第一節(jié)電磁波光的電磁說

1、第十三章 光的本性第一節(jié) 電磁波 光的電磁說知識要點 （一）電磁波變化的電場和變化的磁場相互交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍空間傳播，就形成電磁波。電磁波的傳播速度：在真空中，c=3.00×108m/s波速、頻率和波長的關(guān)系：c=f（二）光的反射 反射定律光到達(dá)兩種媒質(zhì)的界面被反射回來的現(xiàn)象稱光的反射。反射定律：（1）入射光線、折射光線和法線在同一平面上，入射光線和折射光線分居法線的兩側(cè)；（2）入射角等于反射角。（三）光的折射 折射定律光從一種媒質(zhì)通過界面進入另一種媒質(zhì)時，光線的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象稱光的折射。折射定律：（1）入射光線、折射光線和法線在同一平面上，入射光線和折射光線分居法線的

2、兩側(cè)；（2）入射角的正弦與折射角的正弦之比為一常數(shù)，即（四）折射率n光從真空射入某種媒質(zhì)時，入射角的正弦與折射角的正弦之比：n=稱為這種媒質(zhì)的折射率。媒質(zhì)的折射率也等于光的真空中的速度c跟光的這種媒質(zhì)中的速度v之比：n=,而光在真空中速度c=3.00×108m/s。（五）光的色散白光經(jīng)過棱鏡折射后，產(chǎn)生按一定順序排列的彩色光帶（又叫光譜），稱為光的色散。（六）光的干涉（1）相干光源：能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的兩個光源稱相干光源，它們產(chǎn)生的光波一定是頻率相同、振動方向相同的光波。（2）光的干涉：兩列相干光波在空間相遇，產(chǎn)生穩(wěn)定的振動始終加強和振動始終減弱相互間隔的條紋（干涉條紋），這種現(xiàn)象稱為光

3、的干涉。白光的干涉條紋是彩色條紋，單色光的干涉條紋是明暗相間條紋。（3）雙縫干涉：線光源通過等距離放置的兩個狹縫后產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。（4）薄膜干涉：平行光通過薄膜的前后兩個表面反射后的反射光產(chǎn)生干涉的現(xiàn)象。（七）光的衍射光波通過孔、縫或障礙物后偏離直線傳播的方向，進入陰影區(qū)的現(xiàn)象稱光的衍射。產(chǎn)生顯著衍射現(xiàn)象的條件：孔、縫或障礙物的尺寸比光的波長小或接近。衍射條紋：衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條紋，白光衍射是彩色條紋，單色光衍射是明暗相間條紋。（八）光的電磁說光具有反射、折射現(xiàn)象，同時具有干涉、衍射現(xiàn)象，證明了光是一種波；電磁波和光在真空中的速度相等，說明了光是電磁波，這就是光的電磁說。（九）電磁波譜按電磁波的

4、波長（或頻率）大小，各種電磁波的順序排列稱電磁波譜。按頻率由低到高排列電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和射線。（十）紅外線、紫外線、X射線的產(chǎn)生及主要作用疑難分析1.光波與機械波的不同點。（1）本質(zhì)不同，光皮是電磁波，是變化的電磁場的傳播，機械波是機械振動在媒質(zhì)中的傳播。（2）光波可以在真空中傳播，機械波必須在媒質(zhì)中傳播。（3）機械波的傳播速度只決定于媒質(zhì)，而與頻率無關(guān)，如各種頻率的聲波，在空氣中傳播速度一樣，進入水中后速度變化也都一樣。但光波的速度不僅與媒質(zhì)有關(guān)，且與頻率有關(guān)，如白光由真空進入媒質(zhì)后，各種頻率的色光速度都變小，而且頻率越高，速度變得越小。2.光的干涉、相干

5、光源的獲得。歷史上在證明光是一種波時，光的干涉現(xiàn)象作了有力的證據(jù)，因為干涉現(xiàn)象是波的主要特性之一。但由于相干光源的難以獲得，使光是一種波的理論很久難以定論，直至1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·揚巧妙地用雙縫實驗解決了相干光源問題；而同時代的法國物理學(xué)家菲涅耳也巧妙地用雙面鏡實驗獲得了相干光源。他們都是用同一光源分出兩束完全相同的相干光源。如圖13-1所示為揚氏雙縫干涉實驗原理圖，圖13-2為菲涅耳雙面鏡干涉實驗原理圖。3光的干涉和衍射的區(qū)別及聯(lián)系。光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象都是光的波動性體現(xiàn)，都有力地證明了光是一種波，但兩者在概念上是有嚴(yán)格區(qū)別的。干涉是兩列相同頻率的光在傳播過程中的重疊

6、區(qū)域里疊加而發(fā)生的現(xiàn)象，衍射是一同一列光在傳播過程中，遇到 尺雨與期波長相近(或小)的障礙物(或孔)的障礙物(或孔)而發(fā)生的繞射現(xiàn)象。雖然其結(jié)果都是明暗相同的條紋，但這兩種條紋還是有區(qū)別的，單色光的雙縫干涉條紋，明暗條紋間距相等，光源的波長越長，間距也越大，如圖13-3所示，單色光的單縫衍射明暗條紋中，中央明紋最亮最寬，其兩則的亮紋亮度逐漸減弱，且間距也逐漸增大，如圖13-4所示。干涉和衍射雖然是兩種不販現(xiàn)象，但它們在發(fā)生時是相輔相成的，便如在雙縫干涉時，若兩縫寬度較寬，就只能觀察到光的直線傳播現(xiàn)象，不能得到干涉條紋。必須在狹縫很窄時，先使光在每個狹縫處發(fā)生衍射，才能在雙縫后的重疊區(qū)域內(nèi)發(fā)生干

7、涉，產(chǎn)生干涉條紋，所以干涉離不開衍射。同樣，在單縫衍射時，通過單縫的光小上每一占都可看作一個新的點光源（惠更斯原理），各點光源發(fā)生的光又發(fā)生相應(yīng)干涉，而形成衍射條紋，所以衍射也離不開干涉。4.關(guān)于增透膜的工作原理增透膜的工作原理就是薄膜干涉原理，當(dāng)一束單色平行光照射到薄膜上時，薄膜的前后兩表面分別會反射出兩束反射光，當(dāng)這兩束反射光正好反相時（振動步調(diào)相差1800）就會相互抵消，反射光消失（出現(xiàn)暗條紋）?，F(xiàn)代光學(xué)儀器由許多透鏡和棱鏡組成，它們的表面都會使光反射，結(jié)果透射光的能量大大減少，如果是照相機，就會使成像模糊，因此利用薄膜干涉原理，在這些元件表面涂上一層薄膜，使之兩束反射光恰好抵消，這就減

8、少了反射損失，增強了透射光強度，這層薄膜就叫增透膜。通常要使某種波長的光增透，薄膜厚度就等于該光在薄膜介質(zhì)波長的，例如一般照相機鏡頭的增透膜厚度，做成白光中間色光（綠光）在膜中波長的，使綠光及其鄰近波長的光透射增強，而邊緣的紅光、紫光仍有反射，因此這層增透膜看上去呈談紫色。例題解析1.某單色光在空氣中傳播時波長為1=400nm，當(dāng)它由空氣射入水中時，速度變?yōu)?.25×108m/s，求該色光的頻率和在水中的波長。解析：由于光在空氣中的傳播速度與真空中接近，一般計算時空氣中光速可取c=3.00×108m/s，由c=1v，可求出該色光的頻率為進入水中后，由于介質(zhì)的不同，光速度成v

9、=2.25×108m/s,但光的頻率不會變，故仍由，可求得在水中的波長。應(yīng)該知道，光在真空中的傳播速度是最大的，進入任何介質(zhì)，速度都將變小，波長也變短，但頻率是不變的。這一點可以推廣到所有電磁波。2解釋下列光學(xué)現(xiàn)象。（1）蠟燭通過小孔成倒立的像；（2）水杯中的筷子被“折斷”；（3）雨后天空出現(xiàn)的彩虹；（4）水面上油膜呈現(xiàn)的彩色；（5）一束紅色激光束通過小圓孔后，在屏上呈現(xiàn)的明暗相間同心圓環(huán)。解析：（1）小孔成像，是由于光的直線傳播的結(jié)果；（2）是光的反射和折射共同形成的一種影像；（3）是太陽光由空氣折射進水珠，又從水珠中折射出來產(chǎn)生的色散現(xiàn)象；（4）是薄膜干涉現(xiàn)象，光射到薄膜的前表面

10、時，一部分發(fā)生反射，另一部分折射進膜內(nèi)在其后表面發(fā)生反射后，再次折射出來，因而獲得了同一束光的兩束反射光，滿足相干條件而發(fā)生干涉，形成明暗條紋，由于太陽光由七種色光組成，它們的波長不相同，明暗條紋間距不同，組合在一起，就形成彩色條紋；（5）是單色光的圓孔衍射，由于衍射現(xiàn)象的實質(zhì)是同一束光在繞射后的重疊區(qū)域里發(fā)生干涉的結(jié)果，形成明暗相間條紋，圓孔衍射就得到明暗相間的同心圓環(huán)。知識拓寬1波動理論對光的雙縫干涉實驗結(jié)論的解釋。如圖13-5所示，S1，S2為雙縫，它們距光屏的距離為L，彼此相距為d,r1和r2分別為它們到光屏上一點P的距離（又稱光程）。由于S1和S2為相干光源，波長相同，因此若它們到P

11、點的光程差r2-r1恰為波長的整數(shù)倍時，兩列光波在P點的振動疊加是干涉的加強點。若r2-r1恰為波長的整數(shù)倍時，兩列光波在P點的振動疊加是干涉的加強點。若r2-r1是半波長的奇數(shù)倍時，兩列光波在P點的疊加，是干涉的相消點，因此可用一個關(guān)系式表示： 當(dāng)n=2k P點應(yīng)出現(xiàn)明紋。當(dāng)n=2k+1 (k=0,1,2,)時， P點應(yīng)出現(xiàn)暗紋。若再設(shè)P點到屏中心距離為x，則，兩式相減得(r2-r1)(r1+r2)=2dx，由于L比x和d都大得多，故r2+r22L，所以 由式得 即 式表明，當(dāng)P點位置坐標(biāo)x滿足式時，或者出現(xiàn)亮條紋（n=2k,k=0,1,2,），或者出現(xiàn)暗條紋（n=2k+1,k=0,1,2,

12、）.由式可以得到任意兩條明紋（或暗紋）的間距 得 式表示，只要知道L，d，測出相鄰兩條明紋（或暗紋）的間距，就可計算出干涉光波的波長。2.關(guān)于光通過不透明小圓板的衍射和泊松亮斑。18世紀(jì)初，法國物理學(xué)家菲涅耳利用波動理論對光的衍射現(xiàn)象作出了數(shù)學(xué)分析。當(dāng)時一位反對光的波動說的數(shù)學(xué)家泊松從菲涅耳的分析得出結(jié)論：如果光是一種波，則在光通過一個不透明的小圓板時，屏上的圓盤影中心應(yīng)出現(xiàn)一個亮斑。由于當(dāng)時人們從未看到過這個現(xiàn)象，光的波動說再次受到懷疑，菲涅再接受了這個挑戰(zhàn)，精心研究，不斷實驗，終于證明了盤影中心確實有一個亮斑，如圖13-6所示。歷史上稱之為“泊松亮斑”，從而光的波動說獲得了巨大成功。練習(xí)題

13、一、填空題1.兩列光波必須滿足 時，才能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。2凡是波都可發(fā)生衍射現(xiàn)象，使波產(chǎn)生明顯衍射的條件是 ，而使波直進的條件是 。3激光唱片在日光燈下出現(xiàn)彩色條紋，是光的 現(xiàn)象，通過游標(biāo)卡尺窄縫看日光燈出現(xiàn)的彩色條紋，是光的 現(xiàn)象，增透膜是利用光的 現(xiàn)象，而增大了透射光的強度。 4白光中有七種彩色成分，它們是 ，其中 光波長最長， 光頻率最高。5。白光的雙縫干涉應(yīng)得到 條紋，白光的單縫衍射應(yīng)得到 條紋。6小孔成像是屬于光的 現(xiàn)象，用平行單色光照射一把刀片，發(fā)現(xiàn)屏上刀片的陰影邊緣模糊不清，這是光的 現(xiàn)象，用平行單色光垂直照射一塊不透明的小圓板，在屏上發(fā)現(xiàn)圓板的陰影中心有一亮斑，這是光的 現(xiàn)象，這

14、個亮斑稱為 亮斑。7電磁波譜按頻率由低到高的排列是 。8紅外線的主要作用是 ，紫外線的主要作用是 ，X射線的主要作用是 。二、選擇題1.下面哪些恪地光的干涉現(xiàn)象？ （ ）（A）雨后美麗的彩虹（B）從兩支鉛筆的狹縫中看到日光燈的彩色條紋（C）陽光下肥皂膜上的彩色條紋（D）光通過三棱鏡后在屏上出現(xiàn)的彩色光帶2.下列敘述中正確的是 （ ）（A）光的干涉和衍射所產(chǎn)生的條紋都是由于相干光源互相疊加的結(jié)果（B）干涉和衍射都說明光具有波動性（C）白光通過雙縫干涉得到彩色條紋，如果將一縫遮住，就得不到彩色條紋（D）光的衍射現(xiàn)象否定了光的直線傳播3.從兩支手電筒射出的光，當(dāng)它們射到同一點時，看不到干涉圖樣，主要

15、因為是（ ）（A）手電筒射出的不是單色光（B）干涉圖樣太細(xì)、太小看不到（C）周圍環(huán)境的漫反射光線太強（D）兩個淘汰是非相干光源4.指出下列哪些條紋是不等間距的 （ ）（A）雙縫干涉圖樣 （B）圓孔衍射圖樣（C）由劈形薄膜形成的干涉圖樣 （D）單縫衍射形成的衍射圖樣5.如圖13-7是一豎直肥皂膜的橫截面，光通過薄膜產(chǎn)生干涉，下列說法中正確的是（ ）（A）用綠光照射時產(chǎn)生的干涉條紋間距比紅光照射時大（B）干涉條紋中的暗線是薄膜前后兩表面反射的兩列光波，波谷和波谷疊加而形成的（C）觀察干涉條紋，應(yīng)沿著平行光照射方向自左向右看（D）薄膜上的干涉條紋應(yīng)是水平排列的。6.如圖13-8所示，用干涉法檢查某零

16、件表面的平整度，下列判斷中正確的是 （ ）（A）a是被測零件 （B）a是標(biāo)準(zhǔn)件（C）b是被測零件 （D）c是空氣劈7.上題中，干涉條紋是哪兩個表面反射光線相干產(chǎn)生的？（A）a的上表面和b的下表面（B）a的上表面和b的上表面（C）a的下表面和b的上表面（D）a的下表面和b的下表面8.如圖13-9所示，用單色光做雙縫干涉實驗時，光屏上P處是第二亮條紋的位置，若改用頻率較高的單色光做實驗時，第二亮條紋的位置應(yīng) （ ）（A）仍在P點 （B）P點上方（C）P點下方 （D）不能確定9.上題中，若光源是單色紅光，屏上應(yīng)出現(xiàn)紅色干涉條紋，此時若將雙縫中的一縫用遮光片擋住，則在屏上 （ ）（A）干涉條紋不變 （B）只有一半的干涉條紋（C）變成紅光的衍射條紋 （D）沒有明暗條紋10.首先提出光是電磁波的物理學(xué)家是 （ ）（A）惠更斯 （B）麥克斯韋 （C）赫茲 （D）愛因斯坦11.認(rèn)為光和無線電波都是電磁波的理由正確的是（ ）（A）真空中傳播速度相同 （B）都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象（C）傳播時都不需要別的本質(zhì) （D）都是由振蕩電路中的自由電子運動產(chǎn)生的12.對所有的機械波和電磁波，下列說法中正確的是 （ ）（A）都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象 （B）在同一介質(zhì)中傳播速度相同（C）都能在真空