物理学干涉幻灯片.ppt

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1、物理学干涉1第1页，共22页，编辑于2022年，星期日第十二章第十二章 光的干涉光的干涉我开了两盏灯，为什么我开了两盏灯，为什么没看见干涉条纹？没看见干涉条纹？干涉是有条件的干涉是有条件的！频率相同、振动方向相同、位相差恒定。频率相同、振动方向相同、位相差恒定。相干条件：相干条件：干涉现象是波动的重要特征之一；干涉现象是波动的重要特征之一；日常生活中很难观察到光的干涉现象？日常生活中很难观察到光的干涉现象？两束光波在空间相遇，形成稳定的明暗条两束光波在空间相遇，形成稳定的明暗条纹分布的现象叫光的干涉现象。纹分布的现象叫光的干涉现象。光的干涉现象：光的干涉现象：12.1 12.1 杨氏双逢干涉实

2、验杨氏双逢干涉实验2第2页，共22页，编辑于2022年，星期日一、获得相干光的方法一、获得相干光的方法可见光可见光(400-760nm)是原子的能量状态发生改变时发出的。是原子的能量状态发生改变时发出的。原子的能量只能具有一些离散值，称为原子的原子的能量只能具有一些离散值，称为原子的能级能级。最简单的原子最简单的原子-氢原子的能级如图：氢原子的能级如图：E1 基态基态E2、E3、激发态激发态原子吸收外界能量从低原子吸收外界能量从低能态跃迁到高能态能态跃迁到高能态处于激发态的原子是不处于激发态的原子是不稳定的，自发的跃迁到稳定的，自发的跃迁到较低的能态；原子从高较低的能态；原子从高能态跃迁到低能

3、态时辐能态跃迁到低能态时辐射一列光波射一列光波近代物理学认为：近代物理学认为：1 1、光源发光的微观机制、光源发光的微观机制3第3页，共22页，编辑于2022年，星期日每一次发光是一有限长度的具有一定频率和振动方向的一每一次发光是一有限长度的具有一定频率和振动方向的一个波列。个波列。(基态基态)n=1n=2n=3n=4（1）两次发出的光子频率不同。）两次发出的光子频率不同。（2）两次发出的光子即使频率相同，）两次发出的光子即使频率相同，振动方向不同。振动方向不同。1、同一原子先后发出的两列波，不满足相干条件；同一原子先后发出的两列波，不满足相干条件；2、同一光源两个原子发出的两列波，不满足相干

4、条件；、同一光源两个原子发出的两列波，不满足相干条件；3、两个独立的光源发出的两列波，不满足相干条件。两个独立的光源发出的两列波，不满足相干条件。结论：结论：4第4页，共22页，编辑于2022年，星期日2 2、获得相干光的方法、获得相干光的方法将一个原子发出的一个波列，设法分成两将一个原子发出的一个波列，设法分成两部分，再将他们叠加起来。部分，再将他们叠加起来。基本原理：基本原理：分波面法分波面法将同一波列的将同一波列的波面波面分成两分成两部分，部分，1、2 两束光满足两束光满足相干条件。相干条件。S12分振幅法分振幅法将同一波列入射在两种媒质将同一波列入射在两种媒质的分界面上形成反射和折射的

5、分界面上形成反射和折射两束光（分两束光（分振幅振幅 A），入），入射光和反射光满足相干条射光和反射光满足相干条件。件。5第5页，共22页，编辑于2022年，星期日二、杨氏双缝干涉实验二、杨氏双缝干涉实验 双缝干涉是历史上双缝干涉是历史上第一次第一次观察到观察到的光的干涉现象的实验。该实验标的光的干涉现象的实验。该实验标志着光的波动说的开端。志着光的波动说的开端。早期装置早期装置改进装置改进装置托马斯托马斯-杨杨(英英)1773-18296第6页，共22页，编辑于2022年，星期日SD1 1、实验现象、实验现象条件条件单色平行光单色平行光7第7页，共22页，编辑于2022年，星期日2 2、明暗纹

6、条件、明暗纹条件 S1 S2 是同一波面上的两个子是同一波面上的两个子波源，满足相干条件。波源，满足相干条件。两列相干波在两列相干波在 P 点相干叠加，点相干叠加，P 点的光强决定于两列波到点的光强决定于两列波到达达 P 点的点的位相差位相差。明条纹（加强）明条纹（加强）暗条纹（减弱）暗条纹（减弱）D波程差波程差加强加强减弱减弱8第8页，共22页，编辑于2022年，星期日3 3、明暗纹位置、明暗纹位置明条纹中心位置明条纹中心位置暗条纹中心位置暗条纹中心位置相邻条纹中心间距相邻条纹中心间距dD9第9页，共22页，编辑于2022年，星期日4、双缝干涉条纹特点、双缝干涉条纹特点1、条纹间距、条纹间距

7、-明条纹间距明条纹间距=暗条纹间距暗条纹间距明暗条纹交替明暗条纹交替均匀均匀分布，对称分布在中分布，对称分布在中央明条纹（央明条纹（0 级明条纹）两侧级明条纹）两侧4、3、5、2、条纹分布、条纹分布:10第10页，共22页，编辑于2022年，星期日讨论：用白光照射讨论：用白光照射(1)中央明纹是白色；中央明纹是白色；(2)其余各级条纹为由紫到红的彩色光带；其余各级条纹为由紫到红的彩色光带；(3)第第k级彩色光带的宽度级彩色光带的宽度(4)当级数一定高时，有重叠现象。当级数一定高时，有重叠现象。设从第设从第k级开始重叠，则有：级开始重叠，则有：说明从第说明从第2级开始重叠级开始重叠重叠宽度：重叠

8、宽度：o o紫紫红红xx紫紫红红k+1k+1级级(2(2级级)白色白色k k级级紫紫红红11第11页，共22页，编辑于2022年，星期日四、其他分波阵面干涉的实验四、其他分波阵面干涉的实验1 1、菲涅耳双棱镜实验、菲涅耳双棱镜实验菲涅耳菲涅耳(法法)1788-182712第12页，共22页，编辑于2022年，星期日2 2、菲涅耳双面镜实验、菲涅耳双面镜实验13第13页，共22页，编辑于2022年，星期日3 3、洛埃镜实验、洛埃镜实验应该是明纹应该是明纹,但实际却是但实际却是暗纹暗纹！实验证明：实验证明：光也具有半波损失！光也具有半波损失！P 点点该实验的明暗纹结论和杨氏双缝实验的结论刚好相反。

9、该实验的明暗纹结论和杨氏双缝实验的结论刚好相反。14第14页，共22页，编辑于2022年，星期日五、光程和光程差五、光程和光程差当一条光路中有另一种当一条光路中有另一种媒质存在时，两列波的媒质存在时，两列波的位相差位相差=？对一定频率的单色光，在对一定频率的单色光，在不同的媒质中传播时，频不同的媒质中传播时，频率不变，但波长会发生改率不变，但波长会发生改变。变。在真空中在真空中在媒质中在媒质中光波每传播一个波长的距离，位相改变光波每传播一个波长的距离，位相改变15第15页，共22页，编辑于2022年，星期日在媒质中传播距离在媒质中传播距离 e 位相的改变位相的改变:光在媒质中传播光在媒质中传播

10、 e 距离的距离的位相变化位相变化，与在真空中传播与在真空中传播 ne 距离距离位相变化位相变化相同。相同。将将 ne 称为称为光程光程。光在媒质中的传播距离，按位相变化相光在媒质中的传播距离，按位相变化相同，折算为同，折算为光光在在真空真空传播的路程。传播的路程。光程光程的物理意义：的物理意义：16第16页，共22页，编辑于2022年，星期日光程差光程差两列相干波的光程之差两列相干波的光程之差位相差位相差光程差与条纹移动光程差与条纹移动光路中没有媒质时，两光路中没有媒质时，两波源波源 S1、S2 到达到达M 点的点的光程差等于光程差等于 0，M 点为点为 0 级条纹的位置；级条纹的位置；光路

11、中有媒质时，光路中有媒质时，M 点的光点的光程差不为程差不为 0，M 点不再是点不再是 0 级条纹的位置。级条纹的位置。17第17页，共22页，编辑于2022年，星期日P 点的光程差点的光程差若若P 点为新的点为新的 0 级条纹位置，条纹的位置发生移动。级条纹位置，条纹的位置发生移动。移动条纹数：移动条纹数：对于同一点，对于同一点，改变一个改变一个 ，条纹移动一条，条纹移动一条若光程差的改变量若光程差的改变量则条纹移动数目：则条纹移动数目：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18第18页，共22页，编辑于2022年，星期日透镜与光程差：透镜与光程差：光路中的透镜只改变波的传

12、播方向或波面的形状，不光路中的透镜只改变波的传播方向或波面的形状，不产生附加的光程差。产生附加的光程差。结论：结论：计算光程差时可以不考虑光路中透镜。计算光程差时可以不考虑光路中透镜。在观察干涉、衍射现象时，经常要用到透镜，不同光线通在观察干涉、衍射现象时，经常要用到透镜，不同光线通过透镜可改变传播方向，那么会不会引起附加光程差呢？过透镜可改变传播方向，那么会不会引起附加光程差呢？19第19页，共22页，编辑于2022年，星期日例题例题1杨氏双缝实验中，已知：杨氏双缝实验中，已知：已知已知 2 级明条纹的位置级明条纹的位置求：波长、条纹间距？求：波长、条纹间距？得得20第20页，共22页，编辑

13、于2022年，星期日已知：薄膜的折射率已知：薄膜的折射率 n=1.5，使用氦氖激光器作为光源，使用氦氖激光器作为光源，例题例题 2利用杨氏双缝实验，可以测量超薄薄膜得厚度。利用杨氏双缝实验，可以测量超薄薄膜得厚度。在一光路中插入薄膜后在一光路中插入薄膜后，0 级明条纹中心变为级明条纹中心变为 3 级明纹中心，级明纹中心，求：薄膜的厚度？求：薄膜的厚度？由氦氖激光波长由氦氖激光波长未加薄膜时未加薄膜时加入薄膜后加入薄膜后波长单位：波长单位：即干涉条纹的位置向上移动了即干涉条纹的位置向上移动了 3 条。条。21第21页，共22页，编辑于2022年，星期日当缝当缝 S2 用如图形状透明媒质遮盖，并逐渐向上插入时，用如图形状透明媒质遮盖，并逐渐向上插入时，解：插入介质，解：插入介质，O 点的光程差点的光程差例题例题 3新的中央明纹（新的中央明纹（0 级条纹）位置级条纹）位置即：即：当薄膜的厚度逐渐增加时，当薄膜的厚度逐渐增加时，r1 增加增加 r2 减小，中央条减小，中央条纹向下移动纹向下移动试分析干涉条纹的变化试分析干涉条纹的变化?22第22页，共22页，编辑于2022年，星期日