第3章 無處不在的波3：波動光學(xué)

§3-4光的反射、折射和全反射一、惠更斯原理

媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。(適用于機(jī)械波和電磁波)惠更斯原理的缺陷：能定性給出波的傳播方向和干涉、折射、衍射的解釋，但不能定量地解釋，不能解釋為什么沒有后退波，也不能給出傳播的能量。

二、反射定律反射定律：波在媒質(zhì)介面上傳播時(shí)，入射角等于反射角，入射線反射線及介面的法線均在同一平面內(nèi)。界面反射定律三、兩媒質(zhì)界面上光的折射1、光速：

真空:3、折射定律:

“1”“2”折射定律：波經(jīng)過兩種媒質(zhì)介面進(jìn)行折射（媒質(zhì)“1”進(jìn)入媒質(zhì)“2”）時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比等到于波在第一種媒質(zhì)中的波速與在第二種媒質(zhì)中的波速之比2、折射率:

4、反射率R:

對透明物質(zhì)，的光被反射，折射折射率:（1－R）為什么有的物質(zhì)亮晶晶？有的物質(zhì)黯淡無光四、全反射

1、光疏媒質(zhì)和光密媒質(zhì)

“1”為光疏媒質(zhì)“2”為光密媒質(zhì)

2、全反射：當(dāng)光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)，光線被100%反射的現(xiàn)象“1”“2”3、臨界角：

4、

光纖導(dǎo)光原理：全反射光纖結(jié)構(gòu)示意圖：纖芯：5~75μm摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小包層:總直徑為100~200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2

涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光護(hù)套：尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖纖芯包層涂敷層護(hù)套§3.5光的干涉、衍射和偏振

一、光的干涉2、

光的相干條件：同頻率、同振動方向、相位差恒定1、光矢量3、光程與光程差1)光程:媒質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=物理意義：光程就是光在媒質(zhì)中通過的幾何路程,按波數(shù)相等折合到真空中的路程.2）光程差(兩光程之差)光程差如果4、

光的相長干涉和相消干涉的條件

K=0,1,2…（加強(qiáng)，相長）K=0,1,2…（減弱，相消）如果

K=0,1,2…（加強(qiáng)，相長）K=0,1,2…（減弱，相消）1）相位條件2）光程差條件P分割振幅法相干光源來源于同一波面相干光源來源于同一光線（振幅）分割波面法SoS1S25、相干光的獲得方法“一分為二”法1）分波陣面法2)分振幅法三楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)p實(shí)驗(yàn)裝置波程差加強(qiáng)p實(shí)驗(yàn)裝置減弱加強(qiáng)暗紋明紋地面彩色油膜肥皂泡上的彩色條紋四、薄膜干涉及其應(yīng)用擴(kuò)展光源眼盯著表面透明薄膜S1S2abn1n2n1n1n2n1BCAD擴(kuò)展光源眼透明薄膜S1S2abcdn2n12、薄膜干涉的成因及干涉條件

4、

應(yīng)用：測波長，測薄膜厚度，檢驗(yàn)光學(xué)玻璃的平整度，增透增反等接近垂直入射或掠入射的情況（作圖時(shí)進(jìn)行了夸張）被檢體被檢體被檢體被檢體舉例：1）檢查平面與直角：被檢體被檢體標(biāo)準(zhǔn)角規(guī)標(biāo)準(zhǔn)角規(guī)dL紙2）測量微小厚度和微小厚度變化3）增透增反膜五、光的衍射和分辨本領(lǐng)

1、

光的衍射“室內(nèi)講話，墻外有耳”當(dāng)光遇到障礙物時(shí)，偏離直線傳播的現(xiàn)象1）衍射現(xiàn)象2）分類：a、單縫衍射特點(diǎn)：中央明紋很寬、亮，90％以上的亮度集中在中央亮紋a}中央亮紋中央亮紋的寬度b、圓孔衍射D中央亮斑中央亮斑：愛里斑愛里斑的半角寬度3）惠更斯－菲涅耳原理圓孔衍射單縫衍射**d、衍射公式c、光柵衍射的特點(diǎn)：細(xì)、亮、疏e、應(yīng)用：1）光柵光譜儀2）x射線衍射2、衍射光柵a、光柵：由大量的等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件b、光柵工作原理：單縫衍射基礎(chǔ)上的多縫干涉

3、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

1）愛里斑的半角寬度

愛里斑SD一個(gè)發(fā)光物點(diǎn)的愛里斑中心恰好與另一發(fā)光物點(diǎn)的第一個(gè)暗紋重合時(shí)，這兩個(gè)發(fā)光物點(diǎn)剛好能被分辨。

2）瑞利判據(jù)3）最小分辨角：

兩物點(diǎn)對透鏡光心的張角能分辨。

光學(xué)儀器的通光孔徑4）分辯率：

1990年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角，在大氣層外615km

高空繞地運(yùn)行,可觀察130億光年遠(yuǎn)的太空深處,發(fā)現(xiàn)了500億個(gè)星系.波長電子波長：0.010.1nm

，是光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)的105倍∴電子顯微鏡分辨本領(lǐng)很高，可觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微鏡:使用的紫光照射物體進(jìn)行顯微觀察，最小分辨距離為200nm，最大放大倍數(shù)為2000

1971年，諾貝爾物理學(xué)獎授予英國倫敦帝國科技學(xué)院的匈牙利裔物理學(xué)家伽博（DennisGa

bor,1900--1979），以表彰他發(fā)明和發(fā)展了全息術(shù)。六、全息照相

既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波的位相信息。這種記錄光波全部信息的照相稱為：全息照相。光的波動信息：1、基本原理

將一束相干光（激光）垂直地照射在兩條平行狹縫S1和S2上，通過S1和S2發(fā)出的兩束光在屏幕P上疊加成干涉條紋。如果把狹縫S2看作物體，S1作為參考光源，則屏幕P上的干涉條紋就是物體S2的全息圖。S2

PS1S1S2

為了得到的再現(xiàn)像S2，只須仍用參考光束S1去照明上述的全息照片P（即光柵版）。S1S2PS'2反射鏡2、全息照片的攝制與再現(xiàn)裝置全息照片激光束激光束參考光束物光束攝制過程：虛象激光束物象再現(xiàn)過程：全息照片實(shí)象物光激光器L分光鏡L’反射鏡M2透鏡L2反射鏡M1參考光感光膠片透鏡L1七、有趣的偏振光1、偏振：光振動方向?qū)鞑シ较虿粚ΨQ性，是橫波與縱波的重要區(qū)別。2、偏振光、部分偏振光、自然光、1）偏振光：光矢量只沿垂直于傳播方向的某一平面內(nèi)振動。表示方法：2）部分偏振光：某方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢表示方法：3）自然光：在空間各個(gè)取向上，電矢量的時(shí)間平均值都相等的光表示方法：O偏振片：能吸收某一方向的光振動，而讓與之垂直方向的光振動通過的薄片。

3、偏振片的起偏和檢偏

根據(jù)用途不同，偏振片可分為起偏器和檢偏器起偏器：產(chǎn)生偏振光檢偏器：檢驗(yàn)偏振光

4、馬呂斯定律透射光的光強(qiáng)5、布儒斯特定律反射光為完全偏振光布儒斯特角偏振光的應(yīng)用1）防止對面來的燈光耀眼2）放立體電影原理：利用人眼的雙眼效應(yīng)§3-6無線電波、廣播和電視一、無線電波：波長最長的電磁波例:廣播電臺：中波（535—1605kHz），短波（2—24MHz）；亞太地區(qū)衛(wèi)星廣播（11.7-12.2kMHz）；調(diào)頻廣播（88——108MHz）電視、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星通訊等：微波段：幾千兆赫）?！?-6無線電波、廣播和電視一、無線電波：波長最長的電磁波例:廣播電臺：中波（535—1605kHz），短波（2—24MHz）；亞太地區(qū)衛(wèi)星廣播（11.7-12.2kMHz）；調(diào)頻廣播（88——108MHz）電視、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星通訊等：微波段：幾千兆赫）。微波短波中波長波不同的波段對應(yīng)不同的傳播方式和應(yīng)用領(lǐng)域長波：超長波（100~10Km）（3~30KHz）用于水下通信，因?yàn)樵囼?yàn)表明，無線電波在海水中的衰減是很大的，而且波長越短（頻率越高）衰減就越大。所以海底通信用超長波。核爆炸時(shí)會產(chǎn)生超長波，所以用超長波無線電能夠測出在何處進(jìn)行了核爆炸試驗(yàn)。長波（10~1Km）（30~300KHz），是人類最早使用的通信波段，可謂老資格的信息載體，它已為人類服務(wù)了近100年，近年來，由于其他波段的通信方法日益成熟，長波通信逐漸被淘汰，現(xiàn)在保留的主要用于導(dǎo)航、報(bào)時(shí)。中波（100~1000m）是人們熟悉的波段，是大眾媒介的信息渠道，國際電信聯(lián)盟規(guī)定526.5~1605.2千赫專供無線電廣播用，平時(shí)我們就在這個(gè)波段收聽廣播。短波（1~100m），短波廣播能遠(yuǎn)距離傳送，因?yàn)樵诘孛?0千米上空有一電離層。

長短距離的通信、廣播微波（1~10－4m），又稱米波，由于頻率高，所以通信容量大，可以傳輸大容量的電視（TV）信號。微波導(dǎo)航，廣播、導(dǎo)航二、無線電波的傳播地球發(fā)射天線接收天線接收天線空間波天波電離層60～20000km1、地波傳播：中長波2、天波傳播：短波3、空間波：微波與超短波三、無線電廣播、電視、傳真1、發(fā)射廣播：聲音信號傳真：文字和圖象電視：圖象、聲音a、將目標(biāo)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄕ{(diào)制波：頻