光直射、折射的基础性证明(20元标准版)

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光直射、折射的基础性证明

(20元标准版)

  (本文为理工类本科必读,也适合高中爱好物理学者或理工类大专及以上学识者阅读)

 

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摘要

以动量守恒为公设,首次证明了光粒子的直射定律、由此成为光直射定理。

 

关键词   

弹性碰撞   光直射   定律

 

引言

见参考文献【1】,我们的先人从近千年前就已经掌握了光的直射规律。据文献1的考证,柏拉图学园(428—348 B.C.)的教学内容中就已有光的直进和反射角与入射角相等的内容(反射定律的发明者已不可考)。而对光反射的证明只是在1678年后才出现了惠更斯“光波的子波”的光反射证明,和1662年后的费马“光程最小原理”的光反射证明。

单光子用于通信是已经证明的事实。

但惠更斯原理不能解释单光子的直射原理;如果能用单光子证明直射定律将是物理学的进步。

而惠更斯原理更不能解释单光子的反射原理;如果能用单光子证明反射定律将是物理学的更大进步。

 

命题1   

光粒子a在真空中保持恒速直线运动

条件定:

光粒子a在真空中运动;

根据物理学第1公理中的动量mv守恒;

光粒子a在真空中运动时受到的合力为0,则速度不变,即光粒子a保持恒速直线运动。

结论

综合命题1的证明得到的“光粒子的直射定理”为:

光粒子a在真空中运动时受到的合力为0,则速度不变,光粒子a保持恒速直线运动。

由于光束是由多光子由组成的,所以本光粒子直射定理也适用于光束。

命题1证毕

 

命题2   

入射轨迹线与反射轨迹线共面

条件定:

在3维座标中光粒子a和另一反射物体b,a质量远小于b质量; a与b平面发生弹性碰撞; v1、θ 分别为a入射速度和入射角; v 2、β 分别为a反射速度和反射角;

设定说明: 图1中座标的原点为a与b的碰撞反射点, b平面与座标y=0共面, y轴为法线; a在z=0的第二象限。

光直射、折射的基础性证明(20元标准版)

 

    图1

 

见图1,a从z=0的第2象限以入射角 θ 撞击b的过程中,由于a没有受到z方向的作用力,因此a反弹后没有z方向的运动,它是遵守动量守恒原理的;所以入射轨迹线与反射轨迹线共面,即z=0。

命题2证毕

 

命题3   

入射轨迹线和反射轨迹线分居法线两侧

条件定:

在3维座标中光粒子a和另一反射物体b,a质量远小于b质量; a与b平面发生弹性碰撞; v1、θ 分别为a入射速度和入射角; v 2、β 分别为a反射速度和反射角;

设定说明: 图1中座标的原点为a与b的碰撞反射点, b平面与座标y=0共面, y轴为法线; a在z=0的第二象限。

见图1,a在入射前包含有x正方向的速度分量和y负方向的速度分量,当a从x、y座标第2象限以入射角为θ的入射线撞击b时,a的y负方向的速度分量因撞击反射遵守动量和能量守恒原理转为正y方向的速量分量,而原动量的x正方向的分量不变,它也是遵守动量守恒原理的;所以反射线必定处在x、y座标的第1象限,所以弹性碰撞的入射轨迹线和反弹轨迹线分居法线两侧。

命题3证毕

 

命题4   

入射角等于反射角θ=β

条件定:

在3维座标中光粒子a和另一反射物体b,a质量远小于b质量; a与b平面发生弹性碰撞; v1、θ 分别为a入射速度和入射角; v 2、β 分别为a反射速度和反射角;

设定说明: 图2中座标的原点为a与b的碰撞反射点, b平面与座标y=0共面, y轴为法线; a在z=0的第二象限。

见图2,在a以入射角θ撞击b过程中,由于a没有受到x方向的作用力,因此物体a的水平速度不变,即v1x=v2x

又根据动量守恒原理可得  v1=v2 

又由于v1x=v2x 

∵  v1 x=v1sinθ、v2 x=v1sinβ

∴  θ=β

光直射、折射的基础性证明(20元标准版)

 

图2

命题4证毕

结论

综合命题2、3、4的证明得到的“光粒子的反射定理”为:

  1. 入射轨迹线与反射轨迹线共面;
  2. 入射轨迹线和反弹轨迹线分居法线两侧;
  3. 入射角等于反射角。

由于光束是由多光子由组成的,所以本光粒子反射定理也适用于光束。

 

感言

报告人在进行光子科学探索中发现了单光子的直射、反射原理,并特此报告。

还期望本报告能激发有志人士找到自已喜欢和有感悟的科学探索课题,并加入到“快乐人生、分亨领悟”会员;请览“中国缔造、世界繁荣”的《科学天下大白》网http://www.13531.com 或 http://www.cn100.cn

 

鸣谢

本《光直射、反射的基础性证明》的研究获得“中国缔造、世界繁荣”基金的特别资助,特此鸣谢。

 

参考文献

  1. 杨庆余(江苏大学科学史教师)《光波动学说的兴起》。
按文中版权声明为准
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