高中物理競賽-波動光學(xué)課件

波動光學(xué)波動光學(xué)1ⅠⅡNO入射光線折射光線折射定律？ⅠⅡNO入射光線折射光線折射定律？2楊氏雙縫干涉光程差等于波長整數(shù)倍時，兩列光波疊加加強(qiáng)——明條紋光程差等于半波長奇數(shù)倍時，兩列光波疊加減弱——暗條紋分波前干涉把來自單一頻率光源的同一波前設(shè)法分開（子波）并造成光程差從而引起干涉.

光的干涉楊氏雙縫干涉光程差等于波長整數(shù)倍時，兩列光波疊加加強(qiáng)3S1S2SP中央亮紋Q1第1暗紋Q1

第1暗紋P1第1亮紋P1第1亮紋成因S1S2SP中央亮紋Q1第1暗紋Q1第1暗紋P1第1亮紋4PS1S2Oxθθr1r2dD能觀察到干涉條紋的情況下θ總是很小，則Q規(guī)律PS1S2Oxθθr1r2dD能觀察到干涉條紋的情況下θ總是5菲涅爾雙棱鏡干涉ASS1S2AS分波前干涉示例1菲涅爾雙棱鏡干涉ASS1S2AS分波前干涉示例16S1S2SM1M2rCr菲涅爾雙鏡干涉分波前干涉示例2S1S2SM1M2rCr菲涅爾雙鏡干涉分波前干涉示例27洛埃鏡干涉SS1M若S與平面鏡距離為d,與屏距離為D,則分波前干涉示例3洛埃鏡干涉SS1M若S與平面鏡距離為d,與屏距離為D,則分波8SOOff將焦距為f凸透鏡切分成上下兩半，沿主軸拉開距離f，如圖所示，點(diǎn)光源S置于透鏡主軸上離左半個透鏡f處，該裝置可演示兩束光的干涉現(xiàn)象．畫出點(diǎn)光源S經(jīng)上、下兩半透鏡后的光束，并用斜線畫出兩束光發(fā)生干涉的區(qū)域．分波前干涉示例4SOOff9SudD/2D/2由幾何關(guān)系得如圖所示，一個會聚透鏡的直徑D＝5cm，焦距f＝50cm．沿其直徑分成兩半，再分開相距d＝5mm，點(diǎn)光源S到透鏡距離u＝1m．作圖并計算離透鏡多遠(yuǎn)處可以觀察到干涉條紋？（透鏡兩半之間空隙被遮蓋）

xS1S2SudD/2D/2由幾何關(guān)系得如圖所示，一個會聚透鏡的直徑10S1S2ODS

如圖所示雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中A.若把單縫S從雙縫S1、S2中心軸位置稍微上移，屏上中央亮紋位置略下移B.若只減小雙縫S1、S2間的距離，條紋間距將增大C.若只在兩條狹縫與屏之間插入一塊兩面平行的玻璃磚，條紋間距將減小D.若只把紅光照射改用綠光照射，條紋間距將增大分波前干涉示例5ABCS1S2ODS11薄膜干涉分振幅干涉利用同一入射光波的振幅（光強(qiáng)）通過兩個表面的先后反射加以分解且形成光程差而引起的干涉.薄膜干涉分振幅干涉利用同一入射光波的振幅（光強(qiáng)）通過12薄膜干涉等厚干涉

薄膜干涉等厚干涉13C

如圖所示，用干涉法檢查工件表面的質(zhì)量，產(chǎn)生的干涉條紋是一組平行的直線．若劈尖的上表面向上平移一小段距離，如圖所示，則干涉條紋A.間距變大，略向左移B.間距變小，略向右移C.間距不變，略向左移D.間距不變，略向右移薄膜干涉示例1C如圖所示，用14；

相鄰兩明紋間距．

如圖所示，為了測量金屬絲的直徑，把金屬絲夾在兩塊平玻璃板之間，使空氣層形成劈尖．如用單色光垂直照射，就得到等厚干涉條紋．測出干涉條紋間的距離，就可以算出金屬絲的直徑．某次的測量結(jié)果為：單色光波長λ＝5893，金屬絲與劈尖頂點(diǎn)間的距離L＝28.880mm，30條明條紋間的距離為4.295mm，求金屬絲的直徑D．L薄膜干涉示例2；相鄰兩明紋間距．如圖所示，為了測量金屬絲的直徑，把金15

如圖所示，在一塊平玻璃片B上，放一曲率半徑為R的平凸透鏡A，在A、B之間形成空氣薄層，當(dāng)平行光垂直射向平凸透鏡時，可以觀察到透鏡表面出現(xiàn)以接觸點(diǎn)O為中心的許多同心環(huán)，稱為牛頓環(huán)．⑴確定形成牛頓環(huán)的明、暗環(huán)處空氣層厚度e適合的條件，入射光波長為λ；⑵確定明、暗環(huán)的半徑r．⑶在接觸處是明紋還是暗紋？erRCAB⑴、形成牛頓環(huán)的明、暗環(huán)處，空氣層厚度e應(yīng)滿足的條件為：明環(huán)暗環(huán)⑵、由圖所示幾何關(guān)系得：

明環(huán)半徑暗環(huán)半徑⑶考慮半波損失,在接觸處是暗斑

薄膜干涉示例3如圖所示，在一塊平玻璃片B上，放一曲率半徑為R的平16在白光下觀察厚度為5.2×10-5cm的透明薄膜，白光的入射角（即與平面法線的夾角）為31°，薄膜的折射率為1.35．試求在可見光譜（380nm—780nm）中，哪些波長的光將在反射中消失？并預(yù)測薄膜在反射光下顏色．

薄膜干涉示例3

如圖，在反射中消失的光，是因?yàn)槿肷涞奖∧ど媳砻鍭點(diǎn)的光束，一部分被反射，另一部分折射入膜內(nèi)，在下界面B處被反射并從上界面C點(diǎn)射出，光線DC也在C處反射，兩光疊加減弱而致.idirABCD膜厚度d=520nm，造成兩相干光的相差若滿足下式，反射光將消失：

K=1時K=2時膜的顏色呈黃綠色等傾干涉

在白光下觀察厚度為5.2×10-5cm的透明薄膜，白光的入17如圖所示，薄膜的兩個界面OM和ON構(gòu)成尖劈，尖劈的夾角θ較小，光源S離劈較近．證明光源S發(fā)出的光經(jīng)界面OM和ON反射后產(chǎn)生的干涉條紋是以O(shè)為圓心、以r為半徑的圓．P1OrPSMNABP2干涉條紋滿足明條紋是以O(shè)為圓心、半徑為的同心圓；

暗條紋是以O(shè)為圓心、半徑為的同心圓；

干涉條紋滿足

等傾干涉

如圖所示，薄膜的兩個界面OM和ON構(gòu)成尖劈，尖劈的夾角θ較小18如圖所示，在玻璃基底上涂兩層薄膜，它們的厚度分別用t1和t2表示．空氣，兩層膜以及玻璃的折射率依次為n0，n1，n2，n3，且滿足n0＜n1＜n2＞n3．波長為λ的單色光垂直入射，已知在三個界面處反射后所得三束光振幅相等．為了使反射光的總強(qiáng)度為零，必須適當(dāng)選擇所涂薄膜的厚度t1和t2．試求t1的最小值，以及t1取上述最小值時t2的最小值．反射光1入射光反射光2反射光3三束反射光相位關(guān)系滿足如圖所示，在玻璃基底上涂兩層薄膜，它們的厚度分別用t1和t219光的衍射波的特征現(xiàn)象之二——衍射觀察到明顯衍射現(xiàn)象的條件——孔、縫、障礙物尺寸與波長差不多現(xiàn)象——振動傳遞到“直線傳播”到達(dá)區(qū)域之外預(yù)期的光衍射現(xiàn)象——光到達(dá)的范圍變大了獲得光衍射圖樣的條件由于可見光波長數(shù)量級為10-7m，故孔、縫、障礙物尺寸應(yīng)足夠小光的衍射波的特征現(xiàn)象之二——衍射觀察到明顯衍射現(xiàn)象的20光的衍射現(xiàn)象◎單縫衍射有明暗相間（不均勻）的條紋現(xiàn)象光到達(dá)“直線傳播”時的影區(qū)◎圓孔衍射有明暗相間的圓環(huán)現(xiàn)象圓環(huán)分布面積超過“直線傳播”時的光斑面積◎圓盤衍射現(xiàn)象陰影的中心有一個圓亮斑有明暗相間的圓環(huán)光離開直線路徑繞到障礙物背后去的現(xiàn)象叫光的衍射光衍射成因與規(guī)律光的衍射現(xiàn)象◎單縫衍射有明暗相間（不均勻）的條紋21惠更斯原理解釋衍射現(xiàn)象惠更斯原理解釋衍射現(xiàn)象22干涉相消（暗紋）波帶法解釋衍射規(guī)律干涉加強(qiáng)（明紋）中央明紋中心（介于明暗之間）零級最大與1級最小間滿足干涉相消（暗紋）波帶法解釋衍射規(guī)律干涉加強(qiáng)（明紋）中央明紋中23研究光衍射現(xiàn)象的意義光衍射現(xiàn)象實(shí)例光衍射現(xiàn)象是光的波動說成立的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之一由于光是一種波，衍射是基本屬性，只是明顯與否，直進(jìn)是光衍射的極限現(xiàn)象，衍射光柵光學(xué)儀器的分辨率研究光衍射現(xiàn)象的意義光衍射現(xiàn)象實(shí)例光衍射現(xiàn)象24

恰能分辨兩物點(diǎn)，至少應(yīng)使兩物點(diǎn)之衍射圖樣中心間的距離等于中央亮斑的半徑，這個條件被稱為

瑞利準(zhǔn)則光學(xué)儀器分辨率問題恰能分辨兩物點(diǎn)，至少應(yīng)使兩物點(diǎn)之衍射圖樣中心25

望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角

人眼的最小分辨角則為

望遠(yuǎn)鏡與人眼相比，其分辨率與人眼分辨率的倍數(shù)為一天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡直徑為2.5m，試求能夠被它分辨的雙星對它張開的最小夾角，設(shè)入射光的波長為550nm．若人眼瞳孔的直徑為2.5mm，求該望遠(yuǎn)鏡與人眼相比，其分辨率是人眼的多少倍？望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角人眼的最小分辨角則為望遠(yuǎn)鏡與人眼相比26在迎面駛來的汽車上，兩盞前燈相距120cm，試問汽車離人多遠(yuǎn)的地方，眼睛才可以分辨這兩盞前燈？假設(shè)夜間人眼瞳孔直徑為5.0mm，入射光波長λ=550nm，并假設(shè)這個距離只取決于眼睛的圓形瞳孔處的衍射效應(yīng)．

根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，人眼圓形瞳孔的分辨角

當(dāng)汽車離人L距離時對人眼瞳孔的張角在迎面駛來的汽車上，兩盞前燈相距120cm，試問汽車離人多27Sin1n2OM當(dāng)反射光與折射光互相垂直時，在反射光中只有垂直于入射面的振動，而平行于入射面的振動變?yōu)榱?，即反射光成為完全偏振光，這時的入射角叫全偏振角，以i0表示。ii0r全偏振角光的偏振Sin1n2OM當(dāng)反射光與折射光互相垂直時，在反射光中只有垂28

⑴用于觀察水面下物體的是________

⑵用于觀察電腦顯示屏防止左右兩側(cè)燈光干擾的是_______⑶用于看立體電影的是______abc⑴用于觀察水面下物體的是________⑵用于觀察電腦顯29

光電效應(yīng)

對各種金屬都存在著極限頻率和極限波長，低于極限頻率的任何入射光,強(qiáng)度再大、照射時間再長都不會發(fā)生光電效應(yīng)．光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大．只要入射光頻率高于金屬的極限頻率，照到金屬表面時光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，不超過10-9s．發(fā)生光電效應(yīng)時，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比．

光電效應(yīng)方程一份光子能量光的粒子性例證之一:光電效應(yīng)對各種金屬都存在著極限頻率和極限波長，低于極限頻30光的粒子性例證之二:

康普頓效應(yīng)

X射線通過物質(zhì)散射后，有些散射波的波長變大的現(xiàn)象，叫做康普頓效應(yīng)。波動說解釋

光子說解釋

散射光的頻率、波長應(yīng)不變與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符光的粒子性例證之三:

光壓

理論光的粒子性例證之二:康普頓效應(yīng)X射線通過物質(zhì)散射后，有些31ee入射光子的動量散射光子的動量被碰電子的動量由動量守恒：由能量守恒：由電子質(zhì)量與速度的相對論關(guān)系：康普頓效應(yīng)返回ee入射光子的動量散射光子的動量被碰電子的動量由動量守恒：由32單位時間單位面積上入射光能量為則入射光法向動量反射光法向動量由動量定理，壓力F有同理，切向力T為

頻率為的光，射到一平面鏡上，設(shè)單位時間內(nèi)到達(dá)鏡面單位面積上的入射光光子數(shù)目為n，平面鏡的反射率為r，光對平面鏡的入射角為θ．試求：⑴光對平面鏡的壓力；⑵光作用在平面鏡上的切向力．單位時間單位面積上入射光能量為則入射光法向動量反射光法向動量33在康普頓散射實(shí)驗(yàn)中，靜止的電子被能量等于一個電子靜止質(zhì)量對應(yīng)能量的光子轟擊．對于散射的光子和反沖的電子有相同大小的動量的情況，確定它們之間的夾角，并求反沖電子的速度．入射光子的動量散射光子的動量被碰電子的動量由動量守恒：由能量守恒：由電子質(zhì)量與速度的相對論關(guān)系：在康普頓散射實(shí)驗(yàn)中，靜止的電子被能量等于一個電子靜止質(zhì)量對應(yīng)34F引F光光照射到物體上將產(chǎn)生光壓，設(shè)想利用太陽的光壓將物體送到太陽系以外的空間去．當(dāng)然這只有當(dāng)太陽對物體的光壓超過了太陽對物體的引力才行．現(xiàn)如果用一種密度為1g/cm3的物質(zhì)作成的平板，它的剛性足夠大，則它將能夠被太陽光的壓力送出太陽系．試估算這種平板的厚度應(yīng)小于多少？取大氣層外太陽的能量密度P0=1.4×103J/m2·s，日地距離為1.5×1011m．被太陽光的壓力送出太陽系的臨界條件是光子能量光壓是大量光子碰撞引起的,由動量定理pppF引F光光照射到物體上將產(chǎn)生光壓，設(shè)想利用太陽的光壓將物體送35如圖所示，在真空中有一個折射率為n（n＞n0，n0為真空的折射率）、半徑為R的質(zhì)地均勻的小球．頻率為ν的細(xì)激光束在真空中沿直線BC傳播，直線BC與小球球心O的距離為l（l＜r），光束于小球表面的C點(diǎn)經(jīng)折射進(jìn)入小球（小球成為光傳播的媒質(zhì)），并于小球表面的D點(diǎn)又經(jīng)折射進(jìn)入真空．設(shè)激光束的頻率在上述兩次折射過程中保持不變．求在兩次折射過程中激光束中一個光子對小球作用的平均力的大?。甇BCDERlp入p出Δp如圖所示，在真空中有一個折射率為n（n＞n0，n0為真空的折36兩次折射中，光子動量變化相同，入、出射光子動量大小出、入射光子動量方向改變δ，由矢量關(guān)系得：動量變化歷時為t：由動量定理可得：兩次折射中，光子動量變化相同，入、出射光子動量大小出、入射光37光的波粒二象性光的波動性意指光是表明大量光子運(yùn)動規(guī)律的一種概率波光在與物質(zhì)作用中表現(xiàn)出粒子性一般說來，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性物質(zhì)波(德布羅意波)光的波粒二象性光的波動性意指光是表明大量光子運(yùn)動38由德布羅意波波長與動量的關(guān)系,電子的動量電子顯微鏡的電子波長為0.0164nm,試估算所需電子動能的最小值及加速電壓．則電子的動能可知加速電壓為由德布羅意波波長與動量的關(guān)系,電子的動量電子顯微鏡的電子波長39不確定關(guān)系宏觀物體與微觀粒子的行為方式宏觀物體運(yùn)動的位置和動量是可確定的,可由現(xiàn)在預(yù)知未來.

微觀粒子的行為是統(tǒng)計的,是一種概率,具有可以量化的不確定性.位置不確定量與速率不確定量時間不確定量與能量不確定量不確定關(guān)系宏觀物體與微觀粒子的行為方式宏觀40AB屏pXYO