我们知道,屏幕的亮度是与落在屏幕上面的光子数的多少有关的。严格地说,屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光线与屏幕的交点为中心向四周逐渐变暗的。但这种变化决不是几率问题。证明如下:把S1放在一个半径为R1的球的中心,假设S1在单位时间里发射出N个光子,则单位球面积上所接受的光子数等于光子数N除以球的总面积4πR12,如果把球的半径由R1变为R2(R2>R1),则在单位球面积上所接受的光子数就变为N除以4πR22,由于R2大于R1,所以半径为R1的球在单位球面积上接受的光子数大于R2球单位面积上的光子数。这就是为什么屏幕上的亮度是由明到暗逐渐变化的原因。当屏幕距光源的距离很大且屏幕的面积又很小时,就可以近似的认为屏幕上的光子是均匀分布的。
现在把另一个相干光源S2放在靠近S1的地方,情况有了变化。在垂直两个光源的平面上出现了明暗相间的圆环,而在平行两个光源的平面上,则出现了明暗相间的条纹见图一,这就是人们所说的光的干涉条纹。因为干涉现象是波动的最主要特征,所以这也就成了光具有波动性的最有力证据之一。我们知道机械波是振动在媒质中的传播,当有两列相干波源存在时,媒质中任意一点的振动是两列波各自到达这一点时波的叠加。当到达这一点的两列波的相位相同时,则在这一点上的振幅最大,如果两列波的相位相差1800时,则振动的振幅相互抵消,这样就形成了有规则的干涉条纹。经典光学正是套用机械波的方法证明光的干涉条纹的,而传播光的媒质以太已被证明是根本不存在的,这样用机械波的方法证明光的干涉条纹也就显得比较牵强。量子力学在解释干涉条纹时则采用的是几率波的方法,认为亮的地方是光子出现几率多的地方,暗的地方则是光子出现几率少的地方。问题是当只有一个光源时,光子是均匀分布在屏幕上的,而当存在另一个相干光源时,按照量子理论光子就会集中出现在一些地方而不去另一些地方,几率的解释是不能使人心悦诚服地接受的。爱因斯坦曾用上帝不掷骰子来表达他对用几率描述单个粒子行为的厌恶。这就是目前对于光的干涉现象的两种正统解释方法。我们对于光本性的认识是否还存在其它我们没有考虑到的因素,是否还存在其它的证明方法来统一光的波粒二象性即用一种理论解释来解释波动性和粒子性呢?
为了找到这种新的理论,在此我们不得不在现有光量子理论基础上进行一些必要的修正即单个光量子的能量是变化的,光子的能量和质量是相互转化的,转化的频率就是光的频率。频率快光子的能量大质量小,相反,频率慢则光子的能量小质量大,这样光子在空间所走的路程就形成了一条类波的轨迹。在论证光的干涉现象之前,我们先对光源进行定义。单频率点光源---频率单一且所有光子在离开光源时的状态(相位)都相同。单频率点光源具有这样两个特点,其一在距光源某一点的空间位置上,光子的状态不随时间变化。其二光子的状态随距点光源的距离作周期变化。光的波长指的是光子在一个周期的时间内在空间运行的距离。
我们在x轴上设置两个点光源S1和S2,如图一所示。令P为垂直平面上的一点,从P点到S1和S2的光程差PS1-PS2为波长的某个正数倍ml (m=±1,2,3,…)。从S1和S2出发的两列光子,将同相地达到P点,状态相同。再令Q为垂直平面上的另一点,从Q到S1和S2的光程差也为ml。过P和Q点做一条曲线,使得这曲线上所有过XO的垂直平面内的点的轨迹都具有这样的性质,即这条曲线上任意一点到S1和S2的距离之差为常数,根据解析几何我们知道,这曲线是一条双曲线。如果我们设想这一双曲线以直线XO为轴旋转,则它将扫出一个曲面,叫做双曲面。我们看到,在这曲面上的任意一点,来自S1和S2的光子始终都是同相位的(相位差保持不变),光子在曲面上的每一点的状态是一定的,沿曲面上的点的状态是周期变化的。由于光的波长很短,光子沿曲面的这种周期变化是不容易被观测到。
同理,我们令T为垂直平面上的另一点(图中未画出),从T点到S1和S2的光程差TS1-TS2为波长的l/2×(2m+1)倍(m=±1,2,3,…)。从S1和S2出发的两列光子,将以1800的相位差达到T点。再令V为垂直平面上的另一点(图中未画出),从V到S1和S2的光程差也为道长l/2×(2m+1)倍。过T和V做一条曲线使这曲线上任一点到两定点S1和S2的距离之差为常数,这曲线也是一条双曲线,以XO为轴旋转同样将扫出一双曲面。所不同的是来自S1和S2的光子到达这曲面上的任意一点的相位差始终为1800,叠加后的最终状态是一个恒定的值。
图一是在S1到S2的距离为3l,P点的光程差为PS1-PS2=2l(m=2)这一简单情况下画出的。m=1的那条双曲线是垂直平面内光程差为l的那些点的轨迹。光程差为零(m=0)的各点的轨迹是过S1S2中点的一条直线。由它绕XO旋转而成的将是一个平面。图中还画出m= -1和m= -2的双曲线。在这种情况下,这五条曲线绕XO旋转而产生五个曲面,这五个曲面将S1和S2两光源所形成的能量场分成了6个左右对称的无限延伸的能量空间。屏幕上亮线将出现在屏幕与诸双曲面相交的那些曲线的任何所在位置上。 如果两点光源间的距离是许多个波长,则将存在许多曲面,在这些曲面上各光子相互加强。因而在平行于两光源连线的屏幕上,将形成许多明暗相间的双曲线(几乎是直线)干涉条纹。而在垂直于两光源连线的屏幕上将形成许多明暗相间的圆形干涉条纹。两条相邻的明条纹之间的关系是光程差相差一个l,暗条纹与相邻明条纹之间相差l/2。干涉条纹从明到暗再到明之间的相位变化是从同相到相差1800相位再到同相。
为了检验以上的设想是否正确,这里我结合光的干涉实验和光电效应实验设计了一个简单实验。第一步用光干涉仪产生明暗相间的干涉条纹。第二步将光电管依次放在从明到暗条纹的不同位置上,当然采用的单色光源频率要在临阈频率之上,观察产生光电子动能的大小。如果按照现有光量子理论,光电子的动能应该是不变的,原因是光子的能量只与光的频率有关而与光的亮度无关,干涉后光的频率并没有变化,所以在从明到暗的条纹上,测得的光电子的动能应该是不变的。再从量子理论的观点来分析,明亮的地方光子出现的几率大,暗的地方光子出现的几率小,明暗只是单位面积上光子数不同而已,光子的动能并没有改变,所以结论也是光电子的动能不变。而我的结论则是在从明到暗的干涉条纹上光子数是一样的,产生的光电子的动能是从大到小连续变化的。
如果实验的结果与我所做的推论一致,我们不妨把这一结论推广到一切实物粒子,因为实物粒子也具有波粒二象性,即一切实物粒子自身的能量与质量之间始终处在不停地相互变化中,这也正是量子力学波函数所要描述的微观世界粒子的客观实在图像。
我大学毕业论文写的是<< 电动助力转向系统中传动机构的运动学和动力学分析与比较>>,如果只是一般性论文,建议写<<生活中的物理 >>,<<世纪之交谈物理学发展的方向>>,<<物理学前沿问题探索>>之类的较广泛的题目,这样比较容易,相关资料也比较好找
我的物理,我的大学
在南京大学已经学习与生活了近一个学期,是时候对自己的选择:南京大学物理学院作一次回顾、反思与展望了。虽然之前也写过类似的文章,但我总觉得不是特别深刻,因此我觉得这篇论文来得正是时候。
上了大学以后,回想起自己在中学时的某些想法,觉得自己挺可笑的。由于中学时老师讲的内容大多都是一听就懂的,考试成绩离满分也没多远,于是那时的我便自以为是的以为:物理不过如此。在中学开始的一段时间里,我都是抱着这样一种想法去学物理的,现在想起来真是......唉,无地自容啊,真的挺丢人的。但很快,事情有了转变:我参加了物理竞赛。记得物理竞赛的第一次选拔考试结束后,我彻底懵了:平时那么简单的物理怎么突然变得这么难?这太不可思议了。后来,通过物理竞赛的学习,我终于认识到,物理并不是像我想象的那么简单。从那时起,我开始怀着一颗虔诚的心去学习物理、认识物理。而我发现,我越是虔诚地去学习,我越是会感受到物理的深邃与广博,即便是我以前所认为的那些简单到不能再简单的物理知识也有它们自身独特的魅力,这让我不得不重新审视那些“最简单知识”。于是,我便萌生了到大学学习物理的想法。或许是巧合吧,我理想中的大学--南大的物理在全国是那种“我称第二,没人敢称第一”的“大牛”,这更坚定了我的这一想法。于是在高考结束以后,我便开始努力去说服我的家人让我学习物理(我父母当时倾向于让我学工科),最终,我如愿以偿地来到了南大物理学院。
来到南大物理学院以后,我大致经历了四个情感阶段:兴奋、失落、振作与平和。初来到南京大学物理学院这个大家庭,受到学长学姐的热情欢迎难免会有一点激动 ,再加上就要开始的军训心中也有一点期待,这便造成了开学初的兴奋。军训结束后,我们开始上课,这时失落便出现了。当我发现这里的所有人都是那么厉害时,我迷茫了,我失落了。当你从一个高中的精英,突然变成一个再普通不过的人,我想任何人都会有这种失落感,甚至有些人会自暴自弃,埋怨“既生瑜,何生亮”,而且“亮”还这么多。或许在我心底深处也有过这种想法,但当我想明白一个再简单不过的问题之后,我便想开了:到南大物理学院来的怎么可能都是“废柴”?南大物理学院的名头可不是吹出来的!于是,我不再失落,不再沉沦,因为我意识到只要我比他人早一步振作,我就可以领先他人一步。从
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那时开始,我步入了一个新的境界--平和。不知是哪位哲人说过,世间一切暴戾,唯平和化之。是啊,我们不可能让世间的一切都遂我们的心,但我们却能以一种最平和的心去对待这世间的一切,而只要我们这样做了,我们便可适应这世间的一切,也就取得了前进的通行证。
大学的八分之一便已丰富如斯,整个大学生活又将如何呢?我很期待。 对未来三年,我是这样规划的。首先,在讲大二之前我先谈谈大一暑假。这个暑假我不会浪费,我会尽自己可能参加暑期社会实践活动。当然这不仅仅是为了学分,更重要的是实践带来的经验与教训。接下来是大二,在大二时,我们的课程难度相对与答疑将有大幅度的增加,因此,科学的生活学习习惯就显得尤为重要。而这些都应该是在大一就培养起来的。大三、大四或许是整个大学生活中最辛苦的时期,在这一阶段,我们不仅要学习大量专业课,而且还要思考大学毕业后的“出路”。这就意味着我们在面对巨大学习压力的同时还要面对即将毕业的压力,如何平衡这两方面的压力就成了这一时期的主要任务。而在我看来,重要的认识平和的心态,当然前提是有足够的能力。
下面我来谈谈学习《物理学史》这门课的感受吧。
首先毫无疑问,这是一门很有必要的课,试想一下,一个物理专业毕业的南大学子连基本的物理学史都不知道,还能叫学过物理吗?其次,这也是一门很有意思的课,我们可以从中了解很多名人的轶事,包括他们的成才、成名经历,这对我们树立正确的人生观、世界观是大有裨益的。总之,学习这门课对我们来说是绝对不会错的。
以上便是目前我的回顾、思考与展望,若有不当之处,还请钟老师批评指正,谢谢。