第十二章物理优秀课件.ppt

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1、第十二章物理11/28/20221第1页，本讲稿共38页自古以来神奇的光一直吸引着人们：自古以来神奇的光一直吸引着人们：光是什么？是粒子、是波、是能量？光光是什么？是粒子、是波、是能量？光怎样从物质中发出？又怎样成为物质的一部怎样从物质中发出？又怎样成为物质的一部分？光速为什么是宇宙物质运动的极限？分？光速为什么是宇宙物质运动的极限？有些科学已作了回答，有些还在争论不有些科学已作了回答，有些还在争论不休。但毕竟想方设法去了解光，已带来了物休。但毕竟想方设法去了解光，已带来了物理学一场又一场的革命！理学一场又一场的革命！11/28/20222第2页，本讲稿共38页（1 1）以）以牛顿牛顿为代表的

2、为代表的微粒说微粒说几何光学几何光学（2 2）以）以惠更斯惠更斯为代表的为代表的波动说波动说波动光学波动光学（3 3）以）以爱因斯坦爱因斯坦为代表的为代表的量子说量子说量子光学量子光学量子光学量子光学物理光学物理光学光学光学几何光学几何光学波动光学波动光学光的偏振光的偏振光的衍射光的衍射光的干涉光的干涉两个或多个光波在空间相遇时，两个或多个光波在空间相遇时，使某些地方光的强使某些地方光的强度始终加强，度始终加强，而而使另一些地方光的强度始终减弱，使另一些地方光的强度始终减弱，结结果使光的强度形成稳定的分布果使光的强度形成稳定的分布光光的的干干涉涉光学具有代表性的学说光学具有代表性的学说11/2

3、8/20223第3页，本讲稿共38页12.1 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验一、获得相干光的方法一、获得相干光的方法1.光波光波(1)光波是电磁波光波是电磁波(2)光速光速 c=3.0108m/s(3)光波是横波光波是横波(4)只考虑只考虑 振动振动光矢量光矢量光振动光振动我开了两盏灯，我开了两盏灯，为什么没看见为什么没看见干涉条纹干涉条纹?干涉是有条件的干涉是有条件的!11/28/20224第4页，本讲稿共38页2.光源发光的复杂性光源发光的复杂性光是由光源中原子或分子的能量光是由光源中原子或分子的能量状态发生跃迁时辐射出来的状态发生跃迁时辐射出来的0基态基态激发态(1)大量原子、分子独立

4、发出的大量原子、分子独立发出的光，频率不同光，频率不同(2)原子、分子发光是间歇的原子、分子发光是间歇的两个独立的光源不能构成相干光；两个独立的光源不能构成相干光；即使是同一个原子即使是同一个原子发出的前后两列波，也很难保证同时满足三个相干条发出的前后两列波，也很难保证同时满足三个相干条件。件。要获得相干光需要采取特殊的方法要获得相干光需要采取特殊的方法.11/28/20225第5页，本讲稿共38页3.获得相干光的方法获得相干光的方法把同一光源把同一光源同一点同一点发出的光设发出的光设法分成法分成两部分两部分,然后再相遇然后再相遇光源光源P一点一点二、杨氏双缝干涉实验二、杨氏双缝干涉实验11/

5、28/20226第6页，本讲稿共38页1.1.形成明纹、暗纹的条件形成明纹、暗纹的条件dD=明纹明纹暗纹暗纹11/28/20227第7页，本讲稿共38页2.2.明纹、暗纹的位置明纹、暗纹的位置(中心位置中心位置)=明纹明纹暗纹暗纹明纹中心位置明纹中心位置:暗纹中心位置暗纹中心位置:3.相邻明纹相邻明纹(或暗纹或暗纹)间距离间距离dD11/28/20228第8页，本讲稿共38页4.4.结论结论dD(1)明、暗条纹等间距地明、暗条纹等间距地分布在中央明纹两侧分布在中央明纹两侧(2)由于光波波长由于光波波长很小很小,要产生清晰可见的干涉要产生清晰可见的干涉条纹条纹,必须要求必须要求Dd(3)若若D、

6、d不变不变,x正比于波长正比于波长,波长波长大大小小红红紫紫条纹稀条纹稀条纹密条纹密11/28/20229第9页，本讲稿共38页o紫紫红红紫紫红红k级级x紫紫红红k+1级级(2级级)白光白光白色白色波波长长大大小小红红紫紫(4)用白光照射用白光照射 中央明纹是白色中央明纹是白色 其余各级条纹是其余各级条纹是紫紫到到红红的彩色光带的彩色光带 彩色光带的宽度彩色光带的宽度 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象假设从第假设从第K级开始重迭级开始重迭说明从第说明从第2级开始重迭级开始重迭在重迭区域波程差相等在重迭区域波程差相等=11/28/202210第10页，本讲稿共38页

7、三、其它分波阵面的干涉实验三、其它分波阵面的干涉实验1.菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验2.菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验11/28/202211第11页，本讲稿共38页D3.洛埃镜实验洛埃镜实验应该是明纹。应该是明纹。但实际却是暗纹！但实际却是暗纹！该实验证明：该实验证明：光也具有半波光也具有半波损失！损失！P11/28/202212第12页，本讲稿共38页四、光程和光程差四、光程和光程差1.光程光程dDn条条纹纹下下移移明明 暗暗 明明真空真空媒质媒质n光在媒质中传播的几光在媒质中传播的几何路程何路程r与媒质折射与媒质折射率率n的乘积的乘积nrnr11/28/202213第13页，本讲稿

8、共38页2.光程差光程差3.位相差与光程差的关系位相差与光程差的关系4.利用光程差表示干涉加强、减弱条件利用光程差表示干涉加强、减弱条件=明纹明纹暗纹暗纹明纹明纹暗纹暗纹5.光通过薄透光通过薄透镜时不产生附镜时不产生附加的光程差加的光程差11/28/202214第14页，本讲稿共38页dDn例例1:讨论双缝干涉装置讨论双缝干涉装置的一缝后插入透明的一缝后插入透明媒质媒质,屏幕上条纹屏幕上条纹的移动问题的移动问题解解:真空中真空中:中央明纹中央明纹插入媒质插入媒质:(1)讨论讨论S2后面插入折后面插入折射率为射率为n,厚度为厚度为 的的透明媒质透明媒质11/28/202215第15页，本讲稿共3

9、8页中央明纹中央明纹在在O点下方点下方条纹下移条纹下移条纹间距不变条纹间距不变(2)S1后面插入媒质后面插入媒质中央明纹中央明纹在在O点上方点上方条纹上移条纹上移条纹间距不变条纹间距不变结论结论:干干涉条纹涉条纹向光程向光程增大的增大的一侧移一侧移动动,条纹条纹间距不间距不变变11/28/202216第16页，本讲稿共38页 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与屏的垂双缝与屏的垂直距离为直距离为1m.从第一级明纹到同侧第四级明纹间的距离为从第一级明纹到同侧第四级明纹间的距离为7.5mm,求单色光波长求单色光波长?例例2:解解：(1)d=0.2mm D=1m

10、（2）若入射光的波长为若入射光的波长为6000 ,求相邻两明纹的间距求相邻两明纹的间距?11/28/202217第17页，本讲稿共38页解：光程差改变解：光程差改变条纹移动条纹移动 N=4杨氏双缝实验，杨氏双缝实验，=500nm=500nm，在一光路中插入玻璃片，在一光路中插入玻璃片（n=1.5n=1.5）后）后O O点变为点变为4 4级明纹中心。级明纹中心。求：玻璃片厚度。求：玻璃片厚度。例例3:11/28/202218第18页，本讲稿共38页1.1.形成明纹、暗纹的条件形成明纹、暗纹的条件明纹明纹暗纹暗纹d dD D2.2.明纹、暗纹的位置明纹、暗纹的位置(中心位置中心位置)明纹中心位置明

11、纹中心位置:暗纹中心位置暗纹中心位置:3.相邻明纹相邻明纹(或暗纹或暗纹)间距离间距离杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验小小 结结11/28/202219第19页，本讲稿共38页o紫紫红红紫紫红红k级级x紫紫红红k+1级级(2级级)白光白光白色白色波波长长大大小小红红紫紫4。用白光照射。用白光照射 中央明纹是白色中央明纹是白色 其余各级条纹是其余各级条纹是紫紫到到红红的彩色光带的彩色光带 彩色光带的宽度彩色光带的宽度 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象假设从第假设从第K级开始重迭级开始重迭说明从第说明从第2级开始重迭级开始重迭在重迭区域波程差相等在重迭区域波程差相等=

12、11/28/202220第20页，本讲稿共38页干涉条纹向光程增大的一侧移动干涉条纹向光程增大的一侧移动,条纹间距不变条纹间距不变5。条纹移动问题。条纹移动问题6。光程和光程差。光程和光程差（1）光程光程（2）光程差光程差（3）位相差与光程差的关系位相差与光程差的关系（4）光通过薄透镜时不产生附加的光程差光通过薄透镜时不产生附加的光程差11/28/202221第21页，本讲稿共38页12.2 12.2 劈尖干涉和牛顿环干涉劈尖干涉和牛顿环干涉一、劈尖干涉一、劈尖干涉1.形成明、暗纹的条件形成明、暗纹的条件明纹明纹暗纹暗纹棱边：棱边：劈尖干涉的图样是一系列平行于棱边劈尖干涉的图样是一系列平行于棱

13、边的明、暗相间的直条纹的明、暗相间的直条纹棱边棱边K的取值：的取值：11/28/202222第22页，本讲稿共38页2.相邻两明纹相邻两明纹(或暗纹或暗纹)所对应的膜的厚度差所对应的膜的厚度差3.相邻两明纹相邻两明纹(或暗纹或暗纹)间距离间距离(1)条纹是等间距条纹是等间距(2)条纹间距与条纹间距与有关有关11/28/202223第23页，本讲稿共38页4.条纹的移动与膜厚改变量之间的关系条纹的移动与膜厚改变量之间的关系 K K级明纹级明纹MM点的光程差改变点的光程差改变M点移动一个条纹点移动一个条纹M点移动一个条纹点移动一个条纹膜的厚度改变膜的厚度改变 M点移动点移动N个条纹个条纹膜的厚度改

14、变膜的厚度改变 介质中介质中11/28/202224第24页，本讲稿共38页相邻两条明纹间距相邻两条明纹间距5.劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用(1)测量微小长度和微小角度测量微小长度和微小角度干涉膨涨仪干涉膨涨仪(2)测量长度的微小变化测量长度的微小变化 样品长度的改变量样品长度的改变量样品原长样品原长温度改变量温度改变量11/28/202225第25页，本讲稿共38页平面上有平面上有凸起凸起平面上有平面上有凹坑凹坑待测待测标准标准(3)检查平面质量检查平面质量条条 纹纹 偏偏 向向 膜膜 (空气空气)厚部分厚部分条条 纹纹 偏偏 向向 膜膜(空气空气)薄部分薄部分条纹为平行于条纹为平行于棱边的

15、直条纹棱边的直条纹平面平整平面平整光洁光洁11/28/202226第26页，本讲稿共38页牛顿环牛顿环的特点：牛顿环的特点：级次级次内低外高内低外高 间距间距内疏外密内疏外密BCAO明环明环暗环暗环K的取值：的取值：1.形成明、暗环的条件形成明、暗环的条件接触点：接触点：二、牛顿环二、牛顿环11/28/202227第27页，本讲稿共38页BCAO2.明、暗环半径明、暗环半径11/28/202228第28页，本讲稿共38页压压环外扩：环外扩：压压环内缩：环内缩：(3)检查透镜表面曲率检查透镜表面曲率 (2)测凸透镜的曲率半径测凸透镜的曲率半径3.牛顿环的应用牛顿环的应用 (1)测波长测波长要打磨

16、中央部分要打磨中央部分要打磨边缘部分要打磨边缘部分11/28/202229第29页，本讲稿共38页三、增透膜和增反膜三、增透膜和增反膜1.增透膜：增透膜：使反射光干涉减弱、使反射光干涉减弱、透射光透射光干涉加强干涉加强的薄膜的薄膜 应用在：应用在：显微镜、照相机、望远镜的透镜等。显微镜、照相机、望远镜的透镜等。2.增反膜：增反膜：应用在：应用在：眼镜、轿车玻璃、激光器谐振腔内反射镜等。眼镜、轿车玻璃、激光器谐振腔内反射镜等。直射到膜的表面，欲使反射光中直射到膜的表面，欲使反射光中=550nm 的成分相消，的成分相消，求：膜的最小厚度。求：膜的最小厚度。例例1：玻璃玻璃 n3=1.5，镀镀MgF

17、2 n2=1.38，放在，放在 空气中，白光垂空气中，白光垂解：解：使透射光干涉减弱、使透射光干涉减弱、反射光反射光干涉加强干涉加强的薄膜的薄膜 11/28/202230第30页，本讲稿共38页12.3 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪一一、仪器结构：、仪器结构：(固定固定)分分光光板板补补偿偿板板观察孔观察孔二、仪器原理：二、仪器原理：光干涉原理。光干涉原理。(1)当当 时时等厚空气膜等厚空气膜等倾干涉等倾干涉（2）当）当 不严格垂直不严格垂直 时时形成空气劈尖形成空气劈尖等厚干涉等厚干涉(可动可动)11/28/202231第31页，本讲稿共38页三、仪器的应用：三、仪器的应用：1.测量微小长度

18、：测量微小长度：（可测不透明物体）（可测不透明物体）(2)在光路上加透明物体在光路上加透明物体测厚度测厚度（实际还可测（实际还可测 等）等）（固定）（固定）分分光光板板补补偿偿板板观察孔观察孔11/28/202232第32页，本讲稿共38页例例2:解：解：两块折射率为两块折射率为 1.6 的标准平面玻璃之间形成一个空气的标准平面玻璃之间形成一个空气劈尖，用劈尖，用=600nm 的单色光垂直入射，产生等厚干涉的单色光垂直入射，产生等厚干涉条纹。当劈尖内充条纹。当劈尖内充 入入n=1.4 的液体时，条纹间距比空的液体时，条纹间距比空气时缩小气时缩小 =0.5mm,那么劈尖角那么劈尖角=？11/28

19、/202233第33页，本讲稿共38页例例3:牛顿环干涉实验，已知凸透镜的曲率半径牛顿环干涉实验，已知凸透镜的曲率半径 ，牛顿环的最大半径牛顿环的最大半径 ，若入射光的波长若入射光的波长 。求：求：（1）可产生多少个环形干涉条纹。可产生多少个环形干涉条纹。（2）若把该装置浸没在水中（）若把该装置浸没在水中（），），会看会看 到多少环形干涉条纹。到多少环形干涉条纹。解：解：由明环半径：由明环半径：则：则：（1）真空时：）真空时：，则：，则：即：即：只能看到只能看到34条条纹。条条纹。（2）有介质时：）有介质时：，则：，则：即：即：能看到能看到45条条纹。条条纹。11/28/202234第34页，

20、本讲稿共38页例例4 4：在一平玻璃上放一平凹透镜，薄膜层为空气在一平玻璃上放一平凹透镜，薄膜层为空气(1)(1)边缘是明纹还是暗纹？边缘是明纹还是暗纹？(2)(2)最多能看到几级暗纹最多能看到几级暗纹?解解:(1)(1)明纹明纹暗纹暗纹边缘边缘边缘是边缘是0级暗纹级暗纹(2)所以最多能看到第所以最多能看到第3级暗纹级暗纹,共共4条暗纹条暗纹11/28/202235第35页，本讲稿共38页小小 结结一、劈尖干涉一、劈尖干涉1.形成明、暗纹的条件形成明、暗纹的条件明纹明纹暗纹暗纹2.相邻两明纹相邻两明纹(或暗纹或暗纹)所对应的膜的厚度差所对应的膜的厚度差3.相邻两明纹相邻两明纹(或暗纹或暗纹)间

21、距离间距离4.条纹的移动与膜厚改变量之间的关系条纹的移动与膜厚改变量之间的关系 K K级明级明纹纹M介质中介质中11/28/202236第36页，本讲稿共38页明环明环暗环暗环1.形成明、暗环的条件形成明、暗环的条件二、牛顿环二、牛顿环BCAO2.明、暗环半径明、暗环半径三、增透膜和增反膜三、增透膜和增反膜1.增透膜：增透膜：使反射光干涉减弱、使反射光干涉减弱、透射光透射光干涉加强干涉加强的薄膜的薄膜 2.增反膜：增反膜：使透射光干涉减弱、使透射光干涉减弱、反射光反射光干涉加强干涉加强的薄膜的薄膜 11/28/202237第37页，本讲稿共38页1。测量。测量M2移动的距离移动的距离（可测不透明物体）（可测不透明物体）2。在光路上加透明物体在光路上加透明物体（固定）（固定）分分光光板板补补偿偿板板观察孔观察孔四、迈克尔逊干涉仪四、迈克尔逊干涉仪（2）测厚度测厚度（1）光程差改变量）光程差改变量（3）测波长测波长(4)测折射率测折射率11/28/202238第38页，本讲稿共38页