第十四干涉演示文稿

第十四干涉演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四（優(yōu)選）第十四干涉現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四解釋與實(shí)物作用過(guò)程（光的吸收與發(fā)射）中發(fā)生的現(xiàn)象解釋傳播過(guò)程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中發(fā)生的現(xiàn)象本章主要介紹光的波動(dòng)性，光的粒子性在近代物理中介紹赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光是電磁波的預(yù)言19世紀(jì)60年代麥克斯韋電磁波理論光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等不能用波動(dòng)說(shuō)解釋20世紀(jì)初波動(dòng)理論遭遇困難光具有波粒二象性表現(xiàn)為粒子表現(xiàn)為波動(dòng)現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四第一部分光的干涉現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四§18-5邁克耳孫干涉儀§18-4由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉§18-3光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)§18-2由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉§18-1光源光的相干性現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四教學(xué)基本要求1.理解獲得相干光的方法。3.能分析、確定楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉條紋的位置。4.理解邁克耳孫干涉儀的工作原理。2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系?，F(xiàn)在是6頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四一.光源發(fā)射光波的物體1.熱輻射加熱維持物體的溫度，輻射就能持續(xù)進(jìn)行下去，稱(chēng)為熱輻射。光波就是電磁波，任何物體都輻射電磁波。白熾燈太陽(yáng)§18–1光源光的相干性現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四

電致發(fā)光2.發(fā)光需依靠一些激發(fā)過(guò)程獲得能量維持輻射

光致發(fā)光

化學(xué)發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光二極管閃電熒光玩具節(jié)能燈螢火蟲(chóng)霓虹燈現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四3.同步輻射光源在同步輻射加速器中速度接近光速作環(huán)形運(yùn)動(dòng)的電子迅速損失能量產(chǎn)生的輻射特點(diǎn)：方向性好、亮度高，還具有連續(xù)性、優(yōu)異的準(zhǔn)直性和易脈沖化等特性應(yīng)用：為晶體結(jié)構(gòu)研究，生物大分子和生物蛋白的結(jié)構(gòu)研究提供了高性能的光源北京的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可提供同步輻射光現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四1.普通光源（非激光光源）的發(fā)光機(jī)理原子發(fā)出的每一列光波是一段有限長(zhǎng)的、振動(dòng)方向一定、振幅不變或緩慢變化的正弦波。波列波列長(zhǎng)L=c二.光的相干性每一波列持續(xù)時(shí)間約為普通光源發(fā)出的光是由構(gòu)成光源的大量原子或分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)發(fā)出的。波列長(zhǎng)度的數(shù)量級(jí)為L(zhǎng)=0.1m因波列持續(xù)時(shí)間過(guò)短，兩波列的干涉現(xiàn)象無(wú)法覺(jué)察?，F(xiàn)在是10頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四不同原子發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光

同一原子先后發(fā)出的波列振動(dòng)方向和頻率不一定相同，相位間無(wú)固定關(guān)系。

不同原子發(fā)出的波列振動(dòng)方向和頻率也不一定相同，相位間無(wú)固定關(guān)系。

兩列波為相干波的條件：頻率相同，振動(dòng)方向相同，在相遇點(diǎn)有恒定的相位差。

結(jié)論：兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光波或同一光源兩部分發(fā)出的光波在相遇區(qū)觀(guān)察不到干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)在是11頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四2.相干光的獲得方法為實(shí)現(xiàn)光的干涉，可以從同一波列分離出兩個(gè)波列再令其重疊發(fā)生干涉。為得到明顯的干涉現(xiàn)象，還必須滿(mǎn)足：在相遇點(diǎn)兩列光波的光程（幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積）不能相差太大在相遇點(diǎn)兩列光波的振幅不能相差太大光程差r1n1-r2n2相干長(zhǎng)度一波列長(zhǎng)應(yīng)盡量接近路程r1路程r2介質(zhì)折射率n2介質(zhì)折射率n1現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四通常產(chǎn)生相干光源的兩種方法：

分波陣面法

分振幅法利用并排的孔或縫或利用反射和折射將入射光的波陣面分成兩部分。利用兩種透明介質(zhì)的分界面對(duì)入射光的反射和透射，將入射光的振幅分成兩部分。現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四3.目前最好的相干光源——激光光源激光的波列長(zhǎng)度比普通光源長(zhǎng)得多，例如氦氖激光器產(chǎn)生的激光相干長(zhǎng)度可達(dá)幾千米，再加上良好的單色性和方向性等，能產(chǎn)生易于觀(guān)察和測(cè)量的干涉現(xiàn)象。一個(gè)正在輻射激光的激光器激光產(chǎn)生的全息圖像現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四一.楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)S1S2S接收屏上形成的干涉圖樣狹縫視為縫光源光源雙縫接收屏縫光源S產(chǎn)生柱面波，雙縫S1和S2與S等距，位于同一波陣面上，相位相同，成為相干光源，發(fā)出的子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉?！?8-2

由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四因D>>d，S1、S2發(fā)出的光波到P

點(diǎn)的波程差為=dsindtanOP=x，

r1-

r2=S2B1.單色光入射時(shí)屏上明暗相間干涉條紋位置的計(jì)算垂直于縫長(zhǎng)的平面內(nèi)同相面P·r1r2xxDOS1S2MBd波程差計(jì)算狹縫縫光源現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四若即初相相同的兩相干波疊加后加強(qiáng)與減弱的條件為合振幅最大合振幅最小出現(xiàn)明條紋若即出現(xiàn)暗條紋明條紋級(jí)次暗條紋級(jí)次現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四2.楊氏雙縫干涉的特點(diǎn)單色光干涉，相鄰明條紋（或暗條紋）的間距為干涉條紋等距離分布白光干涉，只有中央明條紋是白色，其它條紋發(fā)生重疊，形成彩色條紋明條紋間距明條紋間距中央明紋干涉條紋間距與單色光波長(zhǎng)成正比現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四二.菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)

S1和S2相當(dāng)于兩個(gè)相干光源相鄰明條紋（或暗條紋）的間距為屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件與楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類(lèi)似光源接收屏M1中鏡像M2中鏡像鏡面現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四例題18-1菲涅耳雙鏡ε=10-3rad，單色線(xiàn)光源S與兩鏡交線(xiàn)平行，r=0.5m，λ=500nm，L=2m。(1)求屏上兩相鄰明條紋的間距；(2)若ε=10-2rad，問(wèn)條紋間距將怎樣改變？解（1）cosε≈1，sinε≈ε=10-3（2）當(dāng)ε=10-2rad時(shí)，有

ε變大時(shí)，條紋間距將變小，要獲得較大的條紋間距，ε必須很小?，F(xiàn)在是20頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四三.勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)平面鏡MM’下表面涂黑，光僅從上表面反射

S和S’相當(dāng)于兩個(gè)相干光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：反射光的相位改變了，稱(chēng)為半波損失干涉條紋與楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類(lèi)似光源MM’中鏡像小平面鏡接收屏此處出現(xiàn)暗條紋現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四光從光疏介質(zhì)（折射率較?。┫蚬饷芙橘|(zhì)（折射率大）表面入射時(shí)，如果入射角接近（掠入射）或?yàn)椋ㄕ肷洌?，則反射光的相位改變

，即出現(xiàn)半波損失。理論和實(shí)驗(yàn)證明：n2n1正入射n2>n1掠入射法線(xiàn)現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四例題18-2勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)中，線(xiàn)光源S1到鏡面的垂距為1mm，D為1.5m，MM’=D/2，M’O為D/4。（1）求干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心距離OA和OB；（2）若λ=600nm，求相鄰明條紋間距，并問(wèn)屏上能觀(guān)察到幾條明條紋？S1S2MM'dABOCD解（1）由三角形相似，有OA=3mm，OB=0.333mm得現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四（2）與楊氏實(shí)驗(yàn)相比，得相鄰明紋間距為由于有半波損失，光程差應(yīng)為明紋位置x應(yīng)滿(mǎn)足現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四第一級(jí)明紋位置x1=0.225mm<OB，在干涉區(qū)外，觀(guān)察不到；將OB=0.333mm代入，得將OA=3mm代入，得k=7.17所以在屏上可以看到2，3，4，5，6和7級(jí)，共6條干涉明紋。現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四設(shè)為單色光的頻率，c為光在真空中的傳播速度，v1為光在折射率為n1的介質(zhì)中的傳播速度。折射率的定義為設(shè)、1分別為光在真空中、介質(zhì)中的波長(zhǎng)，則一.光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)§18-3

光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四頻率為初相相同的兩相干光源S1、S2

的振動(dòng)方程可寫(xiě)為兩列波在P點(diǎn)引起的振動(dòng)為二.光程、光程差PS2

n1r1

r2

n2S1這兩列波在P點(diǎn)的相位差為光程差現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四SPn'

n''

r'

r''

折射率與幾何路程的乘積nr

稱(chēng)為光程n'

r'+n''

r''

光在介質(zhì)中所走過(guò)的路程折算成相同時(shí)間內(nèi)光在真空中的路程在折射率為n

的介質(zhì)中光傳播的速度為v

，光在介質(zhì)中走過(guò)路程為r，所需要的時(shí)間為r/v

，在相同的時(shí)間內(nèi)，光在真空中走過(guò)的路程為S到P的光程為光程光波經(jīng)過(guò)兩種介質(zhì)現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四相互加強(qiáng)相互減弱相互加強(qiáng)相互減弱兩相干光波在相遇點(diǎn)處的相位差及干涉條件為兩相干光波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，相位差僅決定于波程差δ=r2-

r1兩相干光波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，相位差應(yīng)決定于光程差δ=n2

r2-n1

r1干涉條件為現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四當(dāng)光波波陣面垂直光軸時(shí)，光線(xiàn)通過(guò)透鏡，會(huì)聚點(diǎn)上光相互加強(qiáng)產(chǎn)生亮點(diǎn)，這表明各條光線(xiàn)相位相同。三.薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)ABFS平行光會(huì)聚于焦點(diǎn)焦點(diǎn)發(fā)出的光成平行光焦面光軸同相面焦面光軸同相面AB現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四結(jié)論：理想的薄透鏡不會(huì)引起附加光程差A(yù)BCDEPSS’SS’物距大于焦距物距小于焦距平行光匯聚于焦平面現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四分振幅法利用薄膜的兩個(gè)表面經(jīng)反射，把入射光的振幅分解為兩部分，相遇而產(chǎn)生干涉，這種干涉也叫薄膜干涉。油膜肥皂泡§18-4

由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四一.平行平面膜產(chǎn)生的干涉光線(xiàn)2和光線(xiàn)3的光程差為123ABC面光源薄膜透鏡Nr現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四P點(diǎn)出現(xiàn)明暗紋的條件為由幾何關(guān)系得折射定律現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四如果薄膜是等厚膜，光程差只決定于入射角，相同入射角的光線(xiàn)光程差相同，形成同一干涉條紋——等傾干涉條紋。*等傾干涉條紋半透明玻璃片面光源透鏡焦面干涉圖樣等厚薄膜垂直入射現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四反射光互相減弱時(shí)（約為入射光的1.3%），光程差為dn3=1.50n2=1.38n1=1空氣MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉的應(yīng)用增透膜為減弱反射光，在光學(xué)元件表面鍍的一層厚度適當(dāng)?shù)耐该鹘橘|(zhì)膜照相機(jī)鏡頭n2d

稱(chēng)為光學(xué)厚度現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四增透膜用于冷光鏡對(duì)紅外光增透，降低光線(xiàn)的熱效應(yīng)，如用在電影放映機(jī)的光源上。增透膜紅外光可見(jiàn)光反光鏡例如對(duì)波長(zhǎng)0=550nm的綠光，當(dāng)光學(xué)厚度為n2d=30/4=412nm時(shí)，反射率最小，但此時(shí)該薄膜對(duì)其它波長(zhǎng)的光，反射率一般不是最小?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四多層反射膜（高反射膜）鍍膜也可增加反射，減少透射。每層膜反射光的光程差為…1.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF20He-Ne激光器的反射鏡采用多層反射膜使波長(zhǎng)為632.8nm的激光反射率高達(dá)99%以上鍍膜的反射鏡現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四兩玻璃板形成一很小夾角，兩板間充滿(mǎn)空氣或其它流體，形成了劈形膜。二.劈尖（劈形膜）產(chǎn)生的干涉2反射光的干涉條紋此處厚度為dC上表面反射光下表面反射光1棱邊設(shè)劈尖中流體的折射率為n

，反射光2有半波損失，則反射光1和2光程差為設(shè)流體折射率n小于玻璃折射率現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四在厚度d

處出現(xiàn)明、暗紋的條件為對(duì)應(yīng)于各級(jí)明、暗紋的厚度分別為棱邊處為暗紋棱邊處為明紋兩反射光間有半波光程差兩反射光間無(wú)半波光程差劈尖中流體的折射率和其兩側(cè)介質(zhì)折射率的影響現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四設(shè)l表示兩相鄰的明紋或暗紋之間距離，為劈尖夾角，有如下關(guān)系式lθdkdk+1ndk+1-dk兩相鄰明紋間距兩相鄰明紋處劈尖厚度差現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四不同波長(zhǎng)的光其干涉條紋寬度不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋越寬。討論：同一干涉條紋具有相同厚度，因而當(dāng)劈尖表面凸凹不平時(shí)，會(huì)出現(xiàn)條紋彎曲。同一波長(zhǎng)的入射光，越小，

l越大（條紋越寬）；

越大，

l越?。l紋越細(xì)）。現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四兩塊標(biāo)準(zhǔn)平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋兩塊有缺陷平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有50頁(yè)\編輯于星期四例題18-3制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需要精確測(cè)定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d

'

，這可用化學(xué)方法把SiO2薄膜的一部分腐蝕成劈尖形，若單色光從空氣垂直入射，已知入射光波長(zhǎng)λ=589.3nm，SiO2的折射率n=1.5，Si的折射率為3.42，若觀(guān)察到如圖所示的7條明紋，問(wèn)SiO2膜的厚度