔者在教学中注意按时间先后顺序列表介绍及讲解,如表1所示. 该表中,给出了关于光究竟是波还是粒子的本性问题在光学发展中的主要历史事件.
表1 关于光的本性问题的重要历史事件年代重要事件本性焦点1637年笛卡尔在《折光学》著作中给出了用正弦函数来表述的折射定律1704年牛顿在《光学》一书中,根据直线传播性质,提出了光是微粒流粒子1801年杨氏双缝干涉实验解释了白光照射薄膜颜色,并测定了光波波长1815年菲涅尔提出惠更斯菲涅尔原理,解释了光通过障碍物的衍射现象1865年麦克斯韦指出电场和磁场改变以光速传播,说明光是电磁现象1888年赫兹测得电磁波的传播速度等于光速,确立了光的电磁理论基础波1900年普朗克提出能量子成功地解释了黑体辐射问题,开始了量子光学1905年爱因斯坦发展了能量子理论,提出光量子理论,解释了光电效应粒子1924年德布罗意设想物质粒子都和一定的波相联系,创立了物质波学说1925年玻恩提出的波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性的联系波粒二象性
从光的“波粒战争”可以看出,寻求光的本性问题这个事物自身发展的整个过程是由肯定、否定再到否定之否定诸环节构成的. 其中否定之否定是该探索过程的核心,是事物自身矛盾运动的结果. 否定之否定实际上是对光的本性问题的认识中突破片面局限,不断接近事实真相的过程. 在光的本性问题研究中,可以看到,由于时代的局限性、科技水平的落后等因素,使以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说,都只是片面地认为光要么只有粒子性,要么只有波动性. 而事物的发展经过辩证否定,矛盾双方都得到了充分发展,扬弃了各自的片面性,在新的实验现象和理论原理基础上达到了肯定和否定的统一. 经过肯定、否定、否定之否定即新的肯定,事物在新的基础上重现自身,并在更高、更丰富的基础上复归,使人们重新认识到了光的本质,它具有波粒二象性. 结合光的本性问题的认知过程可以看出,事物发展遵循否定之否定规律,其发展的总的趋势和基本方向是前进的、上升的. 而发展的具体途径和道路则是螺旋式的或波浪起伏的,发展是前进性和曲折性的对立统一.
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0407/495.html
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