大學(xué)物理波動光學(xué)

1、1大學(xué)物理大學(xué)物理物理學(xué)1. 楊氏雙縫干涉、薄膜干涉楊氏雙縫干涉、薄膜干涉2. 夫瑯和費(fèi)單縫衍射、光柵衍射夫瑯和費(fèi)單縫衍射、光柵衍射3. 偏振、旋光偏振、旋光4. 半波損失、光程、自然光、偏振光半波損失、光程、自然光、偏振光本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)物理學(xué) 11.1 11.1 光的干涉光的干涉 光是一種電磁波光是一種電磁波)(cos0urtEE)(cos0urtHH平面電磁波方程平面電磁波方程可見光的范圍可見光的范圍Hz103 . 4105 . 7:nm760400:1414 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量, , 它在引它在引起人眼視覺和底片感光上起主要作用起人眼視覺和底片感光上起主要

2、作用 . .E電磁波是橫波電磁波是橫波物理學(xué)P21 相干光相干光s1010:108t普通光源發(fā)光普通光源發(fā)光特點(diǎn)特點(diǎn)：1 1、原子發(fā)光是斷續(xù)的、原子發(fā)光是斷續(xù)的2 2、振動方向不同、振動方向不同3 3、振動頻率不同、振動頻率不同普通光源的發(fā)光機(jī)制普通光源的發(fā)光機(jī)制hE 原子能級及發(fā)光躍遷原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)nE躍遷躍遷自發(fā)輻射自發(fā)輻射物理學(xué)p1s2ssxoBd1r2rDr楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)DxDd、122rr DxddSinrrr12物理學(xué)Dkdx(21)2Dkd暗紋暗紋明紋明紋,2, 1 ,0k1, 2,k 明暗條紋的位置明暗條紋的位置() ,.非單色光 白光

3、色散同級條紋中紫色靠中央 紅色靠外邊條紋位置與波長的關(guān)系條紋位置與波長的關(guān)系：物理學(xué)21I4I()dCosxD條紋間距（寬度）：條紋間距（寬度）： x Dd 單色光各級明、暗條紋寬度相同，單色光各級明、暗條紋寬度相同，不同波長的光條紋寬度不同。不同波長的光條紋寬度不同。條紋亮度：條紋亮度：各級明條紋亮度相同。各級明條紋亮度相同。物理學(xué)洛埃鏡實(shí)驗(yàn)洛埃鏡實(shí)驗(yàn)1sPM2sdDPL半波損失半波損失 ：光從光疏媒質(zhì)（光從光疏媒質(zhì)（n n較小較?。┥湎蚬饷苊劫|(zhì)（）射向光密媒質(zhì)（n n較大較大）時(shí)，時(shí)，反射光反射光的相位較之入射光的相位躍變了的相位較之入射光的相位躍變了 ，相當(dāng)于反，相當(dāng)于反射光與入射光之間

4、附加了半個(gè)波長的波程差，稱為射光與入射光之間附加了半個(gè)波長的波程差，稱為半波損失半波損失。折射光沒有半波損失折射光沒有半波損失。物理學(xué)光程光程22C nCCCnrnr: C : C 真空中、介質(zhì)中、rnr.即光在介質(zhì)中傳播 的波程與其在真空中傳播的波程產(chǎn)生的相位差相同同一束光在不同的介質(zhì)中頻率不變。同一束光在不同的介質(zhì)中頻率不變。物理學(xué)光程：光程：nr光程差：光程差：=n2r2-n1r1本質(zhì)：把光在媒質(zhì)中的傳播折算成在真空中的傳播。本質(zhì)：把光在媒質(zhì)中的傳播折算成在真空中的傳播。相干光產(chǎn)生明、暗條紋的條件：相干光產(chǎn)生明、暗條紋的條件：112211221122rnrn2)rnrn(2)rr(2例1

5、：例11-12k k , (2k1) (2k1) , 2(k0,1,2,3.) 或時(shí)明條紋或時(shí)暗條紋物理學(xué)薄膜干涉薄膜干涉2nd-2 (21) 2(k0,1,2,3.) kk加強(qiáng)減弱1n1n2n12nn 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)2/ 考慮半波損失時(shí)，附加光程差取考慮半波損失時(shí)，附加光程差取 均可，符號不均可，符號不同，同， 取值不同，對問題實(shí)質(zhì)無影響取值不同，對問題實(shí)質(zhì)無影響. .k注意注意物理學(xué)例2：例11-2增透膜增透膜123nnn 23玻璃玻璃23nn d1n2n氟化鎂物理學(xué)11.2 光的衍射衍射現(xiàn)象：衍射現(xiàn)象： 只有當(dāng)波長與障礙物的線度可比擬 時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象?；莞够莞? -菲涅爾原

6、理菲涅爾原理 子波干涉夫瑯和費(fèi)單縫衍射：夫瑯和費(fèi)單縫衍射：光源、單縫、屏幕距離無窮遠(yuǎn)縫寬a、波長、焦距f、衍射角1L2LfaSRPOx物理學(xué)衍射角衍射角aofLABsinaPC對稱軸上為中央明條紋P點(diǎn)的干涉結(jié)果由A、B的光程差BC=aSin決定物理學(xué)ABAB分割為兩個(gè)半波帶分割為兩個(gè)半波帶：oABP半波帶法半波帶法1A2AC2/oPABLC1A2/L半波帶半波帶： BC上半個(gè)波長在AB上對應(yīng)的部分。ABAB分割為三個(gè)半波帶分割為三個(gè)半波帶：剩下一個(gè)半波帶無法抵消，所以P點(diǎn)為明條紋明條紋。對應(yīng)點(diǎn)的光程差為/2，所以互相抵消，P點(diǎn)為暗條紋暗條紋。22aSin23aSin物理學(xué)單縫衍射明、暗條紋的條

7、件：單縫衍射明、暗條紋的條件：aSin(2kaSin2 , , (k1,2,3.)1) 2k2 k 當(dāng)時(shí)當(dāng)暗條紋時(shí)明條紋: 2ff:aa中央明紋寬度其它明紋寬度x,S intgf當(dāng)很 小 時(shí)各級明條紋亮度各級明條紋亮度物理學(xué)光柵衍射光柵衍射 由許多由許多等寬度等寬度、等距離等距離的狹縫排列起來形成的光學(xué)元件的狹縫排列起來形成的光學(xué)元件. .PoLf衍射角衍射角物理學(xué)狹縫寬度：a 刻痕寬度：b 光柵常數(shù)光柵常數(shù)：d=a+b光柵衍射光柵衍射= =單縫衍涉單縫衍涉+ +多縫干涉多縫干涉光柵公式光柵公式（明條紋）（a+b）Sin=k (k=0，1，2，3)缺級現(xiàn)象缺級現(xiàn)象 單縫衍射為暗條紋時(shí)，即aSi

8、n=k時(shí)，干涉出現(xiàn)缺級。 即（a+ba+b）/a/a為整數(shù)時(shí)，發(fā)生為整數(shù)時(shí)，發(fā)生缺級缺級。光柵衍射光譜光柵衍射光譜例3：例11-4 kabak 物理學(xué) 光的光的波動性波動性 干涉、衍射。干涉、衍射。 光波是光波是橫波橫波 偏振、旋光。偏振、旋光。機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫機(jī)械波穿過狹縫11.3 11.3 光的偏振光的偏振物理學(xué)自然光自然光 偏振光偏振光自然光自然光 ：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個(gè)方向的光矢量：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個(gè)方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對稱）這樣的光叫自在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對稱）這樣的光叫自然光。然光。

9、 自然光以兩互相自然光以兩互相垂直垂直的、互為的、互為獨(dú)立獨(dú)立的、的、振幅相等振幅相等的光振動表示的光振動表示 , , 并各具有并各具有一半一半的振動能量的振動能量。符號表示符號表示C E注意注意 各光矢量間無固定的相位關(guān)系。各光矢量間無固定的相位關(guān)系。 二二互相互相垂直方向是任選的垂直方向是任選的。物理學(xué)完全完全偏振光偏振光（線偏振光線偏振光）：）：符號表示符號表示部分偏振光部分偏振光 ：某一方向的光振動比與之垂直方向上的某一方向的光振動比與之垂直方向上的 光振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光。光振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光。符號表示符號表示光振動只沿某一固定方向的光。光振動只沿某一固定方向的光。振動

10、面振動面 CE物理學(xué) 起起 偏偏偏振片偏振片 起偏與檢偏起偏與檢偏 二向色性二向色性 : :某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動 , , 而只讓與這個(gè)方向垂直的光振動通過。而只讓與這個(gè)方向垂直的光振動通過。偏振片偏振片 ：涂有二向色性材料的透明薄片。涂有二向色性材料的透明薄片。偏振化方向偏振化方向 ：偏振片中能讓光振動通過的某一偏振片中能讓光振動通過的某一 特定方向。特定方向。021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器物理學(xué)檢偏器檢偏器 檢檢 偏偏起偏器起偏器物理學(xué)馬呂斯定律馬呂斯定律NME0Ecos0EE 2020EEII檢偏器檢偏器起偏器起偏器0IIE0ENM20

11、cosII物理學(xué)例例4 有兩個(gè)偏振片有兩個(gè)偏振片, ,一個(gè)用作起偏器一個(gè)用作起偏器, , 一個(gè)用作檢偏器一個(gè)用作檢偏器. . 當(dāng)當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為它們偏振化方向間的夾角為 時(shí)時(shí) , , 一束單色自然光穿過它們一束單色自然光穿過它們, , 出射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為 ; ; 當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為 時(shí)時(shí), , 另一束另一束單色自然光穿過它們單色自然光穿過它們 , , 出射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為 , , 且且 . . 求兩束求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比單色自然光的強(qiáng)度之比 . .30601I2I21II 10I20I解：解： 設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)

12、度分別為 和和 . . 經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)分別為經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)分別為 和和 . .220I210I經(jīng)過檢偏器后經(jīng)過檢偏器后30cos22101II 60cos22202II 21012220cos01cos0363IIII物理學(xué)立體電影原理立體電影原理物理學(xué)物理學(xué)物理學(xué)旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)迎著出射光觀察：右旋右旋：順時(shí)針 左旋左旋：逆時(shí)針對旋光物質(zhì)：=dd：單位為分米 ：旋光率旋光率對旋光溶液： = cdc:濃度 單位為克/厘米3 ：比旋率（度）比旋率（度） 與物質(zhì)性質(zhì)、光波波長及溶液溫度有關(guān)旋光計(jì)旋光計(jì)TDTD物理學(xué)11.4 11.4 光的吸收光的吸收朗伯定律朗伯定律 ：吸收系數(shù)：

13、吸收系數(shù)朗伯朗伯- -比爾定律比爾定律對溶液：le00l0IIII lIIlndlIdIdlIdI0ccle0II 0IIdl物理學(xué)cl0eIIT令令透射比透射比 吸收度吸收度 消光系數(shù)消光系數(shù) 比色計(jì)比色計(jì) 分光光度計(jì)分光光度計(jì) 光譜分析光譜分析 logecllogTAlogeAcl物理學(xué) 干涉：干涉：楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉 薄膜干涉薄膜干涉、半波損失、半波損失、光程光程 衍射：夫瑯和費(fèi)單縫衍射衍射：夫瑯和費(fèi)單縫衍射 光柵公式、半波帶、缺級、色散光柵公式、半波帶、缺級、色散 偏振：偏振：馬呂斯定律馬呂斯定律、自然光、自然光、偏振光偏振光 旋光：左旋、右旋、比旋率旋光：左旋、右旋、比旋率 吸

14、收：朗伯吸收：朗伯-比爾定律、吸收度比爾定律、吸收度本章小結(jié) 物理學(xué)11-2、11-11作業(yè)作業(yè)物理學(xué)EHC電電 磁磁 波波物理學(xué)400450500550600650760nm 紫紫 藍(lán)藍(lán) 綠綠 黃黃 橙橙 紅紅可可 見見 光光 譜譜物理學(xué)條紋位置與波長的關(guān)系：條紋位置與波長的關(guān)系：物理學(xué)r2345234004II光光 強(qiáng)強(qiáng) 分分 布布 圖圖0dd2dd4dd2dd4x物理學(xué)圓孔衍射圓孔衍射單縫衍射單縫衍射PH*S光的衍射現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象G*S物理學(xué)菲涅爾衍射和夫瑯和費(fèi)衍射菲涅爾衍射和夫瑯和費(fèi)衍射夫夫 瑯瑯 和和 費(fèi)費(fèi) 衍衍 射射光源、屏與縫相距無限遠(yuǎn)光源、屏與縫相距無限遠(yuǎn)縫縫1L2L在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯和費(fèi)衍射夫瑯和費(fèi)衍射SRP菲菲 涅涅 爾爾 衍衍 射射縫縫PS 光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)物理學(xué)sinIobb2b3bb2b3單縫衍射各級條紋亮度單縫衍射各級條紋亮度物理學(xué)sin0I入射光為入射光為白光白光時(shí)，時(shí)， 不同，不同， 不同，按波長分開形成不同，按波長分開形成彩色光譜彩色光譜. .k