1、大学物理学电子教案,海大理学院教学课件,光的干涉（1）,光学绪言 17-1 相干光 17-2 杨氏双缝干涉,一、光学的研究内容,研究光的本性；光的产生、传输与接收规律；光与物质的相互作用；光学的应用。,绪言,二、光的两种学说,牛顿的微粒说 光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。,惠更斯的波动说 光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。,四、光学的分类,几何光学 以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。 物理光学 以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。 波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科 量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科,
2、三、光的本性,光的电磁理论波动性： 干涉、衍射、偏振 光的量子理论粒子性： 黑体辐射、光电效应、康普顿效应,光的干涉 光的衍射 光的偏振,第十七章,波动光学,一、光波,1光波的概念：红外光：0.76m 可见光：0.40m与0.76m之间 紫外光：0.40m,171 相干光,2光的颜色： 单色光只含单一波长的光：激光 复色光不同波长单色光的混合：白光 3光的速度与折射率：v=c/n,二、光矢量,1光矢量 电场强度E的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。 2光强,光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光的能量在一个周期内的平均值 I=E02,三、光的干涉现象,1什么是光的干
3、涉现象 两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布。,2相干条件 振动方向相同 振动频率相同 相位相同或相位差保持恒定 3 相干光与相干光源 两束满足相干条件的光称为相干光 相应的光源称为相干光源,4明暗条纹条件用相位差表示： 明条纹：=2k k=0,1,2, 暗条纹：=(2k-1) k=1,2,3, 用波程差表示 根据波程差与相位差的关系 =2/ 明条纹：=k k=0,1,2, 暗条纹：=(2k-1)/2 k=1,2,3,四、相干光的获得,1普通光源的发光机理,光波列长度：m,结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。,特点：同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶
4、然性和随机性，而不同原子发光具有独立性。,2获得相干光源的两种方法,原理： 将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，它们是相干光。 方法： 分波阵面法：把光波的阵面分为两部分 分振幅法：利用两个反射面产生两束反射光,172 杨氏双缝干涉、洛埃镜、双镜,一、杨氏双缝干涉,托马斯杨（Thomas Young）英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一 波动光学：杨氏双缝干涉实验 生理光学：三原色原理 材料力学：杨氏弹性模量 考古学 ：破译古埃及石碑上的文字,1、杨氏简介,2、杨氏双缝干涉实验装置,1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波
5、阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。,3、双缝干涉的波程差,两光波在P点的波程差为 = r2-r1r12=D2+(x-d/2)2 r22=D2+(x+d/2)2 所以 r22- r12=2xd 即 (r2- r1)( r2+r1)=2xd 采用近似 r2+r12D 波程差为 =r2-r1=xd/D,4、干涉条纹的位置,（1）明条纹： =xd/D=k中心位置：x=kD/d k=0,1,2, （2）暗条纹： =xd/D=(2k-1)/2中心位置： x=(2k-1)D/(2
6、d) k=1,2,3,（3）条纹间距：相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹间距 x=D/d,5、干涉条纹的特点,双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹，上下对称。,光源S位置改变： S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移； S上 ，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。,双缝间距d 改变： 当d 增大时，x减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。 当d 减小时，x增大，条纹变稀疏。,双缝与屏幕间距D 改变： 当D 减小时，x减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。 当D 增大时，x增大，条纹变稀疏。,x=D/d,演示,6、讨论 x=D/d,（1）波长及装置结构变化时干涉条
7、纹的移动和变化,对于不同的光波，若满足 k11= k22 出现干涉条纹的重叠。,入射光波长改变： 当增大时，x增大，条纹变疏；当减小时，x减小，条纹变密。,若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。,（2）介质对干涉条纹的影响,在S1后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？,零级明纹上移至点P，屏上所有干涉条纹同时向上平移。 移过条纹数目 k=(n-1)t/ 条纹移动距离 OP=kx 若S2后加透明介质薄膜，干涉条纹下移。,若把整个实验装置置于折射率为n的介质中，明条纹：=n(r2-r1)=k k=0,1,2,暗条纹：=n(r2-r1)=(2k-1)/2 k=1,2,3, 或 明条纹：r2-r1=xd/D
8、=k/n=k k=0,1,2,暗条纹：r2-r1=xd/D=(2k-1)/2n=(2k-1) k=1,2,3,为入射光在介质中的波长 条纹间距为 x=D/(nd)=D/d 干涉条纹干涉条纹变密。,7、光强分布,合光强为 I=I1+I2+2sqrt(I1I2) cos 当I1=I2= I0时I=2I0(1+cos)=4 I0cos2(/2) = 4 I0cos2(/) 当=k时， I=Imax=4 I0 当=(2k-1)/2时， I=Imin=0,8、杨氏双缝干涉的应用,（1）测量波长： （2）测量薄膜的厚度和折射率： （3）长度的测量微小改变量。,例1、求光波的波长,在杨氏双缝干涉实验中，已知
9、双缝间距为0.60mm，缝和屏相距1.50m，测得条纹宽度为1.50mm，求入射光的波长。 解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式x=D/d 可以得到光波的波长为=xd/D 代入数据，得 =1.5010-30.6010-3/1.50=6.0010-7m=600nm,当双缝干涉装置的一条狭缝后面盖上折射率为n=1.58的云 母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了9个条纹间距，已知 波长=5500A0，求云母片的厚度。,例2、根据条纹移动求缝后所放介质片的厚度,解：没有盖云母片时，零级明条纹在O点；当S1缝后盖上云母片 后，光线1的光程增大。由于零级明条纹所对应的光程差为零， 所以这时零级明条纹只有上移才能使
10、光程差为零。依题意，S1 缝盖上云母片后，零级明条纹由O点移动原来的第九级明条纹位 置P点，当xD时，S1发出的光可以近似看作垂直通过云母片， 光程增加为(n-1)b，从而有(n-1)b=k 所以b=k/(n-1)=9550010-10/(1.58-1) =8.5310-6m,二、菲涅耳双面镜干涉实验,引入菲涅耳提出了的获得相干光的方法。,实验装置,原理: 屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕上明暗条纹中心对O点的偏离 x为：,明条纹中心的位置,暗条纹中心的位置,三、洛埃镜实验,实验装置与原理,AB为一背面涂黑的玻璃片，从狭缝S1射出的光，一部分直接射到屏幕X上，另一部分经过玻璃片反
11、射后到达屏幕，反射光看成是由虚光源S2发出的，S1、S2构成一对相关光源，在屏幕上可以看到明、暗相间的干涉条纹。,半波损失,原因：当光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位发生了跃变，或者反射光产生了/2附加的光程差，即“半波损失”。 解释：光的电磁理论（菲涅耳公式）可以解释半波损失。,现象：当屏幕W移至B处，从 S 和 S 到B点的光程差为零，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在。,情况1： n1n2n3,有,有,没有,情况2： n1n2n3,无,无,没有,情况3： n1n3,有,无,有,情况4： n1n2n3,无,有,有,产生半波损失的条件：光从光疏介质射向光密介质，即n1n2； 半波损失只发生在反射光中； 对于三种不同的媒质，两反射光之间有无半波损失的情况如下：,n1n2n3 无 n1n3 有 n1n2n3 有,四、菲涅耳双棱镜实验,实验装置,小 结,光的干涉理论 杨氏干涉 实验装置 干涉条件 条纹特点 菲涅耳双面镜、洛埃镜、菲涅耳双棱镜,作业 思考题： P171 1，2，3，4 习 题： P174 1，2，3，4 预 习：17-3，17-4，17-5,
