NO10-1光的干涉

1、 引引 言言一、自然界的光現(xiàn)象一、自然界的光現(xiàn)象水面油膜水面油膜肥皂膜肥皂膜 光學(xué)是一門有悠久歷史光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到溯到墨經(jīng)墨經(jīng)，始于，始于20002000多年前。多年前。二、光學(xué)發(fā)展歷史二、光學(xué)發(fā)展歷史 公元公元1111世紀(jì)阿拉伯人伊世紀(jì)阿拉伯人伊 本本海賽木發(fā)明透鏡。海賽木發(fā)明透鏡。 中國的中國的墨經(jīng)墨經(jīng)中記中記 錄了世界上最早的光錄了世界上最早的光 學(xué)知識，它有八條關(guān)學(xué)知識，它有八條關(guān) 于光學(xué)的記載。于光學(xué)的記載。 敘述影的定義和生成，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懴瘢⑶乙試?yán)謹(jǐn)?shù)奈?/p>

2、字討論了在平面鏡、凹球面鏡論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡物和像的關(guān)系和凸球面鏡物和像的關(guān)系. . 1717世紀(jì)上半葉，斯涅世紀(jì)上半葉，斯涅耳和笛卡爾將光的反耳和笛卡爾將光的反射和折射的觀察結(jié)果，射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射用的反射定律和折射定律。定律。 16651665年，牛頓進(jìn)行太陽年，牛頓進(jìn)行太陽光的實驗，它把太陽光光的實驗，它把太陽光分解成各種顏色，根據(jù)分解成各種顏色，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運

3、動。牛頓因等速直線運動。牛頓因此解釋了光的折射和反此解釋了光的折射和反射現(xiàn)象作。射現(xiàn)象作。 _光的微粒流理論光的微粒流理論 惠更斯是光的微粒說惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立了光的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。提出的波動說。提出“光同光同聲一樣，是以球形波面聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ膫鞑サ摹薄?光的波動學(xué)光的波動學(xué) 在在1818世紀(jì)，光的微粒流世紀(jì)，光的微粒流理論和光的波動理論都理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但被粗略地提了出來，但都不很完整。都不很完整。 在在2020世紀(jì)初，人們一方面世紀(jì)初，人們一方面從光的干涉、衍射、偏振從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學(xué)現(xiàn)象以及運動物體的光學(xué)

4、現(xiàn)象確證了光是電磁波；同時確證了光是電磁波；同時又從熱輻射、光電效應(yīng)、又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量無可懷疑地證明了光的量子性子性微粒性。人們在微粒性。人們在深入研究微觀世界后，才深入研究微觀世界后，才認(rèn)識到光具有波粒二象性，認(rèn)識到光具有波粒二象性，愛愛因斯坦是其中的代表性因斯坦是其中的代表性人物人物。1 1、幾何光學(xué)：、幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，主以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，主 要研究各種成像光學(xué)儀器的理論。要研究各種成像光學(xué)儀器的理論。2 2、物理光學(xué)：、物理光學(xué)：研究光的電磁理論和傳播規(guī)律，特研究光的電磁理論和傳播規(guī)律，特

5、 別是干涉、衍射、偏振的理論和應(yīng)別是干涉、衍射、偏振的理論和應(yīng) 用。所以也稱為波動光學(xué)。用。所以也稱為波動光學(xué)。 3 3、量子光學(xué)：、量子光學(xué)：以光的量子理論為基礎(chǔ)，研究光與以光的量子理論為基礎(chǔ)，研究光與 物質(zhì)相互作用的規(guī)律，如光電效應(yīng)物質(zhì)相互作用的規(guī)律，如光電效應(yīng) 的研究。的研究。4 4、現(xiàn)代光學(xué)：、現(xiàn)代光學(xué)：以激光問世為標(biāo)志，與許多科學(xué)技以激光問世為標(biāo)志，與許多科學(xué)技 術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合，派生了許多新的術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合，派生了許多新的 分支學(xué)科分支學(xué)科。三、光學(xué)的分類三、光學(xué)的分類四、光的性質(zhì)四、光的性質(zhì)可見光的范圍可見光的范圍Hz103 . 4105 . 7:nm760390:1414光是電磁

6、波中的可見光部分。光是電磁波中的可見光部分。光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。光在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播，是橫波。光在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播，是橫波。一、一、 光的相干性光的相干性001c 真空中的光速真空中的光速 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量, 它在引起它在引起人眼視覺和底片感光上起主要作用人眼視覺和底片感光上起主要作用 .E第一節(jié)第一節(jié) 光的干涉光的干涉18sm1031、光源的分類、光源的分類激光光源、各種譜燈各種氣體放電管日光燈、氣體放電光源：高溫發(fā)光體等。太陽光源、白熾燈、熱光源：普通光源光源3. 獲得相干光的方法獲得相干光的方法波陣面分割法波陣面分割法*光源光源1s

7、2s振幅分割法振幅分割法p1s2ssxooB實實 驗驗 裝裝 置置d1r2rdD dxD二二 楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗（在空氣中）在空氣中）Drsin12drrr1. 光波程差光波程差dtansinsin12drr , sinDddddtgxD且很小，2、干涉條紋特點、干涉條紋特點(21) (1.2.3.)2xdkkD.)3 . 2 . 1 . 0( kkDxddDkx(21)2Dxkd.明紋明紋 （k=0.1.2.3.).暗紋暗紋 (k=1.2.3.) kDdx(21)2dxkD.明紋明紋 （k=0.1.2.3.).暗紋暗紋 (k=1.2.3.)結(jié)論結(jié)論:dDx2dDxdDkx.明紋

8、明紋 （k=0.1.2.3.)(21)2Dxkd.暗紋暗紋 (k=1.2.3.)25dDx23dDx2dDx k = 1 k = 2 k = 2 k = 0 k = -1 k = -2 k = 1 k = -1 k = -2明條明條紋紋暗條暗條紋紋 x x條紋條紋間距間距dDdDndDnx)() 1(dDkx.明紋明紋 （k=0.1.2.3.)xdDx討論討論: 一定時，若一定時，若 變化，則變化，則 將怎樣變化？將怎樣變化？Dd,x 條紋間距條紋間距 與與 的關(guān)系如何？的關(guān)系如何？xd 一定時，一定時，D、r2345234004II光光 強(qiáng)強(qiáng) 分分 布布 圖圖0dd2dd4dd2dD4x4、

9、干涉條紋的光強(qiáng)分布：、干涉條紋的光強(qiáng)分布： 干涉條紋是等光強(qiáng)、等間距的勻排光譜條紋。干涉條紋是等光強(qiáng)、等間距的勻排光譜條紋。m4100 . 2m3105 . 7dDkx.明紋明紋 （k=0.1.2.3.)dDx44dDx1dDdDdDxx3414mDdxx74314100 . 50 . 13100 . 2105 . 732)(得：得：P1M2MLCd2sD1ss 半波損失半波損失 ：光從光速較大的介質(zhì)射向光速：光從光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時反射光的相位較之入射光的相位較小的介質(zhì)時反射光的相位較之入射光的相位躍變了躍變了 ， 相當(dāng)于反射光與入射光之間附相當(dāng)于反射光與入射光之間附加了半個波

10、長的波程差，稱為半波損失。加了半個波長的波程差，稱為半波損失。1sPM2sdDPL1n2n21nn 1n2n1. 真空與介質(zhì)中的光速、波長真空與介質(zhì)中的光速、波長 設(shè)介質(zhì)的折射率為設(shè)介質(zhì)的折射率為n，單色光在真空、介質(zhì)中，單色光在真空、介質(zhì)中的傳播速度各為的傳播速度各為c、u，波長各為，波長各為 、 ，則，則介質(zhì)的折射率：介質(zhì)的折射率：cnun 1，n單色光在介質(zhì)中的波長：單色光在介質(zhì)中的波長：() rcLctcrnruu 光程：就是與介質(zhì)中幾何路程相當(dāng)?shù)恼婵章烦?。光程：就是與介質(zhì)中幾何路程相當(dāng)?shù)恼婵章烦?。設(shè)光波在介質(zhì)中的幾何路程為：設(shè)光波在介質(zhì)中的幾何路程為：r光波在介質(zhì)中傳播幾何路程光波在

11、介質(zhì)中傳播幾何路程 r 所需時間為：所需時間為：光波在光波在 時間內(nèi)在真空中的幾何路程為：時間內(nèi)在真空中的幾何路程為：ruru1122rnrnL1n2n1r2rv 在均勻介質(zhì)中，光程：在均勻介質(zhì)中，光程：Lnr1 12 2i iiLn rn rn rv 光程差光程差 ：兩條光線的光程之差。：兩條光線的光程之差。v在分段均勻介質(zhì)中，光程：在分段均勻介質(zhì)中，光程：3、相位差與光程差的關(guān)系、相位差與光程差的關(guān)系在機(jī)械波中相位差與幾何路程差的關(guān)系：在機(jī)械波中相位差與幾何路程差的關(guān)系：x2在波動光學(xué)中相位差與光程差的關(guān)系：在波動光學(xué)中相位差與光程差的關(guān)系：2由波的干涉加強(qiáng)與減弱的條件：由波的干涉加強(qiáng)與減

12、弱的條件：2(21)kk加強(qiáng)減弱得波動光學(xué)干涉加強(qiáng)與減弱的條件：得波動光學(xué)干涉加強(qiáng)與減弱的條件：2 k0.1.2.(21) k1.2.kk明紋暗紋4、透鏡不產(chǎn)生附加光程差、透鏡不產(chǎn)生附加光程差SSF1F2L1L2例例2： 若將楊氏雙縫實驗裝置從空氣中搬入水若將楊氏雙縫實驗裝置從空氣中搬入水中，問雙縫干涉圖樣是否有變化？怎么變？中，問雙縫干涉圖樣是否有變化？怎么變？解：解：nDnxdtgdnrrnnrnr)(1212明紋當(dāng)kDnxd明紋即：kndDx sxr1s2s1r2DOPdndDkndDkndDx) 1(xxn , 1dDndDndDx)1(介質(zhì)中的條紋間距：介質(zhì)中的條紋間距：空氣中的條紋

13、間距：空氣中的條紋間距：故：故：水中的干涉條紋變得更密、更細(xì)。水中的干涉條紋變得更密、更細(xì)。例例3：在楊氏雙縫實驗中，在楊氏雙縫實驗中，O為光屏上的中央為光屏上的中央明紋所在位置，現(xiàn)將厚度為明紋所在位置，現(xiàn)將厚度為 e 、折射率為折射率為 n 的的薄玻璃片插入從薄玻璃片插入從S1發(fā)出的光束的途中，問中央發(fā)出的光束的途中，問中央明紋是否向上或向下移動？若已知中央明紋移明紋是否向上或向下移動？若已知中央明紋移動了動了7級，求玻璃片的厚度級，求玻璃片的厚度e 。 r r2 d S S S2 x D O Q2 P 2121() ()(1)0rrenerrn e故：干涉條紋（中央明紋）向上移動。故：干涉

14、條紋（中央明紋）向上移動。解：解：（1）插入玻璃片后，從兩狹縫傳播到屏幕）插入玻璃片后，從兩狹縫傳播到屏幕中央明紋的兩列光波之間的光程差為：中央明紋的兩列光波之間的光程差為：“中央明中央明紋特征紋特征”212121(1)1 0rrnenrrrr又， r r2 d S S S2 x D O Q2 P 干涉條紋向媒質(zhì)塊的同側(cè)移動。干涉條紋向媒質(zhì)塊的同側(cè)移動。結(jié)論結(jié)論:解：解：（2）插入玻璃片后，中央明紋向上移動了）插入玻璃片后，中央明紋向上移動了7級，則級，則 x =0 處現(xiàn)為處現(xiàn)為7級明紋。級明紋。 r r2 2a S S S2 x D O Q2 P k = 7k = 0k =0 k = -77

15、2121() ()(1)7(1)rrenerrn e x =0 處現(xiàn)為處現(xiàn)為7級明紋級明紋,其兩條光線的光程差：其兩條光線的光程差：7(1)7 1n een 兩式相減：兩式相減：0210 (2)rr 未插入玻璃片前，未插入玻璃片前，x = 0處是中央明紋：處是中央明紋：結(jié)論結(jié)論:若干涉條紋移動了若干涉條紋移動了k 級，級，則媒質(zhì)塊的厚度為：則媒質(zhì)塊的厚度為：1ken在楊氏雙縫實驗中，在楊氏雙縫實驗中，O為光屏上的中為光屏上的中央明紋所在位置，現(xiàn)將厚度為央明紋所在位置，現(xiàn)將厚度為 e 、折射率為折射率為 n 的薄玻璃片插入從的薄玻璃片插入從S發(fā)出的光束的途中，問中發(fā)出的光束的途中，問中央明紋是否向上或向下移動？若已知中央明紋央明紋是否向上或向下移動？若已知中央明紋移動了級，求玻璃片的厚度移動了級，求玻璃片的厚度e 。 r r2 d S S S2 x D O P 1n3n2n2 31e222 1 2 3 2k1) 1.2.3 2n ekk. .k明紋（暗紋半波損失半波損失 2321nnnn， 2321nnnn， 321nnn 321nnn1n3n2n2 31e空氣玻璃氟化鎂氟化鎂 .n51311n38.12n反射光