1、大学物理光学篇大学物理光学篇总结总结.光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振波波 动动 光光 学学 2 光程差与相位差光程差与相位差1122rnrn 2)12(kk明明暗暗干涉条纹明暗条件干涉条纹明暗条件最大光程差最大光程差 sina 衍射条纹衍射条纹明暗条件明暗条件 2)12(kk明明暗暗马吕斯定律马吕斯定律 212cosII 布儒斯特定律布儒斯特定律21120nnntgi 2/00 ri.分振幅法分振幅法光的干涉（相干光源）光的干涉（相干光源）分波振面法分波振面法杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉菲涅耳双镜菲涅耳双镜洛埃德镜洛埃德镜等倾干涉等倾干涉等厚干涉等厚干涉薄膜干涉薄膜干涉 暗暗明明
2、2)12(kk2sin222122 inne1n2neia1n132erR 在光垂直入射的情况下在光垂直入射的情况下222 enxDndrrn )(12.光的衍射光的衍射单缝衍射：单缝衍射：圆孔衍射：圆孔衍射：光栅衍射：光栅衍射：光栅衍射条纹是单缝衍射和多光束光栅衍射条纹是单缝衍射和多光束 干涉的综合效果。干涉的综合效果。sina 半波带法半波带法D 22.1 爱里斑的半角宽度：爱里斑的半角宽度：光栅方程光栅方程.)2,1,0(sin)(kkba kabak 缺级现象缺级现象最高级次满足：最高级次满足：bak max.杨氏双杨氏双缝缝劈尖干劈尖干涉涉条纹宽度条纹宽度暗纹暗纹明纹明纹单缝衍单缝衍
3、射射牛顿环牛顿环类别类别重重 要要 公公 式式 kndDx 2)12(kndDx nke412 nke2 nRkrk2)12(nkRrk k=0,1,2,.k=0,1,2,.ne2 nl2 ndDx afkx afkx2)12(ll20 afl 20 k=1,2,.k=0,1,2,.k=1,2,.k=1,2,.其他公式：其他公式：1、光学仪器最小分辨角和分辨本领：、光学仪器最小分辨角和分辨本领：D 22.1min 2、斜入射时，光栅方程：、斜入射时，光栅方程：,2,1,0)sin)(sin(kkba 22.11minDR .1、在双缝干涉实验中，所用光的波长、在双缝干涉实验中，所用光的波长 ，
4、双缝与，双缝与 屏的距离为屏的距离为D=300mm；双缝间距；双缝间距d=0.134mm,则中央明纹两则中央明纹两 侧的两个第三级明纹之间的距离为侧的两个第三级明纹之间的距离为_。mm10461.54 2、用波长为、用波长为 的单色光的单色光垂直照射垂直照射折射率为折射率为 n2 的劈尖膜。图中各的劈尖膜。图中各 部分的折射率的关系是部分的折射率的关系是 n1n2n3。观察反射光的干涉条纹，。观察反射光的干涉条纹，从劈尖顶向右数从劈尖顶向右数第第 5 条条暗条纹中心所对应的厚度暗条纹中心所对应的厚度e=_。kndDxk 633ndDxxx 1n2n3n 暗暗亮亮2)12(22 kken 292
5、42 enk 249ne 249n 一、填空题：一、填空题：mm34.7.3、光强均为、光强均为的两束相干光发生干涉时在相遇的区域可能的两束相干光发生干涉时在相遇的区域可能 出现的最大光强是出现的最大光强是 。02020244)2(IAAAI 04 I4、在单缝的夫琅和费衍射实验中，屏上第五级暗纹对应于单、在单缝的夫琅和费衍射实验中，屏上第五级暗纹对应于单 缝处波面可划分为缝处波面可划分为个半波带，若将缝宽缩小一半，个半波带，若将缝宽缩小一半，原来的第三级暗纹将是原来的第三级暗纹将是 纹纹.22sin ka 102 kn明明1023sin3sin2 aa.6、用波长为、用波长为5000的平行单
6、色光垂直照射在一透射光栅上，在的平行单色光垂直照射在一透射光栅上，在 分光计上测得第一级光谱线的衍射角为分光计上测得第一级光谱线的衍射角为 。则该光栅。则该光栅 每一毫米上有每一毫米上有_条刻痕。条刻痕。30 1S2SneAen)1(2 A40000 e10005、有两个同相的相干点光源、有两个同相的相干点光源 S1 和和 S2，发出波长为，发出波长为 的光。的光。A 是它们连线的中垂线上的一点。若是它们连线的中垂线上的一点。若 在在S1与与A 之间插入厚度为之间插入厚度为 e、折射率为、折射率为n 的薄玻璃片，则两光源发出的光在的薄玻璃片，则两光源发出的光在 A 点的相位点的相位 差差 =_
7、。若已知。若已知 =5000，n=1.5，A 点恰为点恰为 第四级明纹中心，则第四级明纹中心，则 e=_ 。kba sin)(baN 1.7、在单缝的夫琅和费衍射示意图中所画的各条正入射光线间距、在单缝的夫琅和费衍射示意图中所画的各条正入射光线间距 相等，那么光线相等，那么光线1 和和 3 在屏上在屏上P点相遇时的相位差为点相遇时的相位差为 ，P点应为点应为 点。点。13 2213 P点为暗点点为暗点242 2暗暗fP3 224518、一自然光通过两个偏振片，若两片的偏振化方向间夹角、一自然光通过两个偏振片，若两片的偏振化方向间夹角 由由A转到转到B，则转前和转后透射光强之比为，则转前和转后透
8、射光强之比为 。BA22coscos.二、选择题：二、选择题：2、一束波长为、一束波长为 的单色光由空气入射到折射率为的单色光由空气入射到折射率为 n 的透明介的透明介 质上，要使反射光得到干涉加强，则膜的最小厚度为：质上，要使反射光得到干涉加强，则膜的最小厚度为：4/)A)4/()nB 2/)C)2/()nD kne 22nek4,0 en1 231、两个直径有微小差别的彼此平行的滚柱之间的距离为、两个直径有微小差别的彼此平行的滚柱之间的距离为 L，夹在两块平晶的中间，形成空气劈尖，当单色光垂直入夹在两块平晶的中间，形成空气劈尖，当单色光垂直入 射时，产生等厚干涉条纹，如果滚柱之间的距离射时
9、，产生等厚干涉条纹，如果滚柱之间的距离 L 变小，变小，则在则在 L 范围内干涉条纹的范围内干涉条纹的A）数目减少，间距变大。）数目减少，间距变大。B）数目不变，间距变小。）数目不变，间距变小。C）数目增加，间距变小。）数目增加，间距变小。D）数目减少，间距不变。）数目减少，间距不变。L.）向上平移动向上平移动）向上平移动向上平移动）不动不动 ）条纹间距变大条纹间距变大4、在单缝的夫琅和费衍射实验中，若减小缝宽，其他条件不、在单缝的夫琅和费衍射实验中，若减小缝宽，其他条件不 变，则中央明纹变，则中央明纹afl 20 3、在单缝的夫琅和费衍射实验中，把单缝垂直透镜光轴稍微、在单缝的夫琅和费衍射实
10、验中，把单缝垂直透镜光轴稍微 向上平移时向上平移时,屏上的衍射图样将屏上的衍射图样将A）宽度变小）宽度变小 B ）宽度变大）宽度变大 C）宽度不变，且中心强度不变）宽度不变，且中心强度不变 D ）宽度不变，但中心强度变小）宽度不变，但中心强度变小.5、一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设以布儒斯特角、一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设以布儒斯特角i 0 入射，则在界面入射，则在界面 2 上的反射光：上的反射光：0i21A）自然光）自然光。B）完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面。完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面。C）完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面。）完全偏振光且光矢量的
11、振动方向平行于入射面。D）部分偏振光。）部分偏振光。6、两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光、两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光 线通过，当其中一偏振片慢慢转动线通过，当其中一偏振片慢慢转动1800时透射光强度发生的时透射光强度发生的 变化为：变化为：A）光强单调增加）光强单调增加B）光强先增加，后又减小到零。）光强先增加，后又减小到零。C）光强先增加，后又减小，再增加。）光强先增加，后又减小，再增加。D）光强先增加，后减小，再增加，再减小到零。）光强先增加，后减小，再增加，再减小到零。.10、一束光是自然光和线偏振光的混和，让它垂直通过一偏、一束光是自然光和线偏
12、振光的混和，让它垂直通过一偏 振片。若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强振片。若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强 最大值是最小值的最大值是最小值的5倍，那么入射光中自然光与线偏振倍，那么入射光中自然光与线偏振 光的比值是：光的比值是：52/)2(00 III210 IIA）1/2 B）1/5 C）1/3 D）2/3 9、如果两个偏振片堆叠在一起，且偏振化方向之间夹角、如果两个偏振片堆叠在一起，且偏振化方向之间夹角 为为600，光强为，光强为 I 0的自然光垂直入射在偏振片上，则出的自然光垂直入射在偏振片上，则出 射光强为：射光强为：A）I0/8 B）3 I08 C）I0/4 D）
13、3 I04860cos2020III .例例1一束波长为一束波长为 550 nm的平行光以的平行光以 30 角入射到相距为角入射到相距为 d=1.0010 3 mm 的双缝上，双缝与屏幕的双缝上，双缝与屏幕 E 的间距为的间距为 D=0.10m。在缝。在缝 S2上放一折射率为上放一折射率为1.5的玻璃片，这时双缝的玻璃片，这时双缝 的中垂线上的中垂线上O 点处出现第点处出现第8 级明条纹。求：级明条纹。求：1）此玻璃片的）此玻璃片的 厚度。厚度。2）此时零级明条纹的位置。）此时零级明条纹的位置。解：解：1）入射光到达双缝时已有光程差：）入射光到达双缝时已有光程差：30sin1d 经双缝后，又产
14、生附加光程差：经双缝后，又产生附加光程差：en)1(2 两束光在点两束光在点O处相聚时的光程差为：处相聚时的光程差为：30sin)1(12den 由题意知：点由题意知：点O处为第处为第8 级明条纹，即：级明条纹，即：830sin)1(den1S2SEoD301.2）设零级明条纹位于点）设零级明条纹位于点O下方距离为下方距离为 x 的点的点p 处。处。0)1(30sin enxDdd 解得：解得：(m)4.0 x则两束光到达该处的光程差为：则两束光到达该处的光程差为：1S2SEoD30 xpneepSL 22pSdL1130sin (m)108.9130sin86 nde.例例2在双缝干涉实验中
15、在双缝干涉实验中,波长波长 的单色平行光垂直照射到的单色平行光垂直照射到 缝间距为缝间距为 的双缝上，屏到双缝的距离的双缝上，屏到双缝的距离 D=2m.求：求：1)中央明纹两侧两条中央明纹两侧两条10级明纹中心的距离。级明纹中心的距离。2)以厚度为以厚度为 ，折射率为，折射率为n=1.58的玻璃片的玻璃片 覆盖后，零级明纹将移到原来的第几级的位置。覆盖后，零级明纹将移到原来的第几级的位置。A5500 m1024 am106.65 e解解:1)kndDxk 故：故：m11.01055002010221041010 xx1Sd2SC12e ken )1(796.6 k2)覆盖玻璃后零级条纹应满足：
16、覆盖玻璃后零级条纹应满足：0)1(12 rren不盖玻璃时此处为不盖玻璃时此处为k级满足：级满足：krr 12.例例3 在半径在半径 R2=20m 的凸球形玻璃球面上叠放一个待测的曲率的凸球形玻璃球面上叠放一个待测的曲率 半径为半径为R1的平凸透镜，两球面在的平凸透镜，两球面在C点相接触。用波长点相接触。用波长 5461 的单色光垂直入射，测得牛顿环的第的单色光垂直入射，测得牛顿环的第25个亮环的个亮环的 半径半径r=9.444mm。试求平凸透镜的半径。试求平凸透镜的半径 R1。2522 e 通过通过C点作两球面的切平面点作两球面的切平面21eee 解：设解：设第第25个亮环所对应的空气劈尖的
17、厚度为个亮环所对应的空气劈尖的厚度为e。则满足以下关系：则满足以下关系：mm106897.63 eCO1R1R2re1e222212122RreRre 而而 212112RRre代入已知条件，得：代入已知条件，得：m101 R.例例4波长为波长为5890的光，入射到宽为的光，入射到宽为a=1.0mm的单缝上，使的单缝上，使 在离缝在离缝D=2.0 m远的屏上产生衍射条纹。求在中央明条远的屏上产生衍射条纹。求在中央明条 纹任一侧，相邻两暗纹之间的距离。若将整个装置浸入纹任一侧，相邻两暗纹之间的距离。若将整个装置浸入 水中，此时相邻两暗纹之间的距离是多少？水中，此时相邻两暗纹之间的距离是多少？解：
18、解：1）afl m1018.110110589023310 l2）若浸入）若浸入 水中，水中，33.1 nnafl且且 m2 Dfm10887.01033.110589023310 l.例例5在单缝夫琅和费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长，在单缝夫琅和费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长，1=4000，2=7600。单缝缝宽。单缝缝宽a=1.0102cm。透镜焦距透镜焦距f=50 cm，求，求1）两种光第一级衍射明纹中心之间）两种光第一级衍射明纹中心之间 的距离。的距离。2）若用）若用d=1.0103 cm的光栅替换单缝，其他条的光栅替换单缝，其他条 件和上一问相同。求两种光第一级主极大之间
19、的距离。件和上一问相同。求两种光第一级主极大之间的距离。解：解：1）由单缝衍射明条纹公式知：）由单缝衍射明条纹公式知：afkxk2)12(afxk2)12(11 afxk2)12(22 afx2)(312 cm27.010210)40007600(35028 .dfxk11 dfxk22 dfxxxkk)(1212 cm8.110110)40007600(5038 11sin kd 22sin kd 很小。则有很小。则有、因为因为21 2sinfxtg )1(k2）光栅方程：）光栅方程：kd sin.例例6一衍射光栅，每厘米有一衍射光栅，每厘米有 200 条透光缝，每条透光缝宽为条透光缝，每条
20、透光缝宽为 a=210-3 cm，在光栅后放一焦距，在光栅后放一焦距 f=1 m 的凸透镜，现以的凸透镜，现以 =6000 的单色平行光垂直照射光栅，求：的单色平行光垂直照射光栅，求：1）透光缝）透光缝 a 的单缝衍射中央明条纹宽度为多少？的单缝衍射中央明条纹宽度为多少？2）在该宽度内，有几个光栅衍射主极大？）在该宽度内，有几个光栅衍射主极大？解：解：1）afl 20 m06.01021062570 l.kba sin)(kaba )(5.210220010122 abak在该范围内能看到的主极大个数为在该范围内能看到的主极大个数为5个。个。光栅方程：光栅方程：2）单缝衍射第一级极小满足单缝衍
21、射第一级极小满足aa sinsin5.225 abaadkk 5.2所以，第一次缺级为第五级。所以，第一次缺级为第五级。在单缝衍射中央明条纹宽度内可以看到在单缝衍射中央明条纹宽度内可以看到0、1、2 级主极大明条纹共级主极大明条纹共5 条。条。.例题例题 波长波长=6000埃单色光垂直入射到一光栅上，测得第二埃单色光垂直入射到一光栅上，测得第二级主极大的衍射角为级主极大的衍射角为30度，且第三级缺级。度，且第三级缺级。光栅常数（光栅常数（a+b)是多大？是多大？透光缝可能的最小宽度是多少？透光缝可能的最小宽度是多少？在选定在选定了上述了上述(a+b)和和a之后，求在衍射角之后，求在衍射角-/2
22、/2范围内可能观范围内可能观察到的全部主极大的级次。察到的全部主极大的级次。解解（1）由二级主极由二级主极大满足的光栅方程：大满足的光栅方程：230sin0 dmd5104.2 （2）由第三级缺级，透光缝的最小宽度为：）由第三级缺级，透光缝的最小宽度为：mdkkda5108.03 （3）可能观察到的主极）可能观察到的主极大极次为：大极次为：0，1，24 dk.作业：作业：10-9如图所示，用波长为如图所示，用波长为 的单色光垂直照射折射率为的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖。图中各部分折射率的关系是的劈尖。图中各部分折射率的关系是n1 n2 n3，观察反射，观察反射光的干涉条纹，从劈尖顶端开始
23、向右数第光的干涉条纹，从劈尖顶端开始向右数第5条暗纹中心所对条暗纹中心所对应的厚度是多少应的厚度是多少?321nnn 解 因故在劈尖上下表面的两反射光无因半波损失故在劈尖上下表面的两反射光无因半波损失引起的附加光程差，干涉暗纹应满足引起的附加光程差，干涉暗纹应满足习题10-9图n1n2n321222ken因棱边为明纹，故从棱边开始向右数第因棱边为明纹，故从棱边开始向右数第5条暗纹对应上式中条暗纹对应上式中k=4所以所以2225494142412nnnke.10-16在正常照度下，人眼瞳孔的直径约为在正常照度下，人眼瞳孔的直径约为2mm，人眼最敏感的波长为5500。眼前250mm(明视距离明视距
24、离)处的点物在视网膜上形成艾里斑的角半径是多少处的点物在视网膜上形成艾里斑的角半径是多少?明视距离明视距离处能够被分辨的两物点的最小距离是多少处能够被分辨的两物点的最小距离是多少?(前房液和玻璃状液的折射率前房液和玻璃状液的折射率n=1.33)。nrad1051.2102337.1105.522.122.122.1437ndd解(1)因人眼中玻璃状液体的折射率为n，为1.337，所以波长变为在视网膜上形成爱里斑的角半径为d22.1minm104.81025102105.522.122.15237dLD(2)人眼的最小分辨角 设在距离L处能分辨的最小距离为D，则.400017600212sinba13sin ba6000400023231600010-21以白光(波长范围40007600)垂直照射光栅，在衍射光谱中，第2级和第3级发生重叠。求第2级被重叠的范围。解 最小波长和最大波长分别为 第3级光谱中，主极大的位置与第2级某一波长的主极大位置相同时，开始重叠，由光栅方程可求此波长 故，第2级光谱中被重叠的光谱波长范围为 60007600 .
