第十三章波動(dòng)光學(xué)演示文稿

第十三章波動(dòng)光學(xué)演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)第十三章波動(dòng)光學(xué)目前二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn):一、干涉 楊氏雙縫干涉； 薄膜等厚干涉（劈尖干涉和牛頓環(huán)）；二、衍射 單縫夫瑯禾費(fèi)衍射； 光柵衍射；三、偏振（待定） 馬呂斯定律目前三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)一光是一種電磁波13.1光是電磁波（了解）目前四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)平面電磁波方程

對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，振動(dòng)的是電場(chǎng)強(qiáng)度Ｅ和磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ，其中能引起人眼視覺(jué)和底片感光的是Ｅ，故把Ｅ矢量叫做光矢量．目前五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)13.2光源光波的疊加（了解）13.2.1光源單色光：具有單一頻率的光（實(shí)際上不存在）復(fù)色光：具有多種頻率的光（如：太陽(yáng)光、白熾燈等）一、光的單色性二、普通光源的發(fā)光機(jī)制原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷自發(fā)輻射目前六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)P211.原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長(zhǎng)度有限的波列,各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列波長(zhǎng)（頻率）不相等；2.各原子發(fā)光的時(shí)機(jī)是隨機(jī)的，即沒(méi)有確定的先后順序，也沒(méi)有固定的時(shí)間間隔，這導(dǎo)致不同原子發(fā)出的波列間的相位差是不確定的（隨機(jī)的）。

普通光源發(fā)光特點(diǎn)：

同一光源上兩不同的部分發(fā)出的光不能干涉！目前七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)13.2.2光波的疊加相干疊加：

頻率相同、振動(dòng)方向平行、相位差恒定的兩束簡(jiǎn)諧光波相遇時(shí)，在光波重疊區(qū)域，某些點(diǎn)光強(qiáng)大于分光強(qiáng)之和，某些區(qū)域光強(qiáng)小于分光強(qiáng)之和，合成光波的光強(qiáng)在空間形成強(qiáng)弱相間、穩(wěn)定分布的干涉條紋。稱(chēng)為光的干涉現(xiàn)象。

光波的這種疊加稱(chēng)為相干疊加。能產(chǎn)生相干疊加的光稱(chēng)為相干光。非相干疊加：

如果兩束光不滿(mǎn)足相干疊加條件，則在光波的重疊區(qū)，合成光強(qiáng)等于分光強(qiáng)之和，沒(méi)有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生，則此時(shí)兩束光的疊加稱(chēng)為非相干疊加。目前八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)下面來(lái)詳細(xì)討論光波的疊加。

假設(shè)兩個(gè)光源發(fā)出的光波在真空中的任意一點(diǎn)P相遇，則P點(diǎn)的光矢量是兩個(gè)光波的光矢量P點(diǎn)的矢量和。PS1S2r1r2P點(diǎn)的合光矢量為：則：其中：目前九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)由該式：P點(diǎn)光強(qiáng)為：

上式中的第三項(xiàng)稱(chēng)為干涉項(xiàng)，它決定了兩光波疊加的性質(zhì)。目前十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)下面對(duì)干涉項(xiàng)進(jìn)行討論：1.非相干疊加于是：＝0目前十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)但此時(shí)由于初相差不恒定，故從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看，取各種值的概率是相同的，于是：目前十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)總結(jié)上面的三種非相干疊加，可知：于是：此時(shí)，P點(diǎn)的光強(qiáng)等于兩光源在該點(diǎn)的光強(qiáng)之和。

由于常見(jiàn)光源各發(fā)光基本單元發(fā)光過(guò)程是隨機(jī)的，發(fā)出的波列頻率和振動(dòng)方向不一定相同，特別是它們之間的相位差不可能保持恒定，初相差隨機(jī)地在0～2π之間迅速變化，于是該余弦項(xiàng)在觀察時(shí)間內(nèi)取平均總是等于零。

因此，兩個(gè)常見(jiàn)光源或者同一光源的不同部分發(fā)出的光不滿(mǎn)足相干條件，它們不是相干波。目前十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)2.相干疊加

當(dāng)參與疊加的兩束光振動(dòng)方向相同，頻率相同，初相差恒定，則此時(shí)有：上式第一項(xiàng)積分為零，故目前十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)式中，為兩束光在P點(diǎn)的相位差。目前十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

從上面的討論不難看出，兩束光相干的條件是：（1）頻率相同；（3）振動(dòng)方向平行；（2）相差恒定；目前十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)一、相干光的產(chǎn)生波陣面分割法*光源振幅分割法13.3獲得相干光的方法楊氏實(shí)驗(yàn)（重點(diǎn)）目前十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置二、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波程差目前十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

減弱加強(qiáng)p明紋明紋:+3+2+10-1-2-3暗紋:+4+3+2+1-1-2-3-4干涉級(jí)次暗紋,,,kL321=目前十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)討論條紋間距明暗條紋的位置暗紋明紋條紋等間距嗎?目前二十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

一定，如何隨變化？1）出現(xiàn)彩色條紋白光照射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?彩色條紋在空間如何分布？紅澄黃綠青藍(lán)紫:波長(zhǎng)減小目前二十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)2）

如何隨變化？

一定，目前二十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)三、雙縫干涉光強(qiáng)分布干涉項(xiàng)若其中則合光強(qiáng)目前二十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)光強(qiáng)分布圖目前二十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)25

在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，為使屏上的干涉條紋間距變大，可以采取的辦法是隨堂小議(A)使屏靠近雙縫。(B)使兩縫的間距變小。(C)把兩個(gè)縫的寬度稍微調(diào)窄。(D)改用波長(zhǎng)較小的單色光源。[B]0目前二十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)26條紋特點(diǎn)：(1)

一系列平行的明暗相間的條紋；

(2)

不太大時(shí)條紋等間距；(3)

x

；(4)

級(jí)次(k)越大，條紋越暗。目前二十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)272.3條紋特點(diǎn)：波列長(zhǎng)度L為相干長(zhǎng)度。鈉Na光，波長(zhǎng)589.6

nm，相干長(zhǎng)度3.4×10-2

m

氦氖激光，波長(zhǎng)632.8

nm，相干長(zhǎng)度40×102

m氦氖激光的相干性遠(yuǎn)比普通光源好(1)一系列平行的明暗相間的條紋；(2)

不太大時(shí)條紋等間距；(3)

x；

(4)級(jí)次(k)越大，條紋越暗。(5)

干涉條紋只能在小角度范圍內(nèi)觀察。目前二十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)三、洛埃鏡

半波損失：光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)發(fā)生反射時(shí)，光的相位較之入射光的相位躍變了，相當(dāng)于反射光與入射光之間附加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，稱(chēng)為半波損失.PML目前二十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

例1

以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上,雙縫與屏幕的垂直距離為1m.(1)從第一級(jí)明紋到同側(cè)的第四級(jí)明紋的距離為7.5mm,求單色光的波長(zhǎng);(2)若入射光的波長(zhǎng)為600nm,求相鄰兩明紋間的距離.解（1）（2）目前二十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)教材P236例13.1例13.2作業(yè)：P27213.7目前三十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)一光程

為了便于計(jì)算相干光在不同介質(zhì)中傳播相遇時(shí)的相位差，特引入光程。PS1S2r1r2

在同種介質(zhì)中，相位差的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，如圖：13.4光程與光程差（重點(diǎn)）目前三十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

如果兩束光在不同的兩種介質(zhì)中傳播后相遇，下面來(lái)計(jì)算它們的相位差。PS1S2r1r2n1n2

如果我們引入一個(gè)新的物理量，等于nr（光程），則計(jì)算相位差時(shí)只要知道真空中的波長(zhǎng)就可以了！目前三十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)即此時(shí)要計(jì)算相位差，就轉(zhuǎn)化為計(jì)算光程差δ。

物理意義：光程就是相同的時(shí)間t內(nèi)，光在真空中所走的路程.1)光程:媒質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=目前三十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)2）光程差

(兩光程之差)光程差*P*

干涉加強(qiáng)相位差

干涉減弱目前三十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)AB二透鏡不引起附加的光程差A(yù)B焦平面目前三十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)PL13.5薄膜等厚干涉（重點(diǎn)）DC34E5A1B2目前三十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

反射光的光程差加強(qiáng)減弱PLDC34E5A1B2目前三十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

透射光的光程差

注意：透射光和反射光干涉具有互補(bǔ)性，符合能量守恒定律.PLDC34E5A1B2目前三十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

當(dāng)光線(xiàn)垂直入射時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)目前三十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)解(1)

例一油輪漏出的油(折射率=1.20)污染了某海域,在海水(=1.30)表面形成一層薄薄的油污.(1)如果太陽(yáng)正位于海域上空,一直升飛機(jī)的駕駛員從機(jī)上向下觀察,他所正對(duì)的油層厚度為460nm,則他將觀察到油層呈什么顏色?(2)如果一潛水員潛入該區(qū)域水下,又將看到油層呈什么顏色?綠色目前四十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)(2)透射光的光程差紅光紫光紫紅色目前四十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光學(xué)器件的透光率.?。ㄔ鰪?qiáng)）氟化鎂為增透膜例為了增加透射率,求氟化鎂膜的最小厚度.已知空氣,氟化鎂,減弱解

則23玻璃目前四十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)作業(yè)：P27313.10例題：P24013.3目前四十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)SM劈尖角一劈尖明紋暗紋目前四十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)劈尖干涉（明紋）（暗紋）討論1）劈尖為暗紋.明紋暗紋目前四十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)劈尖干涉3）條紋間距（明紋或暗紋）2）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差目前四十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

4）干涉條紋的移動(dòng)每一條紋對(duì)應(yīng)劈尖內(nèi)的一個(gè)厚度，當(dāng)此厚度位置改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的條紋隨之移動(dòng)目前四十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

例1

有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角,用波長(zhǎng)的單色光垂直入射時(shí),測(cè)得干涉條紋的寬度,求這玻璃的折射率.解目前四十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)2）測(cè)膜厚1）干涉膨脹儀

劈尖干涉的應(yīng)用目前四十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)空氣3）測(cè)細(xì)絲的直徑P243例13.4目前五十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)二牛頓環(huán)由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成光程差目前五十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡T目前五十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)R光程差明紋暗紋rd暗環(huán)半徑明環(huán)半徑目前五十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

4）應(yīng)用例子:可以用來(lái)測(cè)量光波波長(zhǎng)，用于檢測(cè)透鏡質(zhì)量，曲率半徑等.

1）從反射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？從透射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？2）屬于等厚干涉，條紋間距不等，為什么？3）將牛頓環(huán)置于的液體中，條紋如何變？工件標(biāo)準(zhǔn)件暗環(huán)半徑明環(huán)半徑討論目前五十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

測(cè)量透鏡的曲率半徑目前五十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

例2

用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第個(gè)k

暗環(huán)的半徑為5.63mm,第k+5暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑R.解目前五十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)SL

例3

如圖所示為測(cè)量油膜折射率的實(shí)驗(yàn)裝置,在平面玻璃片G上放一油滴，并展開(kāi)成圓形油膜，在波長(zhǎng)的單色光垂直入射下，從反射光中可觀察到油膜所形成的干涉條紋.已知玻璃的折射率，

問(wèn)：當(dāng)油膜中心最高點(diǎn)與玻璃片的上表面相距時(shí)，干涉條紋如何分布？可見(jiàn)明紋的條數(shù)及各明紋處膜厚?中心點(diǎn)的明暗程度如何?若油膜展開(kāi)條紋如何變化?,油膜的折射率G目前五十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)解

1）條紋為同心圓油膜邊緣明紋明紋目前五十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

當(dāng)油滴展開(kāi)時(shí)，條紋間距變大，條紋數(shù)減少.

由于故可觀察到四條明紋.目前五十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)總結(jié)

1）干涉條紋為光程差相同的點(diǎn)的軌跡，即厚度相等的點(diǎn)的軌跡目前六十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

2）厚度線(xiàn)性增長(zhǎng)條紋等間距，厚度非線(xiàn)性增長(zhǎng)條紋不等間距3）條紋的動(dòng)態(tài)變化分析（變化時(shí)）目前六十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)4

）半波損失需具體問(wèn)題具體分析目前六十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)作業(yè)13.1213.13目前六十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)圓孔衍射單縫衍射*一光的衍射現(xiàn)象*13.6惠更斯－菲涅耳原理（了解）目前六十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)二惠更斯—

菲涅爾原理：波陣面上面元

(子波波源)

菲涅爾指出衍射圖中的強(qiáng)度分布是因?yàn)檠苌鋾r(shí)，波場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定.點(diǎn)振動(dòng)是各子波在此產(chǎn)生的振動(dòng)的疊加.子波在點(diǎn)引起的振動(dòng)振幅并與有關(guān).：時(shí)刻波陣面*注意衍射和干涉間的關(guān)系!目前六十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)二惠更斯—

菲涅爾原理：波陣面上面元

(子波波源)：時(shí)刻波陣面*目前六十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)三菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射光源、屏與縫相距無(wú)限遠(yuǎn)縫在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍射菲涅爾衍射縫

光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)目前六十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)夫瑯禾費(fèi)單縫衍射衍射角（衍射角：向上為正，向下為負(fù).）菲涅爾半波帶法13.7單縫夫瑯禾費(fèi)衍射（重點(diǎn)）目前六十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)一半波帶法縫長(zhǎng)目前六十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）（介于明暗之間）

個(gè)半波帶

個(gè)半波帶中央明紋中心目前七十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)二光強(qiáng)分布干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）目前七十一頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)當(dāng)較小時(shí)，干涉相消（暗紋）目前七十二頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）討論（1）第一暗紋距中心的距離第一暗紋的衍射角目前七十三頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

一定，越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.光直線(xiàn)傳播

增大，減小

一定減小，增大衍射最大第一暗紋的衍射角角范圍線(xiàn)范圍中央明紋的寬度（2）中央明紋（的兩暗紋間）目前七十四頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？目前七十五頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.

入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化?目前七十六頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)（4）單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化單縫上移，零級(jí)明紋仍在透鏡光軸上.

單縫上下移動(dòng)，根據(jù)透鏡成像原理衍射圖不變.（3）條紋寬度（相鄰條紋間距）干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）除了中央明紋外的其它明紋、暗紋的寬度目前七十七頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)（5）入射光非垂直入射時(shí)光程差的計(jì)算（中央明紋向下移動(dòng)）（中央明紋向上移動(dòng)）目前七十八頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)P252例題13.8目前七十九頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

例1

設(shè)有一單色平面波斜射到寬度為的單縫上（如圖），求各級(jí)暗紋的衍射角.解由暗紋條件目前八十頁(yè)\總數(shù)八十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)一光柵