高二物理竞赛课件：波动光学.pptx

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1、1可见光：可见光： 颜色颜色 红红-紫紫 c=3x108 m/s频率从频率从 3.95x1014Hz 到到 7.50 x1014Hz 波长从波长从 0.76m 到到 0.4m光的本性：光的本性： 1、微粒说：光是一种微粒流（牛顿、微粒说：光是一种微粒流（牛顿16421727） 2、波动说：惠更斯、托马斯、波动说：惠更斯、托马斯.杨、菲涅耳杨、菲涅耳 光是一种电磁波（麦克斯韦）光是一种电磁波（麦克斯韦）- 波动光学波动光学光量子论光量子论 （爱因斯坦）（爱因斯坦）-量子光学量子光学 波粒二象性波粒二象性光波也服从叠加原理光波也服从叠加原理波动光学2上海同步辐射装置全景上海同步辐射装置全景3 一一

2、. . 光的干涉现象光的干涉现象“当两列当两列(或几列或几列)满足满足一定条件一定条件的光波在某区域的光波在某区域同时传播时同时传播时,空间某些点的光振动空间某些点的光振动 始终始终加强；加强；某些点的光振动某些点的光振动 始终始终减弱，减弱，在空间形成一幅在空间形成一幅稳稳定定的光强分布图样的光强分布图样”，称为，称为光的干涉现象。光的干涉现象。要产生干涉现象，要产生干涉现象， 两波必须满足相干条件。两波必须满足相干条件。(2)频率相同频率相同(3)有恒定的相位差有恒定的相位差(1)振动方向相同振动方向相同 满足相干条件的光源就称为相干光源。满足相干条件的光源就称为相干光源。13.2 光源光

3、源 光的干涉光的干涉13.1 光是电磁波（自学）光是电磁波（自学）4光的干涉现象光的干涉现象5E1E2自发辐射跃迁自发辐射跃迁波列波列波列长波列长 L = t c = (E2-E1)/h二二. .光源光源光源的最基本的发光单元是分子、原子光源的最基本的发光单元是分子、原子普通光源普通光源发光时间发光时间t t 10-8s普通光源普通光源 的的不同原子发的光不可能不同原子发的光不可能 产生干涉现象。产生干涉现象。例如例如:普通灯泡发的光普通灯泡发的光; 火焰火焰; 电弧电弧; 太阳光等等。太阳光等等。独立独立（不同原子发的光）（不同原子发的光）独立独立（同一原子先后发的光）同一原子先后发的光）6

4、 普通光源获得相干光的方法普通光源获得相干光的方法： pS * *分波面法分波面法分振幅法分振幅法 p薄膜薄膜S *基本原理是：把由光源上同一点发的光设法分成两基本原理是：把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来，这两部分光的部分，然后再使这两部分叠加起来，这两部分光的相应部分实际上都来自相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光同一发光原子的同一次发光，所以它们是相干光。所以它们是相干光。等倾干涉、等厚干涉等倾干涉、等厚干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉7 两列光波的叠加两列光波的叠加光矢量， E（只讨论电振动只讨论电振动）)2cos(110101rtEE P点两点两分振动

5、分振动设它们振动方向相同，频率相同，设它们振动方向相同，频率相同，且假设传到且假设传到P点时振幅不变，点时振幅不变，pS1S2r1r2光源光源S1:)cos(10101 tEE光源光源S2:)cos(20202 tEE)2cos(220202rtEE 1 2 1E2E0E tEEcos0 cos2010220210202EEEEE )(212102012rr 式中式中8英国科学家英国科学家 Thomas Young(1773-1829)一系列平行的明暗相间的条纹；一系列平行的明暗相间的条纹； 不太大时条纹等间距；不太大时条纹等间距；一一 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉单色光入射单色光入射1 实验装置

6、实验装置r1 r2 xdxD0d ，D d （d 10 -4m， D m）Px0 xI x波程差：波程差：12rr 相位差：相位差： 2 tgsindd Dxd 较小时较小时92.条纹条纹(中心中心)的位置的位置 亮纹亮纹:（相长干涉）（相长干涉）), 2 , 1 , 0( k kDxd dDkx k = / 称为亮纹的级次。称为亮纹的级次。级级中中央央亮亮纹纹称称 00, 00 xk亮纹中心的位置和级次：亮纹中心的位置和级次： k 或 k2 级级亮亮纹纹称称1, 11 dDxk 暗纹：暗纹：（相相消干涉）消干涉）(2 1)2k 或(21)k (0,1,2,)k (2 1),2xdkD (2

7、1)2Dxkd 暗纹中心的位置和级次：暗纹中心的位置和级次：10,12Dkxd 称级暗纹(k+1 )称为暗纹的级次。称为暗纹的级次。10dDx 相邻两亮纹相邻两亮纹(或暗纹或暗纹)之间的距离都是之间的距离都是x 越大越大,波程差越大波程差越大,干涉条纹的级次也越大干涉条纹的级次也越大. 可以测光波的波长可以测光波的波长 对非单色光源对非单色光源, 有色散现象有色散现象:白光入射时，白光入射时，0级亮纹为白色级亮纹为白色 （可用来定屏上（可用来定屏上0级的位置）；级的位置）； 其余级亮纹其余级亮纹 构成彩带构成彩带, 第二级亮纹就会出现重叠（为什么？）。第二级亮纹就会出现重叠（为什么？）。11白

8、光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片121 菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：二二 其他分波阵面干涉实验其他分波阵面干涉实验S1S2M1M2S132 洛埃镜实验洛埃镜实验SSMLdpQpQBA光栏光栏W当屏幕当屏幕W移至移至B处，从处，从S和和 S 到到B点的光程差为点的光程差为零，但是观察到暗条纹，零，但是观察到暗条纹，相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差波程差 半波损失半波损失。14半波损失半波损失 当光从折射率大的光密当光从折射率大的光密介质，正入射于折射率小的介质，

9、正入射于折射率小的光疏介质时，反射光没有半光疏介质时，反射光没有半波损失。波损失。 当光从折射率小的光疏当光从折射率小的光疏介质，正入射或掠入射于折介质，正入射或掠入射于折射率大的光密介质时，反射射率大的光密介质时，反射光有半波损失。光有半波损失。 有半波损失有半波损失无半波损失无半波损失1n2n21nn 1n2n21nn 15例例1 双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长为为589.3 nm，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离 D=600 mm。求。求 (1) d =1.0 mm 和和 d =10 mm，两种情况相邻明条纹间距分，两种情况相邻明条纹间

10、距分别为多大？别为多大？(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm，能分清干涉条纹的双缝间距，能分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少？最大是多少？解解 (1) 明纹间距分别为明纹间距分别为Dxd (2) 双缝间距双缝间距 d 为为Ddx1613.4 光程与光程差光程与光程差 为了便于计算相干光在不同介质中为了便于计算相干光在不同介质中传播相遇时的相位差，引入光程。传播相遇时的相位差，引入光程。u光程光程 同一束光通过不同介质时同一束光通过不同介质时频率频率 不变，但波长要变不变，但波长要变n0 0 真空中波长真空中波长 介质中波介质中波长长r 2在相位改变

11、相同条件下，把光在介质中传播的路程在相位改变相同条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。折合为光在真空中传播的相应路程。在介质中传播距离在介质中传播距离 r 时时， 相位的改变为相位的改变为 )(2/200nrrn 17光程等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程光程等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程当光连续经过几种介质时当光连续经过几种介质时 光程光程 iiirnnr光程光程 例例11S2S121n2nP1122rnrn称为光程差。称为光程差。相位差与光程差的关系相位差与光程差的关系: 02 0 真空中波长真空中波长18 实验告诉我们：实验告诉我们： 物点物点到到像点

12、像点各光线之间的光程差为零各光线之间的光程差为零( (不证不证) )。acbF波反射时相位突变波反射时相位突变 = = . .相位的突变发生的条件相位的突变发生的条件光疏介质入射到光密介质时，光疏介质入射到光密介质时，反射光反射光有半波损失有半波损失。1121 n02 1n2n21nn 19例例2 真空中波长为真空中波长为550nm的两列光束，垂直进入厚度为的两列光束，垂直进入厚度为2.60m、折射率分别为、折射率分别为n2=1.60和和n1=1.00的介质时具有的介质时具有相同的相位相同的相位, 问出射时，它们之间的相位差是多大？问出射时，它们之间的相位差是多大？解解两列光出射时的两列光出射时的光程差光程差 2 21 1n rn r 相位差相位差 02 rad8 .1720例例3 计算计算 S1和和 S2发出波长发出波长 的相干光在的相干光在P点的相位差，点的相位差，其中一束光经过空气其中一束光经过空气(n01)到到P点，另一束光通过厚度点，另一束光通过厚度为为 x、折射率为、折射率为n 的玻璃片的玻璃片. S1和和 S2 的初相的初相差差 。 0 12d1SPx2Sd解解 两束光在两束光在P点的光程差点的光程差00()dx nnxdn )(2120相位差相位差(1)nx