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(mén)有悠久歷史光學(xué)是一門(mén)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(guó)的中國(guó)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(shí)，它有八條關(guān)學(xué)知識(shí)，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(xiàn)傳播性和針孔成光的直線(xiàn)傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懴?，并且以?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(yáng)年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)光光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)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(xiàn)傳播性，認(rèn)為光的直線(xiàn)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(lái)，在均勻從光源飛出來(lái)，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(xiàn)運(yùn)

3、動(dòng)。牛頓因等速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。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(shuō)惠更斯是光的微粒說(shuō)的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的波動(dòng)說(shuō)。提出的波動(dòng)說(shuō)。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(dòng)學(xué)光的波動(dòng)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(dòng)理論都理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來(lái)，但被粗略地提了出來(lái)，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(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象以及運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)

4、現(xiàn)象確證了光是電磁波；同時(shí)確證了光是電磁波；同時(shí)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(wú)可懷疑地證明了光的量無(wú)可懷疑地證明了光的量子性子性微粒性。人們?cè)谖⒘Ｐ浴Ｈ藗冊(cè)谏钊胙芯课⒂^世界后，才深入研究微觀世界后，才認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性，認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性，愛(ài)愛(ài)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(xiàn)傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，主以光的直線(xiàn)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(chēng)為波動(dòng)光學(xué)。用。所以也稱(chēng)為波動(dòng)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(wèn)世為標(biāo)志，與許多科學(xué)技以激光問(wèn)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(lèi)三、光學(xué)的分類(lèi)四、光的性質(zhì)四、光的性質(zhì)可見(jiàn)光的范圍可見(jiàn)光的范圍Hz103 . 4105 . 7:nm760390:1414光是電磁

6、波中的可見(jiàn)光部分。光是電磁波中的可見(jiàn)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(xiàn)傳播，是橫波。光在均勻媒質(zhì)中沿直線(xiàn)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(jué)和底片感光上起主要作用人眼視覺(jué)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(lèi)、光源的分類(lèi)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(yáng)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(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 裝裝 置置d1r2rdD dxD二二 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（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(diǎn)、干涉條紋特點(diǎn)(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(shí)，若一定時(shí)，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(shí)，一定時(shí)，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(shí)反射光的相位較之入射光的相位較小的介質(zhì)時(shí)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(gè)波

10、長(zhǎng)的波程差，稱(chēng)為半波損失。加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，稱(chēng)為半波損失。1sPM2sdDPL1n2n21nn 1n2n1. 真空與介質(zhì)中的光速、波長(zhǎng)真空與介質(zhì)中的光速、波長(zhǎng) 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(zhǎng)各為，波長(zhǎng)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(zhǎng)：?jiǎn)紊庠诮橘|(zhì)中的波長(zhǎng)：() 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(shí)間為：所需時(shí)間為：光波在光波在 時(shí)間內(nèi)在真空中的幾何路程為：時(shí)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(xiàn)的光程之差。：兩條光線(xiàn)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(dòng)光學(xué)中相位差與光程差的關(guān)系：在波動(dòng)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(dòng)光學(xué)干涉加強(qiáng)與減弱的條件：得波動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置從空氣中搬入水若將楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置從空氣中搬入水中，問(wèn)雙縫干涉圖樣是否有變化？怎么變？中，問(wèn)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(shí)驗(yàn)中，在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)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(wèn)中央發(fā)出的光束的途中，問(wèn)中央明紋是否向上或向下移動(dòng)？若已知中央明紋移明紋是否向上或向下移動(dòng)？若已知中央明紋移動(dòng)了動(dòng)了7級(jí)，求玻璃片的厚度級(jí)，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(dòng)。故：干涉

14、條紋（中央明紋）向上移動(dòng)。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(dòng)。干涉條紋向媒質(zhì)塊的同側(cè)移動(dòng)。結(jié)論結(jié)論:解：解：（2）插入玻璃片后，中央明紋向上移動(dòng)了）插入玻璃片后，中央明紋向上移動(dòng)了7級(jí)，則級(jí)，則 x =0 處現(xiàn)為處現(xiàn)為7級(jí)明紋。級(jí)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(jí)明紋級(jí)明紋,其兩條光線(xiàn)的光程差：其兩條光線(xiàn)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(dòng)了若干涉條紋移動(dòng)了k 級(jí)，級(jí)，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(shí)驗(yàn)中，在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)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(wèn)中發(fā)出的光束的途中，問(wèn)中央明紋是否向上或向下移動(dòng)？若已知中央明紋央明紋是否向上或向下移動(dòng)？若已知中央明紋移動(dòng)了級(jí)，求玻璃片的厚度移動(dòng)了級(jí)，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