光是如何傳播

光是如何傳播第1頁/共110頁一光線和光束光線:表示光傳播途徑的幾何線。在均勻的各向同性介質(zhì)中，光線是垂直于波陣面的直線。例如，從點(diǎn)光源發(fā)出的光，它的每條光線就是以光源為中心的球的徑線；在遠(yuǎn)離光源的地方，光的波陣面趨于平面，每條光線近似于相互平行的線。第2頁/共109頁第2頁/共110頁一光線和光束光束:光波波面的法線的集合。單心光束（或同心光束）:

由點(diǎn)光源的光構(gòu)成的光束。實(shí)際物體的每一點(diǎn)都發(fā)出一個(gè)單心光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，如果仍保持為單心光束，則這個(gè)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后光束的心叫做光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物點(diǎn)成的像。第3頁/共109頁第3頁/共110頁二光的直線傳播在同一種各向同性的均勻介質(zhì)中，光在兩點(diǎn)之間總是沿著連接這兩點(diǎn)的直線傳播的。光的直線傳播，是幾何光學(xué)的基本規(guī)律之一。光照射到不透明物體時(shí)，在物體后面產(chǎn)生影子，以及小孔成像現(xiàn)象，都是光的直線傳播的例證。光的直線傳播規(guī)律適用的范圍是，障礙物或孔的線度（光波的波長）。普通光學(xué)儀器，如投影機(jī)、照相機(jī)、潛望鏡、望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，都是以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)的。第4頁/共109頁第4頁/共110頁早在春秋戰(zhàn)國時(shí)《墨經(jīng)》記載了小孔成像的實(shí)驗(yàn)：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下”。這里“光之人，煦若射”是一句很形象的比喻?！办恪奔凑丈?，照射在人身上的光線，就像射箭一樣?！跋抡咧艘哺?；高者之人也下”是說照射在人上部的光線，則成像于下部；而照射在人下部的光線，則成像于上部。直立的人通過小孔成像，投影便成為倒立的。二光的直線傳播第5頁/共109頁第5頁/共110頁三光程與光程差實(shí)驗(yàn)測得頻率為ν，波長為λ的光在真空中的速度為在介質(zhì)中的速度降為兩束光在介質(zhì)中的路程（波程）r與波長之比介質(zhì)的折射率光在介質(zhì)中的波長光程:折射率n與光的幾何路程r之積nr。光程就是光在介質(zhì)中通過的幾何路程,按波數(shù)相等折合到真空中的路程。光程差:兩束光的光程之差。第6頁/共109頁第6頁/共110頁7.2光的反射和折射一光的反射定律二光的折射定律三海市蜃樓四虹和光的色彩第7頁/共109頁第7頁/共110頁一光的反射定律公元前2000年夏初的齊家文化時(shí)期已經(jīng)制造出金屬反射鏡，作為鏡子使用。后來出現(xiàn)了各種平面鏡、凹面鏡和凸面鏡以及“透光鏡”。這種透光鏡在陽光照射下其背面的圖文能映到墻上。春秋早期已用陽燧（凹面鏡）來聚光。鏡的利用為光的反射的研究創(chuàng)造了良好的條件。

第8頁/共109頁第8頁/共110頁一光的反射定律平面鏡反射成像《墨經(jīng)》中記載：“景迎日，說在轉(zhuǎn)”。說明像投在迎向太陽的一邊，是因?yàn)槿展饨?jīng)過鏡子的反射而轉(zhuǎn)變了方向。點(diǎn)光源發(fā)射出的發(fā)散光照射在平面鏡上時(shí)，其反射光也是發(fā)散光。所有反射光的反向延長線仍交于一點(diǎn)（像點(diǎn)）。由于不是實(shí)際光線相交所成的像，所以平面鏡所成的像是虛像。第9頁/共109頁第9頁/共110頁一光的反射定律平面鏡所成的像與物是以鏡面為軸的對(duì)稱圖形.即平面鏡是物和像連線的中垂面。平面鏡成像的特點(diǎn)：（1）成的是正立等大的虛像；（2）像和物的連線與鏡面垂直；（3）像和物到鏡的距離相等。第10頁/共109頁第10頁/共110頁一光的反射定律平面鏡組合成像《莊子·天下篇》中記載：“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無窮”。生動(dòng)地描述了光線在兩鏡之間彼此往復(fù)反射，形成許許多多像的情景?！痘茨先f畢術(shù)》記載：“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣”。將兩個(gè)平面鏡如圖放置即成潛望鏡，用以窺探海面或地面上的活動(dòng)。

第11頁/共109頁第11頁/共110頁一光的反射定律凸面鏡成像的規(guī)律《墨經(jīng)》中敘述為：“鑒團(tuán)，景一，說在刑之大”。經(jīng)說中進(jìn)一步解釋說：“鑒，鑒者近，則所鑒大，景亦大，其遠(yuǎn)，所鑒小，景亦小，而必正”。它說明物體經(jīng)凸面鏡總成一種縮小而正立的像。例:鑰匙經(jīng)凸面鏡反射在另一側(cè)成一正立的虛像。第12頁/共109頁第12頁/共110頁一光的反射定律凹面鏡的作用《淮南子·天文訓(xùn)》記載：“陽燧見日則燃而為火”。這說明我國古代已認(rèn)識(shí)到平行光線可會(huì)聚于凹面鏡的焦點(diǎn)。太陽灶是利用太陽能的主要用具。第13頁/共109頁第13頁/共110頁一光的反射定律凹面鏡成像《墨經(jīng)》記載：“鑒洼，景一小而易，一大而正，說在中之外、內(nèi)”?！爸小敝附裹c(diǎn)和球心之間。物在“中”之內(nèi)，得到比物體大而正立的虛像;物在“中”之外，得到比物體大而倒立的實(shí)像。第14頁/共109頁第14頁/共110頁一光的反射定律約公元前300多年，古希臘哲學(xué)家柏拉圖曾講授過關(guān)于光的直線傳播以及入射角和反射角相等的知識(shí)。歐幾里得在《反射光學(xué)》一書中，明確提出了光的直進(jìn)性，較深入地探討了反射現(xiàn)象，提出“入射光和出射光分別與法線成相等的角”，并由此出發(fā)討論了平面鏡成像，凹、凸面鏡成像，還論述了凹面鏡焦點(diǎn)的概念。公元8世紀(jì)，阿拉伯科學(xué)家阿爾哈曾在《光學(xué)寶鑒》一書中指出：在反射現(xiàn)象中，除反射角等于入射角之外，反射光線必在入射光線與界面法線所確定的平面內(nèi)。從而完善了反射定律。

第15頁/共109頁第15頁/共110頁一光的反射定律光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)的交界面時(shí)，一部分光返回原來介質(zhì)中，使光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為光的反射。光的反射定律：反射光線與入射光線、法線在同一平面上；反射光線和入射光線分居在法線的兩側(cè)；反射角等于入射角。簡記為：“三線共面，兩線分居，兩角相等”。入射角反射角第16頁/共109頁第16頁/共110頁二光的折射定律最早研究折射現(xiàn)象的是古羅馬科學(xué)家托勒密。他首次較精確地測量了折射現(xiàn)象中的入射角和折射角，得出折射角正比于入射角的結(jié)論。托勒密的折射定律在歐洲流行了1400多年，直到1611年，開普勒發(fā)表《屈光學(xué)》以后，對(duì)折射定律才有新的認(rèn)識(shí)。開普勒指出：托勒密的折射定律在入射角小于30°時(shí)成立，大于30°時(shí)不成立。他認(rèn)為折射角由兩部分組成，一部分正比于入射角，另一部分正比于入射角的正割。

第17頁/共109頁第17頁/共110頁二光的折射定律1615年，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳精心地進(jìn)行了折射實(shí)驗(yàn)，并用幾何作圖法結(jié)合數(shù)學(xué)推演，發(fā)現(xiàn)光線由空氣射向某種介質(zhì)時(shí)，對(duì)于任意入射角，它的余割與折射角的余割之比保持相同的值。1637年，法國科學(xué)家笛卡兒在《屈光學(xué)》一書中以運(yùn)動(dòng)的小球比喻光，認(rèn)為當(dāng)光（小球）由一種介質(zhì)斜入射到另一介質(zhì)時(shí)，其切向速度分量（平行界面）不發(fā)生變化，而法向速度分量（垂直界面）發(fā)生變化。笛卡兒得出：在折射現(xiàn)象中，入射角的正弦與折射角正弦之比為一常數(shù)。第18頁/共109頁第18頁/共110頁二光的折射定律1662年，費(fèi)馬根據(jù)自己提出的費(fèi)馬原理—光線在空間兩點(diǎn)傳播的時(shí)間必取最小值，結(jié)合幾何作圖法推導(dǎo)出折射定律確切的表達(dá)式。如圖，光在折射率為n1

的介質(zhì)中入射到介質(zhì)折射率為n2的交界面時(shí)，一部分光進(jìn)入折射率為n2的介質(zhì)中發(fā)生折射。光的折射定律:入射角折射角第19頁/共109頁第19頁/共110頁二光的折射定律介質(zhì)的折射率定義：光在真空中的相速度與光在介質(zhì)中的相速度之比值。

兩種介質(zhì)進(jìn)行比較時(shí)，折射率較大的稱為光密介質(zhì)，折射率較小的稱為光疏介質(zhì)。光在折射率較大的光密介質(zhì)中的相速度較小，使入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng)。

第20頁/共109頁第20頁/共110頁二光的折射定律全反射如果n1>n2

且i2=90°，ic稱為臨界角。當(dāng)入射角會(huì)發(fā)生全反射。光纖通信利用的就是全反射。第21頁/共109頁第21頁/共110頁三海市蜃樓在平靜的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等地方，偶爾會(huì)在空中出現(xiàn)高大樓臺(tái)、城廓、樹木等幻景，稱海市蜃樓。第22頁/共109頁第22頁/共110頁三海市蜃樓海市蜃樓是一種反常的折射現(xiàn)象。它是光線在垂直方向密度不同的大氣層中傳播，經(jīng)過折射造成的結(jié)果。因?yàn)楹Ｋ砻嬲舭l(fā)時(shí)要消耗熱量同時(shí)海水溫度的升高緩慢，而在冰雪覆蓋的地區(qū)由于冰雪面能將大部分太陽光反射掉同時(shí)冰雪融化時(shí)也要消耗大量熱量，致使下層的溫度變得很低，因此在這些地方最容易出現(xiàn)強(qiáng)烈的逆溫現(xiàn)象。光線在這種氣溫隨高度升高因而使空氣密度隨高度銳減的氣層中傳播，會(huì)向下屈折，遠(yuǎn)方地平線處的樓宇等的光線經(jīng)折射進(jìn)入觀測者眼簾，便出現(xiàn)了海市蜃樓。

第23頁/共109頁第23頁/共110頁四虹和光的色彩天空中常常會(huì)出現(xiàn)的七色彩虹和日暈。為什么光會(huì)有不同的顏色呢?

第24頁/共109頁第24頁/共110頁四虹和光的色彩1666年，牛頓用三棱鏡進(jìn)行分解太陽光的色散實(shí)驗(yàn)。他在窗板上開一個(gè)圓形小孔，讓太陽光射入，在小孔前放一塊三棱鏡，在對(duì)面墻上看到鮮艷的像彩虹一樣的七色彩帶，這七種顏色由上到下依次排列為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。難道陽光是由這七種顏色的光組成的嗎?第25頁/共109頁第25頁/共110頁四虹和光的色彩牛頓想，如果白光是七種顏色光組成的，一塊三棱鏡能把白光分解，那么再用一塊三棱鏡也可能使這些彩色的光復(fù)原為白光。實(shí)驗(yàn)成功了，七色光帶又變成了白光。白光一定是這七種顏色的光組成的。三棱鏡能分解太陽光是由于各色光相對(duì)三棱鏡有不同的折射率的結(jié)果。牛頓的三棱鏡分解太陽光實(shí)驗(yàn)的成功為后來的光學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。第26頁/共109頁第26頁/共110頁7.3光的衍射一光的衍射現(xiàn)象二惠更斯—菲涅爾原理三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射四助視儀器的分辨本領(lǐng)第27頁/共109頁第27頁/共110頁一光的衍射現(xiàn)象從17世紀(jì)開始發(fā)現(xiàn)不完全符合光直線傳播的現(xiàn)象。在小孔、狹縫或其他很小障礙物的情況下，由于它限制光波的波陣面，光將偏離直線傳播的規(guī)律，有光進(jìn)入影內(nèi)并且影外的光強(qiáng)分布也不均勻，在光屏上形成明暗相間的圓環(huán)或條紋，這就是光的衍射現(xiàn)象。也稱為光的繞射。

第28頁/共109頁第28頁/共110頁二惠更斯—菲涅爾原理1690年惠更斯提出惠更斯原理：波前上的每一點(diǎn)都可以看作是發(fā)出球面子波的新的波源，這些子波的包絡(luò)面就是下一時(shí)刻的波前。

第29頁/共109頁第29頁/共110頁二惠更斯—菲涅爾原理1818年，菲涅耳進(jìn)一步指出：從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波，在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí)，各個(gè)子波之間可以相互疊加。這稱為惠更斯－菲涅耳原理。菲涅爾還指出：子波在任意一點(diǎn)P處引起的振動(dòng)振幅A與t時(shí)刻波面S上面元的面積成正比，與距離r成反比，并與θ角有關(guān)。θ角是子波傳播方向與面元的法線方向之間的夾角。衍射是由各子波在P點(diǎn)的振幅疊加決定的。

第30頁/共109頁第30頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射當(dāng)光源和觀察衍射現(xiàn)象的屏離單縫均為無限遠(yuǎn)或相當(dāng)于無限遠(yuǎn)時(shí)，入射光和衍射光均為平行光，這種衍射現(xiàn)象稱為單縫夫瑯禾費(fèi)衍射。當(dāng)一束平行光垂直照射寬度可與光的波長相比較的單狹縫時(shí)，會(huì)繞過縫的邊緣向陰影區(qū)衍射。實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)在屏P上形成衍射條紋。第31頁/共109頁第31頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射在這種條件下，光屏上光強(qiáng)的分布規(guī)律原則上可以用惠更斯-菲涅耳原理計(jì)算出來。設(shè)縫的寬度為a，即AB=a，屏上P點(diǎn)的光強(qiáng)是通過狹縫的光在與狹縫法線成θ角方向上衍射光的強(qiáng)度，它等于從縫發(fā)出的各個(gè)子波在該方向疊加后產(chǎn)生的總作用。注意到透鏡不引入光程差，子波源和子波源到達(dá)光屏P點(diǎn)的光程差

第32頁/共109頁第32頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射為避開繁雜的積分運(yùn)算，菲涅耳創(chuàng)造性地提出了波帶法。把寬為a的縫分為許多窄條，每一窄條對(duì)應(yīng)于一個(gè)半波長的波帶，使得光程差δ正好等于入射單色光束半波長的整數(shù)倍。第33頁/共109頁第33頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射當(dāng)衍射角θ=0時(shí)，光程差δ=0，對(duì)應(yīng)中央明紋。如果k=2，狹縫被分成2個(gè)半波帶，兩個(gè)“半波帶”上發(fā)的光在P處反相疊加振幅相消形成暗紋。如果k=3，狹縫被分成3個(gè)半波帶，在P處出現(xiàn)明紋。一般地，k為偶數(shù)，對(duì)應(yīng)暗條紋；k為奇數(shù)，對(duì)應(yīng)明條紋；k=0對(duì)應(yīng)中央明紋。

第34頁/共109頁第34頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射衍射圖樣的特征：①中央明紋的寬度兩倍于各次最大的明紋的寬度，且絕大部分光能都落在中央明紋上。②暗條紋是等間隔的。③當(dāng)入射光為白光時(shí)，除中央明區(qū)為白色條紋外，兩側(cè)為紫到紅排列的彩色的衍射光譜。④當(dāng)波長一定時(shí)，a愈小，衍射愈顯著。第35頁/共109頁第35頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射考慮θ角很小，P點(diǎn)離開中心軸的距離光程差第一暗紋位置中央明紋的寬度透鏡的焦距k=2第36頁/共109頁第36頁/共110頁單縫寬度a變化，中央明紋寬度如何變化？三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射第37頁/共109頁第37頁/共110頁入射波長變化，衍射效應(yīng)如何變化?三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯。紅光λ=650nm綠光λ=530nm紫光λ=420nm第一暗紋的衍射角第38頁/共109頁第38頁/共110頁三單縫夫瑯禾費(fèi)衍射[例7-1]一單色平行光垂直照射于一單縫，若其第三條明紋位置正好和波長為600nm的單色光垂直入射時(shí)的第二級(jí)明紋的位置一樣，求前一種單色光的波長。分析：采用比較法:對(duì)應(yīng)于同一觀察點(diǎn)，兩次衍射的光程差相同。解：由衍射明紋條件有代入得第39頁/共109頁第39頁/共110頁四助視儀器的分辨本領(lǐng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等助視光學(xué)儀器都是由透鏡等光學(xué)元件組成的。由于光通過透鏡等光學(xué)元件要產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，任何光學(xué)儀器都不可能得到無限放大的完全清晰的像，而有一定的分辨本領(lǐng)。第40頁/共109頁第40頁/共110頁1圓孔衍射及瑞利判據(jù)無限遠(yuǎn)處光源經(jīng)圓孔衍射后形成的衍射花樣，是在中央亮斑（叫做艾里斑）外面出現(xiàn)一些明暗交替的同心圓環(huán)。光能的84％集中在中央亮斑。中央亮斑的大小由第一暗環(huán)對(duì)應(yīng)的衍射角θ決定四助視儀器的分辨本領(lǐng)圓孔的直徑

第41頁/共109頁第41頁/共110頁如果無限遠(yuǎn)處有兩個(gè)點(diǎn)光源，經(jīng)圓孔衍射后，則形成兩個(gè)衍射花樣。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)光源離得較遠(yuǎn)時(shí)，可以完全分辨點(diǎn)光源的像；當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)光源離得較近時(shí)，兩個(gè)衍射花樣疊加，就難以區(qū)分了。四助視儀器的分辨本領(lǐng)第42頁/共109頁第42頁/共110頁衍射限制了透鏡的分辨能力四助視儀器的分辨本領(lǐng)第43頁/共109頁第43頁/共110頁四助視儀器的分辨本領(lǐng)英國物理學(xué)家瑞利提出：能夠區(qū)分兩點(diǎn)的極限是一個(gè)點(diǎn)的衍射圖樣的中央極大值與另一點(diǎn)的衍射圖樣的第一極小值重合，這時(shí)由兩個(gè)衍射圖樣合成后的光強(qiáng)分布曲線仍有兩個(gè)極大值。上述判據(jù)叫做瑞利判據(jù)。

第44頁/共109頁第44頁/共110頁2眼睛的分辨本領(lǐng)

用眼睛觀察遠(yuǎn)處物體時(shí)，視網(wǎng)膜上的像是物體各點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過瞳孔后產(chǎn)生的衍射圖樣。設(shè)瞳孔的直徑是d，光在眼內(nèi)的波長是，根據(jù)瑞利判據(jù)，眼睛的最小分辨角為

四助視儀器的分辨本領(lǐng)光在真空中的波長

眼內(nèi)物質(zhì)的折射率

第45頁/共109頁第45頁/共110頁對(duì)于遠(yuǎn)處物體上的兩點(diǎn)，如果它們對(duì)眼睛的張角大于或等于眼睛的最小分辨角，則能夠分辨，否則不能分辨。由于人眼的焦距很?。s20mm），對(duì)于明視距離（眼前250mm）處的物體，也可用上式估計(jì)其最小分辨角。白天，人眼瞳孔的直徑約2mm，折射率可取1.33。對(duì)于綠光，最小分辨角為實(shí)驗(yàn)表明，人眼的最小分辨角約為1′(=2.9×10-4rad),與計(jì)算結(jié)果基本相符。四助視儀器的分辨本領(lǐng)第46頁/共109頁第46頁/共110頁定義：光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)q1q最小分辨角提高儀器分辨本領(lǐng)的兩種方法：增大孔徑，減小波長。光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)四助視儀器的分辨本領(lǐng)第47頁/共109頁第47頁/共110頁波長不可選擇但可增大d（射電望遠(yuǎn)鏡的大天線）3望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)四助視儀器的分辨本領(lǐng)第48頁/共109頁第48頁/共110頁四助視儀器的分辨本領(lǐng)由于望遠(yuǎn)鏡的通光孔徑D大于人眼的瞳孔d，所以用望遠(yuǎn)鏡觀察遠(yuǎn)處物體時(shí)，提高了對(duì)物體的分辨本領(lǐng)，提高的倍數(shù)等于D/nd。為了充分利用這個(gè)分辨本領(lǐng)，望遠(yuǎn)鏡必須有足夠大的放大率。放大率不足（＜D/nd），望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)就得不到充分利用；放大率過大（＞D/nd），并不能提高分辨本領(lǐng)，只是使像的形狀放大得更大。第49頁/共109頁第49頁/共110頁世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡建在美國波多黎各島的Arecibo直徑305m，能夠探測射到整個(gè)地球表面僅10-12W的功率。也可探測引力波。四助視儀器的分辨本領(lǐng)第50頁/共109頁第50頁/共110頁四助視儀器的分辨本領(lǐng)4顯微鏡的分辨本領(lǐng)顯微鏡是用來觀察近處小物體的，顯微鏡的分辨本領(lǐng)，通常不用角度，而用剛好能分辨開的物體上兩點(diǎn)的最小距離Δy來表示分母叫做物鏡的數(shù)值孔徑，通常用N．A．表示。顯微鏡物鏡上一般都標(biāo)出這個(gè)數(shù)值，如N．A．0.1，就表示它的數(shù)值孔徑是0.1。

物點(diǎn)對(duì)物鏡張角的一半

第51頁/共109頁第51頁/共110頁四助視儀器的分辨本領(lǐng)波長越小，物鏡的數(shù)值孔徑越大，可分辨的兩點(diǎn)間距離越小，即它的分辨本領(lǐng)越大。為了增大數(shù)值孔徑，應(yīng)使物體盡量靠近物鏡，張角接近90°時(shí)，如果物體在空氣中，數(shù)值孔徑N．A．就等于1，這是最大值。如果用油浸物鏡，油的折射率n=1.5，則數(shù)值孔徑可達(dá)1.5，分辨本領(lǐng)也增大到1.5倍。顯微鏡的分辨本領(lǐng)比眼睛的分辨本領(lǐng)約大200倍。顯微鏡的目鏡只能把物鏡所成的像進(jìn)一步放大，但不能增大分辨本領(lǐng)。

第52頁/共109頁第52頁/共110頁顯微鏡觀察的紅血球四助視儀器的分辨本領(lǐng)第53頁/共109頁第53頁/共110頁7.4光的干涉

一雙縫干涉二平面鏡反射與半波損失三薄膜干涉

第54頁/共109頁第54頁/共110頁7.4光的干涉英國物理學(xué)家托馬斯·楊在1801年首先發(fā)現(xiàn):在一定的條件下，兩束（或多束）光波相遇時(shí)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布不等于各束光單獨(dú)產(chǎn)生的光強(qiáng)之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象，稱為光的干涉。S1S2S***第55頁/共109頁第55頁/共110頁7.4光的干涉產(chǎn)生干涉的條件:(1)兩光波的頻率相同；(2)兩光波的相位差在可觀察的時(shí)間內(nèi)保持不變；(3)兩光波的振幅不能相差太大；(4)兩光波的振動(dòng)方向須大體一致。前兩個(gè)條件是最基本的條件，后兩個(gè)條件不滿足時(shí)也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但不明顯，四個(gè)條件都滿足時(shí)才產(chǎn)生明顯的干涉現(xiàn)象。第56頁/共109頁第56頁/共110頁光源光源的最基本的發(fā)光單元是分子、原子。

一般光源發(fā)光頻率（波長）不是單一的。例：可見光的波長：光的強(qiáng)度按頻率（或波長）的分布H2用作發(fā)光的物體光譜：7.4光的干涉第57頁/共109頁第57頁/共110頁光源種類7.4光的干涉如氣體放電管、鈉光燈、水銀燈、日光燈等。1線譜光源:發(fā)射的光由分立的頻率（亮線、帶）組成。H2HgNa第58頁/共109頁第58頁/共110頁2連續(xù)譜光源:發(fā)射頻率連續(xù)變化的光7.4光的干涉如白熾燈、弧光燈、太陽等熱輻射光源。400nm500nm600nm700nm第59頁/共109頁第59頁/共110頁原子的發(fā)光模型7.4光的干涉“基態(tài)”“激發(fā)態(tài)”光子第60頁/共109頁第60頁/共110頁1、間歇性：各原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的，平均發(fā)光時(shí)間t約為10-8秒，所發(fā)出的是一段長為L=ct的光波列。原子發(fā)光特點(diǎn)：7.4光的干涉第61頁/共109頁第61頁/共110頁即：不同原子發(fā)的光波列是獨(dú)立的；同一原子先后發(fā)的光波列也是獨(dú)立的

··2隨機(jī)性：每次發(fā)光是隨機(jī)的(獨(dú)立的)，所發(fā)出各波列的振動(dòng)方向和振動(dòng)初位相都不相同。7.4光的干涉第62頁/共109頁第62頁/共110頁1)理想的單色光：具有恒定單一頻率的簡諧波，光波列是無限伸展的。

2)實(shí)際原子的發(fā)光：是一個(gè)有限長的波列，所以不是嚴(yán)格的單色光，只能說是準(zhǔn)單色光:可以認(rèn)為是在某個(gè)中心頻率（波長0）附近有一定頻率（波長）范圍的光。3光波列的頻譜寬度7.4光的干涉第63頁/共109頁第63頁/共110頁7.4光的干涉滿足相干條件的光源或光波，叫做相干光源或相干光波。一般光源發(fā)出的光，它們的初相位是迅速變化的，每一列光波持續(xù)的時(shí)間不超過10-8

秒的數(shù)量級(jí)。每隔10-8

秒左右，就要被另一列新的光波所代替，而兩列光波的頻率、初相位、振幅和振動(dòng)面之間并沒有固定的聯(lián)系，而是隨機(jī)變化的。因此，兩個(gè)一般光源或同一光源的兩部分發(fā)出的兩束光互相疊加時(shí)并不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。第64頁/共109頁第64頁/共110頁7.4光的干涉由一般光源產(chǎn)生相干光波的方法可分為兩種：分波面法和分振幅法。分波面法是從同一波源的波面上分出兩個(gè)或兩個(gè)以上的部分，使它們繼續(xù)傳播互相疊加而發(fā)生干涉。楊氏的雙縫干涉屬于分波面法。分振幅法是使一束入射光波在兩種光學(xué)介質(zhì)的分界面處一部分發(fā)生反射，另一部分發(fā)生折射，然后使反射波和折射波在繼續(xù)傳播中相遇而發(fā)生干涉。牛頓環(huán)和薄膜干涉屬于分振幅法。第65頁/共109頁第65頁/共110頁一雙縫干涉托馬斯·楊在1801年的實(shí)驗(yàn)方法是讓日光通過一個(gè)針孔，射到相隔很近的兩個(gè)針孔上，然后從兩個(gè)針孔射出的光互相疊加產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)在用狹縫代替針孔。如果用激光器作光源，則可以不用狹縫S，直接使激光照射到狹縫S1和S2

上，在屏E上就可以看到明暗相間的條紋。第66頁/共109頁第66頁/共110頁一雙縫干涉如果從S1和S2發(fā)出的兩列光波到達(dá)屏上某一點(diǎn)P的光程差等于波長λ的整數(shù)倍，兩列波到達(dá)P點(diǎn)時(shí)的相位相同，疊加后互相加強(qiáng)，這里就出現(xiàn)亮條紋；如果光程差等于半波長λ/2的奇數(shù)倍，兩列波到達(dá)P點(diǎn)時(shí)相位相反，疊加后互相減弱或抵消，這里就出現(xiàn)暗條紋。第67頁/共109頁第67頁/共110頁一雙縫干涉通常觀察屏到雙縫距離D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙縫間距d，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OP間距離x，導(dǎo)致θ角很小。亮條紋對(duì)應(yīng)亮條紋中心為暗條紋對(duì)應(yīng)暗條紋中心為干涉條紋是等間距分布的。

第68頁/共109頁第68頁/共110頁1）

條紋間距與的關(guān)系如何？

一定時(shí)，一雙縫干涉第69頁/共109頁第69頁/共110頁

一定時(shí)，若變化，則條紋間距將怎樣變化？2）Dd一雙縫干涉第70頁/共109頁第70頁/共110頁一雙縫干涉雙縫干涉條紋的特征：(1)以k=0點(diǎn)的亮條紋中心O對(duì)稱排列的平行的明暗相間的條紋；(2)在

角不太大時(shí)條紋等間距分布,與干涉級(jí)k無關(guān)。（3）白光入射時(shí)，中央為白色明紋，其它級(jí)次出現(xiàn)彩色條紋,有重疊現(xiàn)象。第71頁/共109頁第71頁/共110頁一雙縫干涉[例7-2]在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用波長λ＝546.1nm的單色光照射，雙縫與屏的距離D＝300mm。測得中央明紋兩側(cè)的兩個(gè)第五級(jí)明條紋的間距為12.2mm，求雙縫間距離。分析:雙縫干涉在屏上形成的條紋是上下對(duì)稱等間隔的。如果設(shè)兩明紋間隔為Δx，則由中央明紋兩側(cè)第五級(jí)明紋間距x5－x-5＝10Δx

可求出Δx。再由公式Δx＝Dλ／d

即可求出雙縫間距d。解:本題雙縫間距：第72頁/共109頁第72頁/共110頁二平面鏡反射與半波損失1834年愛爾蘭物理學(xué)家勞埃德提出了更簡單的干涉裝置。他直接利用一塊平面鏡從反射光觀察到干涉現(xiàn)象。從狹縫S1發(fā)出的光，一部分直接射向屏E，另一部分掠射到鏡面上，然后反射到屏幕E上。這兩束光在陰影區(qū)相互疊加，因光程差不同，在屏上可以觀察到干涉條紋。

第73頁/共109頁第73頁/共110頁二平面鏡反射與半波損失勞埃德鏡的干涉，相當(dāng)于光源和它在平面鏡中的虛像發(fā)出的兩束光的干涉，與楊氏雙縫干涉類似。勞埃德發(fā)現(xiàn)：如果將屏移到與平面鏡接觸處，則該處N的屏上出現(xiàn)的是暗條紋。而此處到兩個(gè)狹縫的光程相等，似乎應(yīng)該出現(xiàn)亮條紋，為什么觀察到的卻是暗條紋呢？唯一合理的解釋：光波經(jīng)平面鏡反射，相位改變了π。第74頁/共109頁第74頁/共110頁二平面鏡反射與半波損失相位改變了π，相當(dāng)于多走了半個(gè)波長的光程，因此這種現(xiàn)象叫做半波損失。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，光從光疏介質(zhì)（折射率較小的介質(zhì)）射向光密介質(zhì)（折射率較大的介質(zhì)）的分界面，在掠射（入射角i≈90°）或正射（i≈0°）時(shí)，在反射光中都產(chǎn)生半波損失，而透射光（折射）中不產(chǎn)生半波損失。當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)的分界面時(shí)，在反射光中也沒有半波損失。第75頁/共109頁第75頁/共110頁三薄膜干涉在日常生活中，常見到在陽光的照射下，肥皂膜、水面上的油膜和蝴蝶翅膀呈現(xiàn)出彩色的花紋。這是一種光波經(jīng)薄膜兩表面反射后相互疊加所形成的干涉現(xiàn)象，稱為薄膜干涉。它是通過分振幅方法來獲得的一類干涉。實(shí)際生活中見到比較多的主要有兩種薄膜干涉：一種是薄膜厚度均勻在無限遠(yuǎn)處形成的條紋；另一種是厚度不均勻薄膜表面上的等厚干涉條紋。

第76頁/共109頁第76頁/共110頁三薄膜干涉1等傾干涉幾束光發(fā)生干涉時(shí)，光的加強(qiáng)或減弱的條件只決定于光束方向的一種干涉現(xiàn)象稱為等傾干涉。例如，光通過兩面平行的透明介質(zhì)薄膜時(shí)，從上下表面反射的光產(chǎn)生的干涉就屬于這種干涉。薄膜aa1a2n1n2n3第77頁/共109頁第77頁/共110頁設(shè)薄膜的厚度是d，折射率是n，薄膜周圍介質(zhì)的折射率是n1，光射入薄膜時(shí)的入射角是i，在薄膜中的折射角是γ，透鏡的作用是將a、b兩束平行光會(huì)聚到位于透鏡焦平面的觀察屏P上使它們相互疊加形成干涉。注意當(dāng)n>n1時(shí)在反射光中要考慮半波損失，a、b兩束光的光程差

三薄膜干涉第78頁/共109頁第78頁/共110頁根據(jù)折射定律光程差按干涉條件，當(dāng)△=kλ時(shí)，干涉加強(qiáng)，從反射光中可觀察到亮條紋；當(dāng)△=(2k+1)λ/2時(shí)，干涉減弱，從反射光中可觀察到暗條紋。三薄膜干涉第79頁/共109頁第79頁/共110頁三薄膜干涉亮條紋對(duì)應(yīng)暗條紋對(duì)應(yīng)產(chǎn)生明暗條紋的條件只決定于光的入射角或折射角，即光的干涉情況只決定于光的傾角。實(shí)際上，光源上每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一組等傾干涉條紋，這些條紋互相重合，使干涉條紋更加明亮。第80頁/共109頁第80頁/共110頁觀察等傾條紋的實(shí)驗(yàn)裝置三薄膜干涉因?yàn)樵谕粓A錐面上的入射光有相同的入射角，故干涉條紋為同心圓環(huán)；第81頁/共109頁第81頁/共110頁當(dāng)薄膜厚度增大時(shí)，中央條紋的級(jí)次也增大，環(huán)紋增多密，連續(xù)改變厚度時(shí)環(huán)心不斷冒出環(huán)紋，中心處明暗交替；膜的厚度d減小時(shí)，條紋內(nèi)縮，中心處明暗交替。三薄膜干涉第82頁/共109頁第82頁/共110頁2等厚干涉光在厚度不同的薄膜表面發(fā)生干涉時(shí)，光的加強(qiáng)或減弱的條件只決定于膜的厚度的一種干涉現(xiàn)象稱為等厚干涉。觀察等厚干涉現(xiàn)象，通常讓光線垂直射到薄膜的表面上，（入射角i≈0）這時(shí)由膜的上下表面反射出的兩束相干光的光程差n是膜的折射率，d是該處膜的厚度。

三薄膜干涉第83頁/共109頁第83頁/共110頁折射率為n1的兩塊玻璃片，一端互相疊合，另一端夾一細(xì)金屬絲或薄紙片，這時(shí)，在兩玻璃片之間形成的空氣薄膜稱為空氣劈尖?？諝獾恼凵渎蕁=1<n1

，在下邊的玻璃片的上表面反射時(shí)有半波損失，而在上邊的玻璃片的下表面反射光沒有半波損失，則劈尖上下表面反射的兩束光的光程差三薄膜干涉第84頁/共109頁第84頁/共110頁三薄膜干涉劈尖反射光干涉極大（明紋）的條件為產(chǎn)生反射光干涉極小（暗紋）的條件為等厚干涉常常用來測量微小角度、細(xì)小的直徑、微小的長度，以及檢查光學(xué)元件表面的平整度。

第85頁/共109頁第85頁/共110頁三薄膜干涉第86頁/共109頁第86頁/共110頁白光入射單色光入射肥皂膜的等厚干涉條紋三薄膜干涉第87頁/共109頁第87頁/共110頁三薄膜干涉3牛頓環(huán)把一個(gè)曲率半徑R很大的凸透鏡A放在一塊平面玻璃板B上，其間有一厚度逐漸變化的劈尖形空氣薄層。用單色光垂直照射，從反射光中可以看到一組明暗相間的圓環(huán)。這是光從空氣層上下表面反射后產(chǎn)生的等厚干涉條紋。叫做牛頓環(huán)。第88頁/共109頁第88頁/共110頁三薄膜干涉由于有半波損失，中心O點(diǎn)處（厚度d=0）是暗點(diǎn)?？諝獗雍穸萪處到透鏡中心點(diǎn)O處的距離為一般R>>d,上式可近似為該處兩相干光的光程差為第89頁/共109頁第89頁/共110頁三薄膜干涉從中心計(jì)第k個(gè)暗環(huán)的半徑為第k個(gè)亮環(huán)的半徑為隨著級(jí)數(shù)k增大，干涉條紋變密。從透射光中也可以看到環(huán)形的明暗條紋，但明暗條紋的位置與反射光中的相反，它的中心是亮點(diǎn)。第90頁/共109頁第90頁/共110頁三薄膜干涉4增透膜在各種光學(xué)儀器中為了矯正像差或其他原因，常常要用多個(gè)透鏡。例如，照相機(jī)的物鏡有的用6個(gè)透鏡，透鏡的每個(gè)界面上都有反射損失，合計(jì)起來損失的光能就很多了。為了減小反射損失，利用薄膜的干涉可使透射光增強(qiáng)而反射光減小的特性，采用真空鍍膜或化學(xué)鍍膜的方法，在透鏡表面鍍上一層透明薄膜，叫增透膜，也叫減反射膜。

第91頁/共109頁第91頁/共110頁三薄膜干涉膜上方的介質(zhì)通常是空氣（折射率為n1），膜下方的介質(zhì)通常是玻璃（折射率為n3

），設(shè)膜的折射率為n2

，且n1<n2<n3

，當(dāng)膜的厚度d滿足從膜上下兩表面反射出的兩束光的相位差是π.相干后光強(qiáng)最小。若從膜的上下表面反射出的兩束光波的振幅大致相等，干涉后相消，可使反射光幾乎全部消失。第92頁/共109頁第92頁/共110頁三薄膜干涉[例7-3]在折射率n3＝1.52的照相機(jī)鏡頭表面涂有一層折射率n2＝1.38的MgF2

增透膜，若此膜僅適用于波長λ＝550nm的光，則此膜的最小厚度為多少？分析：膜的材料及厚度都將對(duì)兩反射光（或兩透射光）的光程差產(chǎn)生影響，從而可使某些波長的光在反射（或透射）中得到加強(qiáng)或減弱。本題是希望波長λ＝550nm的光在透射中得到加強(qiáng)，從而得到所希望的照相效果（因感光底片對(duì)此波長附近的光最為敏感）。具體求解時(shí)應(yīng)注意在d>0的前提下，k

取最小的允許值。

第93頁/共109頁第93頁/共110頁三薄膜干涉解1：因干涉的互補(bǔ)性，波長為550nm的光在透射中得到加強(qiáng)，則在反射中一定減弱，兩反射光的光程差由干涉相消條件得取k＝0，則dmin＝99.6nm。解2：由于空氣的折射率n1＝1，且有n1

＜n2

＜n3

，則對(duì)透射光而言，兩相干光的光程差由干涉加強(qiáng)條件Δ1＝kλ，即得與解1相同的結(jié)果。第94頁/共109頁第94頁/共110頁7.5光的偏振一自然光與偏振光二偏振光的起偏與檢偏

第95頁/共109頁第95頁/共110頁一自然光與偏振光光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，但不能確定光是橫波還是縱波。光的偏振現(xiàn)象表明光的橫波性。因?yàn)橹挥袡M波才有偏振現(xiàn)象。這是橫波區(qū)別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。第96頁/共109頁第96頁/共110頁一自然光與偏振光一個(gè)原子（或分子）發(fā)光每次所發(fā)出的波列其光矢量始終沿某一個(gè)方向振動(dòng)，這樣的光稱為線偏振光。普通光源所發(fā)出的光則是由大量原子的持續(xù)時(shí)間很短的波列組成，這些波列的振動(dòng)方向和相位是隨機(jī)變化的。按統(tǒng)計(jì)平均來說，光矢量的振動(dòng)在各個(gè)方向上的分布是對(duì)稱的，振幅也可看