大學(xué)物理課件：第13章 光波的干涉

第13章光波的干涉一,光源(自然光)第1節(jié)光波1，我們通常所接觸到的光叫自然光。太陽光直射區(qū)域外的光從哪里來的？而太陽發(fā)出的光實(shí)際上是原子或分子發(fā)出的光

一般的燈光也是原子或分子發(fā)出,所以燈光也可算是自然光。主要是指太陽光和與太陽光有關(guān)的光由空氣分子散射太陽光而來——即所謂散射光1，我們通常所接觸到的光叫自然光。2，自然光是白色的由很多種不同顏色的光組成，Color單一的光叫單色光。所有的不同顏色的光組成的排列叫光譜。譜取音樂中樂譜的“譜”意一,光源(自然光)第1節(jié)光波1，我們通常所接觸到的光叫自然光。2，自然光是白色的由很多種不同顏色的光組成，Color單一的光叫單色光。所有的不同顏色的光組成的排列叫光譜。一,光源(自然光)第1節(jié)光波3，光是電磁波，叫光波。光是一種電磁波。可見光的源是原子或分子光有波的所有特性：波長l，頻率n，能量密度w，波速—光速c，周期T。光的顏色光的頻率

一,光源(自然光)第1節(jié)光波4，自然光遠(yuǎn)比機(jī)械波復(fù)雜,表現(xiàn)如下：◆自然光由不同頻率的光組合而成

◆自然光由原子輻射產(chǎn)生，原子一次輻射時(shí)間極短，10-9~10-8秒，所產(chǎn)生光波波列只有0.1~1米長?！糇匀还庹駝臃较蛲耆s亂無章，各方向振動幾率相等

◆自然光的傳播方向雜亂無章所有復(fù)雜性來自于可見光的源是原子，太多太小，難以操控一,光源(自然光)第1節(jié)光波1，光是一種波，叫光波。光有波的所有特性：l，n，能量密度w，波速—c，周期T。早期人們描述光波的函數(shù)為但是，不知道y

的單位。三,光波的描述第1節(jié)光波3，光是一種波，叫光波。光有波的所有特性：波長l，頻率n，能量密度w，波速—光速c，周期T。早期人們描述光波的函數(shù)為現(xiàn)在人們知道光是一種電磁波，（平面波）其中（球面波）（柱面波）的電場，因人眼對光的感覺主要通過電磁波故用電場表示光，后面，我們統(tǒng)一用字母y表示電場各分量。三,光波的描述第1節(jié)光波◆光波波列：一個(gè)原子或分子在一次發(fā)光(能量躍遷)中所發(fā)出的光。4，幾個(gè)常用的光的稱呼

原子一次發(fā)光持續(xù)時(shí)間約10-9~10-8s，光速為3×103

m/s，一個(gè)波列的長度為1m左右。光波波列方向是確定的◆光束：大量的、定向的、通光截面有限的光波波列。圖象如下：◆光線：一個(gè)光波波列所走過的軌跡。或，通光截面無限小的光束。~1mDS三,光波的描述第1節(jié)光波

電磁波的能流密度

S=uw=cw~E2~B2，光是電磁波，所以光的能流密度

S~E2。光強(qiáng)其實(shí)是光的能流密度。但光頻率高達(dá)1014hz，這么高的頻率隨時(shí)間變化根本無法測量，所以光強(qiáng)一般指時(shí)間平均值(有效值)，即5，光強(qiáng)三,光波的描述第1節(jié)光波

在實(shí)驗(yàn)中，人們往往需要非常非常短促、通光界面非常非常小的光，趨近一個(gè)光列，以研究光的某些性質(zhì)。但自然光由多種單色光組成，所以這樣的光實(shí)際上是一個(gè)波包：而且其頻率與波束持續(xù)時(shí)間有下列關(guān)系三,光波的描述第1節(jié)光波

光波與電磁波一樣，滿足疊加原理，即一/二,,光波的疊加原理第2節(jié)光波的疊加

在①線性的、②各向同性的介質(zhì)中，任何兩列光可以疊加。

或者說，在①線性的、②各向同性的介質(zhì)中，任何光都可以通過不同頻率的光疊加而成。三,干涉

光在線性介質(zhì)中相遇時(shí)，條件不同，疊加結(jié)果不一樣。

兩個(gè)探照燈光相遇沒特殊現(xiàn)象，但肥皂泡出現(xiàn)彩色。

因?yàn)?，兩列探照燈的光不滿足干涉條件，而肥皂泡的光滿足干涉條件。1，頻率相同；2，振動方向一致；3，相位穩(wěn)定。這樣的兩列光叫做相干光。光的干涉條件與機(jī)械波的一樣第2節(jié)光波的疊加

提到光的干涉，自然想到讓光通過兩小孔使其干涉，但無論人們?nèi)绾螤I造暗室，就是看不到干涉條紋。是不是光不相干呢？

實(shí)際上，通過兩小孔的光是大量原子或分子發(fā)出的大量斷斷續(xù)續(xù)的光波波列。不是。也就是說：通過兩個(gè)小孔的光是獨(dú)立的光源發(fā)出的光。第2節(jié)光波的疊加三,干涉

提到光的干涉，自然想到讓光通過兩小孔使其干涉，但無論人們?nèi)绾螤I造暗室，就是看不到干涉條紋。

可是，這些偶爾干涉的波列相遇的時(shí)間很短(10-9s)，測量儀器相應(yīng)時(shí)間Dt很難保證<Dt,雖然光波干涉了,儀器卻測不出來。是不是光不相干呢？

實(shí)際上，通過兩小孔的光是大量原子或分子發(fā)出的大量斷斷續(xù)續(xù)的光波波列。不是。

這導(dǎo)致光的波動學(xué)說很遲才得到驗(yàn)證。

可以想象：某個(gè)時(shí)刻在測量儀器相遇的某兩列光波波列之間相位差穩(wěn)定還是容易保證，盡管保證頻率和振動方向一致不易。但是因通過的波列極多，從中找到頻率相同和振動方向一致的一對波列也不難。也就是說，通過兩小孔的光還是能夠偶爾發(fā)生干涉。第2節(jié)光波的疊加三,干涉

托馬斯·楊(ThomasYoung，1773~1829)，英國醫(yī)生。不僅在物理學(xué)領(lǐng)域名享世界，而且涉獵光學(xué)、聲學(xué)、流體力學(xué)、造船工程、潮汐理論、毛細(xì)作用、用擺測量引力、虹的理論，力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、語言學(xué)、動物學(xué)、埃及學(xué)……他還對藝術(shù)頗有興趣，熱愛美術(shù)，幾乎會演奏當(dāng)時(shí)的所有樂器，并且會制造天文器材，還研究了保險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)問題。而且托馬斯·楊擅長騎馬，并且會耍雜技走鋼絲。這是一個(gè)將科學(xué)和藝術(shù)并列研究、對生活充滿熱望的天才，幾乎可以這樣說：他生命中的每一天都沒有虛度。

但是托馬斯.楊卻巧妙地解決了這個(gè)問題。第2節(jié)光波的疊加三,干涉楊實(shí)驗(yàn)之所以能夠?qū)嵺`光的干涉，得益于前置的衍射屏1。

楊實(shí)驗(yàn)是在不了解自然光特性的基礎(chǔ)上做的，他能夠得到的啟示只有惠更斯原理，所以其實(shí)驗(yàn)在某種程度上可以說得益于物理直覺和運(yùn)氣。衍射屏1衍射屏2觀測屏

但是托馬斯.楊卻巧妙地解決了這個(gè)問題。楊怎么實(shí)踐光的干涉呢？楊設(shè)計(jì)了下圖所示的實(shí)驗(yàn)：衍射屏1的作用是：

無論你光波波列多么地窄小，都能把你衍射(惠更斯原理)成一個(gè)球面波。光軸第2節(jié)光波的疊加三,干涉楊實(shí)驗(yàn)之所以能夠?qū)嵺`光的干涉，得益于前置的衍射屏1。

楊實(shí)驗(yàn)是在不了解自然光特性的basic上做的，他能夠得到的啟示只有惠更斯原理，所以其實(shí)驗(yàn)在某種程度上可以說得益于物理直覺和運(yùn)氣。

但是托馬斯.楊卻巧妙地解決了這個(gè)問題。楊怎么實(shí)踐光的干涉呢？楊設(shè)計(jì)了下圖所示的實(shí)驗(yàn)：衍射屏1的作用是：

無論你光波波列多么地窄小，都能把你衍射(惠更斯原理)成一個(gè)球面波。第2節(jié)光波的疊加三,干涉經(jīng)過衍射屏2后的光波是球面波，波函數(shù)可寫成其中yzy為電場各分量第2節(jié)光波的疊加三,干涉其中這里為了計(jì)算方便我們采取復(fù)函數(shù)經(jīng)過衍射屏2后的光波是球面波，波函數(shù)可寫成yz第2節(jié)光波的疊加三,干涉其中為了簡便，寫成經(jīng)過衍射屏2后的光波是球面波，波函數(shù)可寫成yz？第2節(jié)光波的疊加三,干涉其中為了簡便，寫成在P點(diǎn)，其中波落實(shí)為振動，P經(jīng)過衍射屏2后的光波是球面波，波函數(shù)可寫成yz第2節(jié)光波的疊加三,干涉其中Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉其中這是振動，可以合成。我們只關(guān)心光的強(qiáng)度，Pyz？第2節(jié)光波的疊加三,干涉Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉干涉項(xiàng)取決于DjPyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉光程差Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉取決于光程差Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉當(dāng)時(shí)，時(shí)，增強(qiáng)；減弱；或當(dāng)時(shí)，時(shí)，光強(qiáng)增強(qiáng)；光強(qiáng)減弱。Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉

當(dāng)兩列光強(qiáng)度相同時(shí)，Pyz第2節(jié)光波的疊加三,干涉一,分波陣面干涉

當(dāng)兩列光強(qiáng)度相同時(shí)，

用twotinyholes干涉實(shí)驗(yàn)顯示出來的條紋:Pyz第3節(jié)分波陣面干涉雙孔干涉比較復(fù)雜Pyz第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉xOydSD第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉xOydSD第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉xOydSD時(shí)，時(shí)，增強(qiáng),明紋；減弱，暗紋。05l-5ldI?

Why兩頭條紋比之間條紋亮度弱些第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉明紋位置為暗紋位置為條紋間距都為xOydSD05l-5ldI時(shí)，時(shí)，增強(qiáng),明紋；減弱，暗紋。(1)明紋間距相同，明紋間距也相同；d大到一定程度，條紋全集中到屏中心；(2)D、一定,

(3)D、d一定,若白光入射，每一級都是彩色條紋分布（中央極大除外）同一級條紋(4)

，由此可測出各種光波的波長。

反之也成立；——色散；第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉【解】（2）設(shè)未放玻璃前光程差為加玻璃后光程差增加了【注】若測得x，則可求出n。比較兩種情況下零極明條紋的位置未放玻璃放玻璃可得（1）根據(jù)【例】已知楊氏實(shí)驗(yàn)中=0.55m，d=3.3mm，D=3m。求：（1）條紋間距x。1S2S（2）置厚度l=0.01mm的平面玻璃于S2前，條紋移動距離及方向？第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉焦平面x時(shí)，時(shí)，明紋；暗紋。第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉1，楊氏雙縫干涉S’r2r1P1P2SAB洛埃鏡

干涉區(qū)2，洛埃鏡干涉第3節(jié)分波陣面干涉一,分波陣面干涉SM洛埃鏡

明暗條紋的位置：半波損r2r12，洛埃鏡干涉第3節(jié)