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1、1 第三節(jié)第三節(jié) 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)英國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家,英國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家,光的波動(dòng)說(shuō)的奠基人之一光的波動(dòng)說(shuō)的奠基人之一波動(dòng)光學(xué):波動(dòng)光學(xué):楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)生理光學(xué):生理光學(xué):三原色原理三原色原理材料力學(xué):材料力學(xué):楊氏彈性模量楊氏彈性模量考古學(xué):考古學(xué):破譯古埃及石碑上的文字破譯古埃及石碑上的文字托馬斯托馬斯楊(楊(Thomas YoungThomas Young)2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置 18011801年,楊氏巧妙地設(shè)計(jì)了一種把單個(gè)波陣面分解為兩個(gè)年,楊氏巧妙地設(shè)計(jì)了一種把單個(gè)波陣面分解為兩個(gè)波陣面以鎖定兩個(gè)光源之間的相

2、位差的方法來(lái)研究光的干涉現(xiàn)波陣面以鎖定兩個(gè)光源之間的相位差的方法來(lái)研究光的干涉現(xiàn)象。楊氏用象。楊氏用疊加原理疊加原理解釋了干涉現(xiàn)象,在歷史上第一次測(cè)定了解釋了干涉現(xiàn)象,在歷史上第一次測(cè)定了光的波長(zhǎng)光的波長(zhǎng),為光的,為光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)波動(dòng)學(xué)說(shuō)的確立奠定了基礎(chǔ)。的確立奠定了基礎(chǔ)。3 S S線光源,線光源,G G是一個(gè)遮光屏,其上有兩條與是一個(gè)遮光屏,其上有兩條與S S平行的狹縫平行的狹縫S S1 1、S S2 2,且與,且與S S等距離,因此等距離,因此S S1 1、S S2 2 是相干光源,且相位相同;是相干光源,且相位相同;S S1 1、S S2 2 之間的距離是之間的距離是d d ,到屏的距離是

3、,到屏的距離是D D。S1S2SdDxOP1r2r干涉條紋干涉條紋I I光強(qiáng)分布同方向、同頻率同方向、同頻率、有、有恒定初相差恒定初相差的兩個(gè)的兩個(gè)單色光源單色光源所發(fā)所發(fā)出的兩列光波的疊加。出的兩列光波的疊加。4考察屏上某點(diǎn)考察屏上某點(diǎn)P P處的強(qiáng)度分布。由于處的強(qiáng)度分布。由于S S1 1、S S2 2 對(duì)稱設(shè)置,且大對(duì)稱設(shè)置,且大小相等,認(rèn)為由小相等,認(rèn)為由S S1 1、S S2 2 發(fā)出的兩光波在發(fā)出的兩光波在P P點(diǎn)的光強(qiáng)度相等,點(diǎn)的光強(qiáng)度相等,即即I I1 1=I=I2 2=I=I0 0,則,則P P點(diǎn)的干涉條紋分布為點(diǎn)的干涉條紋分布為2cos4cos2202121IIIIIIkrr

4、k)(12而而)(cos41220rrII代入,得代入,得表明表明P P點(diǎn)的光強(qiáng)點(diǎn)的光強(qiáng)I I取決于兩光波在該點(diǎn)的光程差或相位差。取決于兩光波在該點(diǎn)的光程差或相位差。 25), 2, 1, 0(2mmP P點(diǎn)光強(qiáng)有最大值,點(diǎn)光強(qiáng)有最大值,04II ), 2, 1, 0() 12(mmP P點(diǎn)光強(qiáng)有最小值,點(diǎn)光強(qiáng)有最小值,0I相位差介于兩者之間時(shí),相位差介于兩者之間時(shí),P P點(diǎn)光強(qiáng)在點(diǎn)光強(qiáng)在0 0和和4I4I0 0之間。之間。P P點(diǎn)合振動(dòng)的光強(qiáng)得點(diǎn)合振動(dòng)的光強(qiáng)得2cos420II PP點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋PP點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋6), 2, 1, 0()(12mmrrn即光程差

5、等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),即光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),P P點(diǎn)有光強(qiáng)最大值點(diǎn)有光強(qiáng)最大值), 2, 1, 0()21()(12mmrrn即光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),即光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),P P點(diǎn)的光強(qiáng)最小點(diǎn)的光強(qiáng)最小7P(x,y,D)1S2S1r2rzyox22211)2(DydxPSr22222)2(DydxPSr選用如圖坐標(biāo)來(lái)確定屏上的光強(qiáng)分布選用如圖坐標(biāo)來(lái)確定屏上的光強(qiáng)分布2112212222rrxdrrxdrr由上面兩式可求得由上面兩式可求得8實(shí)際情況中,實(shí)際情況中,Dd 若同時(shí)若同時(shí)Dyx,則則Drr221Dxdrr12于是有于是有cos420DxdII), 2, 1, 0(md

6、Dmx當(dāng)當(dāng)0max4II亮紋亮紋), 2, 1, 0()21(mdDmx當(dāng)當(dāng)0minI暗紋暗紋9IOx干涉條紋強(qiáng)度分布曲線干涉條紋強(qiáng)度分布曲線屏幕上屏幕上Z Z軸附近的干涉條紋由一系列平行等距的明暗直條紋軸附近的干涉條紋由一系列平行等距的明暗直條紋組成,條紋的分布呈余弦變化規(guī)律,條紋的走向垂直于組成,條紋的分布呈余弦變化規(guī)律,條紋的走向垂直于X X軸軸方向。方向。10相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋間的距離為條紋間距相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋間的距離為條紋間距dDe一般稱到達(dá)屏上某點(diǎn)的兩條相干光線間的夾角為相干光束一般稱到達(dá)屏上某點(diǎn)的兩條相干光線間的夾角為相干光束的會(huì)聚角,記為的會(huì)聚角,記為當(dāng)當(dāng)Dd 且且D

7、yx,Dd有有e則則條紋間距正比于相干光的波長(zhǎng),反比于相干光束的會(huì)聚角條紋間距正比于相干光的波長(zhǎng),反比于相干光束的會(huì)聚角可利用此公式求波長(zhǎng)可利用此公式求波長(zhǎng)r2r1OPxdS2S111m=0,1,2,m=0,1,2,依次稱為零級(jí)、第一級(jí)、第二級(jí)亮紋等等。依次稱為零級(jí)、第一級(jí)、第二級(jí)亮紋等等。零級(jí)亮紋零級(jí)亮紋( (中央亮紋中央亮紋) )在在x x=0=0處。處。), 2 , 1 , 0(mdDmx亮紋亮紋 任何兩條相鄰的明(或暗)條紋所對(duì)應(yīng)的光程差之差一定任何兩條相鄰的明(或暗)條紋所對(duì)應(yīng)的光程差之差一定等于一個(gè)波長(zhǎng)值。等于一個(gè)波長(zhǎng)值。m 上式中的上式中的m m為干涉條紋的級(jí)次。為干涉條紋的級(jí)次

8、。)21(m12 干涉條紋在屏上的位置(級(jí)次)完全由光程差決定,干涉條紋在屏上的位置(級(jí)次)完全由光程差決定,當(dāng)某一參量引起光程差的改變,則相應(yīng)的干涉條紋就會(huì)發(fā)當(dāng)某一參量引起光程差的改變,則相應(yīng)的干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。生移動(dòng)。), 2 , 1 , 0()21(mdDmx暗紋暗紋m=0,1,2,m=0,1,2,分別稱為零級(jí)、第一級(jí)、第二級(jí)暗紋等等。分別稱為零級(jí)、第一級(jí)、第二級(jí)暗紋等等。13干涉條紋的特點(diǎn)干涉條紋的特點(diǎn)( 干涉條紋是干涉條紋是一組平行等間距的明、暗相間的直條紋。一組平行等間距的明、暗相間的直條紋。中中央為零級(jí)明紋,上下對(duì)稱,明暗相間,均勻排列。央為零級(jí)明紋,上下對(duì)稱,明暗相間,均勻

9、排列。 干涉條紋不僅出現(xiàn)在屏上,凡是兩光束重疊的區(qū)域都存干涉條紋不僅出現(xiàn)在屏上,凡是兩光束重疊的區(qū)域都存在干涉,故楊氏雙縫干涉屬于非定域干涉。在干涉,故楊氏雙縫干涉屬于非定域干涉。 當(dāng)當(dāng)D D、一定時(shí),一定時(shí),e e與與d d成反比,成反比,d d越小,條紋分辨越清。越小,條紋分辨越清。 1 1與與2 2為整數(shù)比時(shí),某些級(jí)次的條紋發(fā)生重疊。為整數(shù)比時(shí),某些級(jí)次的條紋發(fā)生重疊。 m m1 11 1=m=m2 22 214 如用白光作實(shí)驗(yàn)如用白光作實(shí)驗(yàn), , 則除了中央亮紋仍是白色的外則除了中央亮紋仍是白色的外, ,其余其余各級(jí)條紋形成從中央向外由紫到紅排列的彩色條紋各級(jí)條紋形成從中央向外由紫到紅

10、排列的彩色條紋光譜光譜。(在屏幕上在屏幕上x(chóng)=0 x=0處各種波長(zhǎng)的光程差均為零,各種波長(zhǎng)的處各種波長(zhǎng)的光程差均為零,各種波長(zhǎng)的零級(jí)條紋發(fā)生重疊,形成白色明紋。)零級(jí)條紋發(fā)生重疊,形成白色明紋。)15光源光源S S位置改變:位置改變:S S下移時(shí),零級(jí)明紋上移,干涉條紋整體向上平移;下移時(shí),零級(jí)明紋上移,干涉條紋整體向上平移;S S上移時(shí),上移時(shí),干涉條紋整體向下平移,條紋間距不變。干涉條紋整體向下平移,條紋間距不變。x=D/d討論討論 (1)波長(zhǎng)及裝置結(jié)構(gòu)變化時(shí)干涉條紋的移動(dòng)和變化)波長(zhǎng)及裝置結(jié)構(gòu)變化時(shí)干涉條紋的移動(dòng)和變化16雙縫間距雙縫間距d d改變:改變:當(dāng)當(dāng)d d增大時(shí),增大時(shí),e e

11、減小,零級(jí)明紋中心位置不變,條紋變密。減小,零級(jí)明紋中心位置不變,條紋變密。當(dāng)當(dāng)d d 減小時(shí),減小時(shí),e e增大,條紋變稀疏。增大,條紋變稀疏。 舉例:舉例:人眼對(duì)鈉光(人眼對(duì)鈉光(= 589.3= 589.3nmnm)最敏感,能夠)最敏感,能夠分辨到分辨到e=0.065 e=0.065 mmmm ,若屏幕距雙縫的距離為,若屏幕距雙縫的距離為D D = 800 = 800mmmm,則則mmxDd25. 7065. 01058938007dDe17雙縫與屏幕間距雙縫與屏幕間距D D改變:改變:當(dāng)當(dāng)D D 減小時(shí),減小時(shí),e e減小,零級(jí)明紋中心位置不變,條減小,零級(jí)明紋中心位置不變,條紋變密。

12、紋變密。當(dāng)當(dāng)D D 增大時(shí),增大時(shí),e e增大,條紋變稀疏。增大,條紋變稀疏。入射光波長(zhǎng)改變:入射光波長(zhǎng)改變: 當(dāng)當(dāng)增大時(shí),增大時(shí),xx增大,條紋變疏;增大,條紋變疏; 當(dāng)當(dāng)減小時(shí),減小時(shí),xx減小,條紋變密。減小,條紋變密。dDe18若用復(fù)色光源,則干涉條紋是彩色的。若用復(fù)色光源,則干涉條紋是彩色的。對(duì)于不同的光波,若滿足對(duì)于不同的光波,若滿足m m1 11 1=m=m2 22 2,出現(xiàn)干涉條紋的重疊。出現(xiàn)干涉條紋的重疊。19(2 2)介質(zhì)對(duì)干涉條紋的影響)介質(zhì)對(duì)干涉條紋的影響在在S S1 1后加透明介質(zhì)薄膜,干涉條紋如何變化?后加透明介質(zhì)薄膜,干涉條紋如何變化?零級(jí)明紋上移至點(diǎn)零級(jí)明紋上移

13、至點(diǎn)P P,屏上所屏上所有干涉條紋同時(shí)向上平移。有干涉條紋同時(shí)向上平移。移過(guò)條紋數(shù)目移過(guò)條紋數(shù)目k=(n-1)t/k=(n-1)t/條紋移動(dòng)距離條紋移動(dòng)距離 OP=keOP=ke若若S S2 2后加透明介質(zhì)薄膜,干涉后加透明介質(zhì)薄膜,干涉條紋下移。條紋下移。r2r1OPxdS2S120若把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置置于折射率為若把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置置于折射率為n n的介質(zhì)中的介質(zhì)中 明條紋:明條紋: = =n(rn(r2 2-r-r1 1) )= =m mm m=0,1,2,=0,1,2, 暗條紋:暗條紋: = =n(rn(r2 2-r-r1 1) )= =(2m+1)/2 m(2m+1)/2 m=1,2,3,=

14、1,2,3,或或 明條紋:明條紋:r r2 2-r-r1 1= =xd/Dxd/D= =m/n=m/n=m mm m=0,1,2,=0,1,2, 暗條紋:暗條紋:r r2 2-r-r1 1= =xd/Dxd/D= =(2m+1)/2n(2m+1)/2n = =(2m+1) m(2m+1) m=1,2,3,=1,2,3, 為入射光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為入射光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)條紋間距為條紋間距為 x=D/(nd)x=D/(nd)= =D/d D/d 干涉條紋變密。干涉條紋變密。21楊氏雙縫干涉的應(yīng)用楊氏雙縫干涉的應(yīng)用v 測(cè)量波長(zhǎng)測(cè)量波長(zhǎng)v 測(cè)量薄膜的厚度和折射率測(cè)量薄膜的厚度和折射率v 長(zhǎng)度的測(cè)量微小改變

15、量長(zhǎng)度的測(cè)量微小改變量22例例1 1、求光波的波長(zhǎng)、求光波的波長(zhǎng)在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,已知雙縫間距為在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,已知雙縫間距為0.60mm0.60mm,縫和屏相距,縫和屏相距1.50m1.50m,測(cè)得條紋寬度為,測(cè)得條紋寬度為1.50mm1.50mm,求入射光的波長(zhǎng)。,求入射光的波長(zhǎng)。解:由楊氏雙縫干涉條紋間距公式解:由楊氏雙縫干涉條紋間距公式 e e=D/d=D/d可以得到光波的波長(zhǎng)為可以得到光波的波長(zhǎng)為 =ed/D=ed/D代入數(shù)據(jù),得代入數(shù)據(jù),得=1.50=1.501010-3-30.600.601010-3-3/1.50/1.50 =6.00 =6.001010-7-7m m

16、 =600nm =600nm23當(dāng)雙縫干涉裝置的一條狹縫當(dāng)雙縫干涉裝置的一條狹縫S S1 1后面蓋上折射率為后面蓋上折射率為n n=1.58=1.58的云母片時(shí),觀察到屏幕上干涉條紋移動(dòng)了的云母片時(shí),觀察到屏幕上干涉條紋移動(dòng)了9 9個(gè)條紋間距,個(gè)條紋間距,已知波長(zhǎng)已知波長(zhǎng)=5500A=5500A0 0,求云母片的厚度。,求云母片的厚度。例例2、根據(jù)條紋移動(dòng)求縫后所放介質(zhì)片的厚度、根據(jù)條紋移動(dòng)求縫后所放介質(zhì)片的厚度r2r1OPxdS2S124解:沒(méi)有蓋云母片時(shí),零級(jí)明條紋在解:沒(méi)有蓋云母片時(shí),零級(jí)明條紋在O O點(diǎn);點(diǎn); 當(dāng)當(dāng)S S1 1縫后蓋上云母片后,光線縫后蓋上云母片后,光線1 1的光程增大

17、。的光程增大。 由于零級(jí)明條紋所對(duì)應(yīng)的光程差為零,所以這時(shí)零級(jí)明由于零級(jí)明條紋所對(duì)應(yīng)的光程差為零,所以這時(shí)零級(jí)明條紋只有上移才能使光程差為零。條紋只有上移才能使光程差為零。 依題意,依題意,S S1 1縫蓋上云母片后,零級(jí)明條紋由縫蓋上云母片后,零級(jí)明條紋由O O點(diǎn)移動(dòng)原點(diǎn)移動(dòng)原來(lái)的第九級(jí)明條紋位置來(lái)的第九級(jí)明條紋位置P P點(diǎn),點(diǎn), 當(dāng)當(dāng)xDxD時(shí),時(shí),S S1 1發(fā)出的光可以近似看作垂直通過(guò)云母片,發(fā)出的光可以近似看作垂直通過(guò)云母片,光程增加為光程增加為( (n-1n-1) )b b,從而有,從而有 ( (n-1n-1) )b=kb=k所以所以 b=kb=k/(/(n n-1)=9-1)=9

18、550055001010-10-10/(1.58-1) /(1.58-1) =8.53 =8.531010-6-6m m25例例3 3 一雙縫裝置的一個(gè)縫為折射率一雙縫裝置的一個(gè)縫為折射率1.401.40的薄玻璃片遮蓋,的薄玻璃片遮蓋,另一個(gè)縫為折射率另一個(gè)縫為折射率1.701.70的薄玻璃片遮蓋,在玻璃片插入以后,的薄玻璃片遮蓋,在玻璃片插入以后,屏上原來(lái)的中央極大所在點(diǎn),現(xiàn)在為原來(lái)的第五級(jí)明紋所占屏上原來(lái)的中央極大所在點(diǎn),現(xiàn)在為原來(lái)的第五級(jí)明紋所占據(jù)。假定據(jù)。假定=480=480nmnm,且兩玻璃片厚度均為,且兩玻璃片厚度均為t t,求,求t t值。值。P2n1nO 解:解:兩縫分別為薄玻

19、璃片遮蓋后,兩束相干光到達(dá)兩縫分別為薄玻璃片遮蓋后,兩束相干光到達(dá)O O點(diǎn)處點(diǎn)處的光程差的改變?yōu)榈墓獬滩畹母淖優(yōu)閠nntntn12121126由題意得由題意得512tnn所以所以 mmnnt810840. 170. 1104800556101227例例4 4 若將雙縫裝置浸入折射率為若將雙縫裝置浸入折射率為n n的水中,那么條紋的的水中,那么條紋的間距增加還是減小?間距增加還是減???解:解:入射光在水中的波長(zhǎng)變?yōu)槿肷涔庠谒械牟ㄩL(zhǎng)變?yōu)檎婵罩械牟ㄩL(zhǎng)nn所以相鄰明條紋或暗條紋的間距為所以相鄰明條紋或暗條紋的間距為enendDdDen間距減小間距減小28S1S2SOO11r2r 解:解:用透明薄片蓋

20、著用透明薄片蓋著S S1 1縫,縫,中央明紋位置從中央明紋位置從O O點(diǎn)向上移到點(diǎn)向上移到O O1 1點(diǎn),其它條紋隨之平動(dòng),但條點(diǎn),其它條紋隨之平動(dòng),但條紋寬度不變。紋寬度不變。enrneer) 1(11O O1 1點(diǎn)是中央明紋,兩光路的光程差應(yīng)等于點(diǎn)是中央明紋,兩光路的光程差應(yīng)等于0 0 0) 1(12enrrenrr) 1(12例例5 5 在雙縫實(shí)驗(yàn)中,入射光的波長(zhǎng)為在雙縫實(shí)驗(yàn)中,入射光的波長(zhǎng)為550nm550nm,用一厚,用一厚e e =2.85=2.8510104 4cmcm的透明薄片蓋著的透明薄片蓋著S S1 1縫,結(jié)果中央明紋移到原縫,結(jié)果中央明紋移到原來(lái)第三條明紋處,求透明薄片的

21、折射率。來(lái)第三條明紋處,求透明薄片的折射率。加透明薄片后,光路的光程為加透明薄片后,光路的光程為29不加透明薄片時(shí),出現(xiàn)第不加透明薄片時(shí),出現(xiàn)第3 3 級(jí)明紋的條件是:級(jí)明紋的條件是:312rr由以上兩式可得:由以上兩式可得:13en58. 111058. 210550369是云母片。是云母片。31e )n(301S2S1r2rh例例6 6 已知:已知:S S2 2 縫上覆蓋的介質(zhì)縫上覆蓋的介質(zhì)厚度為厚度為h h,折射率為,折射率為n n,設(shè)入射,設(shè)入射光的波長(zhǎng)為光的波長(zhǎng)為 。問(wèn):原來(lái)的零級(jí)問(wèn):原來(lái)的零級(jí)條紋移至何處?若移至原來(lái)的條紋移至何處?若移至原來(lái)的第第 k k 級(jí)明條紋處,其厚度級(jí)明條

22、紋處,其厚度 h h 為多少?為多少? 12)(rnhhr解:從解:從S S1 1和和S S2 2發(fā)出的相干光所對(duì)應(yīng)的光程差發(fā)出的相干光所對(duì)應(yīng)的光程差h)n(rr112 當(dāng)光程差為零時(shí),對(duì)應(yīng)當(dāng)光程差為零時(shí),對(duì)應(yīng) 零條紋的位置應(yīng)滿足:零條紋的位置應(yīng)滿足:所以零級(jí)明條紋下移所以零級(jí)明條紋下移0 31原來(lái)原來(lái)k k級(jí)明條紋位置滿足:級(jí)明條紋位置滿足: krr 12設(shè)有介質(zhì)時(shí)零級(jí)明條紋移到原來(lái)設(shè)有介質(zhì)時(shí)零級(jí)明條紋移到原來(lái)第第k k級(jí)處,它必須同時(shí)滿足:級(jí)處,它必須同時(shí)滿足:khnrr) 1(121 nkh 1S2S1r2rh32例例7 7楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中,楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中,P P為屏上第五級(jí)亮紋所在位置。

23、現(xiàn)將為屏上第五級(jí)亮紋所在位置?,F(xiàn)將一玻璃片插入光源發(fā)出的光束途中,則一玻璃片插入光源發(fā)出的光束途中,則P P點(diǎn)變?yōu)橹醒肓翖l紋的點(diǎn)變?yōu)橹醒肓翖l紋的位置,求玻璃片的厚度。位置,求玻璃片的厚度。21SSP解沒(méi)插玻璃片之前二光束的光程差為解沒(méi)插玻璃片之前二光束的光程差為已知已知: : 玻璃玻璃m6 . 05 . 1n512rr1r2r插玻璃片之后二光束的光程差為插玻璃片之后二光束的光程差為 011212 ndrrnddrr5) 15 . 1 (dmd 610 33例例8 8 鈉光燈作光源,波長(zhǎng)鈉光燈作光源,波長(zhǎng) ,屏與雙縫的距離,屏與雙縫的距離 D=500mm,(1)d=1.2mmD=500mm,(1)d=1.2mm和和d=10mm,d=10mm,相鄰明條紋間距分別為多大?相鄰明條紋間距分別為多大?(2) 2) 若相鄰明條紋的最小分辨距離為若相鄰明條紋的最小分辨距離為0.065mm,0.065mm,能分辨干涉條能分辨干涉條紋的雙縫間距是多少?紋的雙縫間距是多少?m5893. 0解解1d= 1.2 mm mmdDe25. 02 . 110893. 55004d=10 mmmmdDe030. 01010893. 550042mme065. 0雙縫間距雙縫間距d d為為mmeDd5

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