1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案海大理学院海大理学院教学课件教学课件光的干涉（光的干涉（1）光学绪言光学绪言17-1 相干光相干光17-2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉一、光学的研究内容一、光学的研究内容 研究光的本性；研究光的本性；光的产生、传输与接收规律；光的产生、传输与接收规律；光与物质的相互作用；光与物质的相互作用；光学的应用。光学的应用。绪言绪言二、光的两种学说二、光的两种学说牛顿的微粒说牛顿的微粒说光是由发光物体发出的遵循力学规律光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。的粒子流。惠更斯的波动说惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质光是机械波，在弹性介质“以以太太”中传播。中传播。四
2、、光学的分类四、光学的分类 几何光学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。器成象规律。物理光学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。以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。波动光学波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科学科量子光学量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科其应用的学科三、光的本性三、光的本性 光的电磁理论光的电磁理论波动性波动性：干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振 光的量子理
3、论光的量子理论粒子性粒子性：黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效应光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振第十七章第十七章波动光学波动光学一、光波一、光波1光波的概念：光波的概念：红外光：红外光：0.76m可 见 光：可 见 光：0.4 0 m 与与0.76m之间之间紫外光：紫外光：0.40m171 相干光相干光2光的颜色：光的颜色：单色光单色光只含单一波长的光：激光只含单一波长的光：激光复色光复色光不同波长单色光的混合：白光不同波长单色光的混合：白光3光的速度与折射率光的速度与折射率：v=c/n二、二、光矢量光矢量1光矢量光矢量电场电场强度强度E的振动称为光振动
4、，电场强度称为光矢量。的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。2光强光强光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播光的平均能流密度，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方向垂直的单位面积的光的能量在一个周期内的平均值平均值 I=E02三、光的干涉现象三、光的干涉现象1什么是光的干涉现象什么是光的干涉现象两束光的相遇区域形成稳两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强定的、有强有弱的光强分布。分布。2相干条件相干条件振动方向相同振动方向相同振动频率相同振动频率相同相位相同或相位差保持恒定相位相同或相位差保持恒定3 相干光与相干光源相干光与相干光源两束满足相干条件的光称
5、为两束满足相干条件的光称为相相干光干光相应的光源称为相应的光源称为相干光源相干光源4明暗条纹条件明暗条纹条件 用用相位差相位差表示：表示：明条纹：明条纹：=2k k=0,1,2,暗条纹：暗条纹：=(2k-1)k=1,2,3,用用波程差波程差表示表示根据波程差与相位差的关系根据波程差与相位差的关系 =2/明条纹：明条纹：=k k=0,1,2,暗条纹：暗条纹：=(2k-1)/2 k=1,2,3,四、相干光的获得四、相干光的获得1普通光源的发光机理普通光源的发光机理光波列长度：光波列长度：ml结论：普通光源发出的光波结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干不满足相干条件，不是相干光，不能产生
6、干涉现象。光，不能产生干涉现象。特点：同一原子发光具有瞬时性特点：同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而和间歇性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性。不同原子发光具有独立性。2获得相干光源的两种方法获得相干光源的两种方法 原理：原理：将同一光源上同一点或极小区域发出的一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。路径后，再使它们相遇，它们是相干光。方法：方法：分波阵面法：把光波的阵面分为两部分分波阵面法：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分振幅法：利用两个反
7、射面产生两束反射光光S1S2SE172 杨氏双缝干涉、洛埃镜、双镜杨氏双缝干涉、洛埃镜、双镜一、杨氏双缝干涉一、杨氏双缝干涉托马斯托马斯杨（杨（Thomas Young）英国英国物理学家、医生和考古学家，光的物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动说的奠基人之一波动光学：波动光学：杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验生理光学：生理光学：三原色原理三原色原理材料力学：材料力学：杨氏弹性模量杨氏弹性模量考古学考古学 ：破译古埃及石碑上的文字破译古埃及石碑上的文字1、杨氏简介、杨氏简介2、杨氏双缝干涉、杨氏双缝干涉实验装置实验装置 1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个年，杨
8、氏巧妙地设计了一种把单个波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。杨氏用象。杨氏用叠加原理叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长光的波长，为光的，为光的波动学说波动学说的确立奠定了基础。的确立奠定了基础。3、双缝干涉的波程差、双缝干涉的波程差两光波在两光波在P点的波程差为点的波程差为 =r2-r1 r12=D2+(x-d/2)2 r22=D2+(x+d/2)2所以所以 r22-r12=2xd即即 (r2-r1)(r2+r1)=2xd采用近似采用近似 r2+r1
9、2D波程差为波程差为 =r2-r1=xd/Dr2r1OPxdS2S1D4、干涉条纹的位置、干涉条纹的位置（1）明条纹：）明条纹：=xd/D=kk 中心位置：中心位置：x=kD/dkD/d k=0,1,2,（2）暗条纹：）暗条纹：=xd/D=(2k-1)(2k-1)/2/2 中心位置：中心位置：x=(2k-1)D/(2d)(2k-1)D/(2d)k=1,2,3,（3）条纹间距：）条纹间距：相邻明纹中心或相邻相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹暗纹中心的距离称为条纹间距间距 x=D/dD/d5、干涉条纹的特点、干涉条纹的特点双缝干涉条纹是与双缝平行双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此的一
10、组明暗相间彼此等间距等间距的直条纹的直条纹，上下对称。，上下对称。光源光源S位置改变：位置改变：S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；S上上 ，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。双缝间距双缝间距d 改变：改变：当当d 增大时，增大时，x减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。当当d 减小时，减小时，x增大，条纹变稀疏。增大，条纹变稀疏。双缝与屏幕间距双缝与屏幕间距D 改变：改变：当当D 减小时，减小时，x减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。减小，零级明纹中心位置不变
11、，条纹变密。当当D 增大时，增大时，x增大，条纹变稀疏。增大，条纹变稀疏。x=D/d演示演示6、讨论、讨论 x=D/d（1）波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化）波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化对于不同的光波，若满足对于不同的光波，若满足k11=k22出现干涉条纹的重叠。出现干涉条纹的重叠。入射光波长改变：入射光波长改变：当当增大时，增大时，x增大，条纹变疏；增大，条纹变疏；当当减小时，减小时，x减小，条纹变密。减小，条纹变密。若用复色光源，则干涉条纹若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。是彩色的。1k2k3k2k1k3k（2）介质对干涉条纹的影响介质对干涉条纹的影响在在S1后加透明介
12、质薄膜，干涉条纹如何变化？后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？零级明纹上移至点零级明纹上移至点P，屏上所有干涉条纹屏上所有干涉条纹同时向上平移同时向上平移。移过条纹数目移过条纹数目 k=(n-1)t/条纹移动距离条纹移动距离 OP=kx若若S2后加透明介质薄膜，干涉条纹下移后加透明介质薄膜，干涉条纹下移。r2r1OPxdS2S1若把整个实验装置置于折射率为若把整个实验装置置于折射率为n的介质中，的介质中，明条纹：明条纹：=n(n(r2-r1)=kk k=0,1,2,暗条纹：暗条纹：=n(n(r2-r1)=(2k-1)/2(2k-1)/2 k=1,2,3,或或 明条纹：明条纹：r2-r1=xd/
13、D=k/n=k/n=kk k=0,1,2,暗条纹：暗条纹：r2-r1=xd/D=(2k-1)/2n(2k-1)/2n =(2k-1)(2k-1)k=1,2,3,为入射光在介质中的波长为入射光在介质中的波长条纹间距为条纹间距为 x=D/(ndD/(nd)=D/dD/d 干涉条纹干涉条纹变密。干涉条纹干涉条纹变密。7、光强分布、光强分布合光强为合光强为 I=I1+I2+2sqrt(I1I2)cos 当当I1=I2=I0时时 I=2I0(1+cos)=4 I0cos2(/2)=4 I0cos2(/)当当=kk时，时，I=II=Imaxmax=4=4 I0当当=(2k-1)/2(2k-1)/2时，时，
14、I=II=Iminmin=0=08、杨氏双缝干涉的应用、杨氏双缝干涉的应用（1）测量波长：）测量波长：（2）测量薄膜的厚度和折射率：）测量薄膜的厚度和折射率：（3）长度的测量微小改变量。）长度的测量微小改变量。例例1、求光波的波长、求光波的波长在杨氏双缝干涉实验中，已知双缝间距为在杨氏双缝干涉实验中，已知双缝间距为0.60mm0.60mm，缝和屏相距，缝和屏相距1.50m1.50m，测得条纹宽度为，测得条纹宽度为1.50mm1.50mm，求入射光的波长。，求入射光的波长。解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式解：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可以得到光波的波长为 =xd/D
15、代入数据，得代入数据，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当双缝干涉装置的一条狭缝后面盖上折射率为n n=1.58=1.58的云的云母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了9 9个条纹间距，已知个条纹间距，已知波长波长=5500A=5500A0 0，求云母片的厚度。，求云母片的厚度。例例2、根据条纹移动求缝后所放介质片的厚度、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，零级明条纹在解：没有盖云母片时，零级明条纹在O O点；当点；当S S1 1缝后盖上云母片缝后盖上云母片后
16、，光线后，光线1 1的光程增大。由于零级明条纹所对应的光程差为零，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光程差为零。依题意，所以这时零级明条纹只有上移才能使光程差为零。依题意，S S1 1缝盖上云母片后，零级明条纹由缝盖上云母片后，零级明条纹由O O点移动原来的第九级明条纹位点移动原来的第九级明条纹位置置P P点，当点，当xD时，时，S S1 1发出的光可以近似看作垂直通过云母片，发出的光可以近似看作垂直通过云母片，光程增加为光程增加为(n-1)b，从而有，从而有 (n-1)b=k所以所以 b=k/(/(n-1)=9-1)=9550055001010-1
17、0-10/(1.58-1)/(1.58-1)=8.53 =8.531010-6-6m mr2r1OPxdS2S1二、菲涅耳双面镜干涉实验二、菲涅耳双面镜干涉实验引入引入 菲涅耳提出了的获得相菲涅耳提出了的获得相干光的方法。干光的方法。实验装置实验装置原理原理:屏幕上屏幕上O O点在两点在两个虚光源连线的个虚光源连线的垂直平分线上，垂直平分线上，屏幕上明暗条纹屏幕上明暗条纹中心对中心对O O点的偏点的偏离离 x为：为：dLkx dLkx 212 明条纹中心的位置明条纹中心的位置2,1,0k暗条纹中心的位置暗条纹中心的位置三、洛埃镜实验三、洛埃镜实验实验装置与原理实验装置与原理AB为一背面涂黑的玻
18、璃片，为一背面涂黑的玻璃片，从狭缝从狭缝S1射出的光，一部分射出的光，一部分直接射到屏幕直接射到屏幕X上，另一部上，另一部分经过玻璃片反射后到达屏分经过玻璃片反射后到达屏幕，反射光看成是由虚光源幕，反射光看成是由虚光源S2发出的，发出的，S1、S2构成一对构成一对相关光源，在屏幕上可以看相关光源，在屏幕上可以看到明、暗相间的干涉条纹到明、暗相间的干涉条纹。QSSMLdpBA光栏光栏W pQ半波损失半波损失原因：原因：当光从光疏介质射向光当光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位发生密介质时，反射光的相位发生了了跃变，或者反射光产生了跃变，或者反射光产生了/2附加的光程差，即附加的光程差，即“半
19、波半波损失损失”。解释：解释：光的电磁理论（菲涅耳光的电磁理论（菲涅耳公式）可以解释半波损失。公式）可以解释半波损失。现象：现象：当屏幕当屏幕W移至移至B处，从处，从 S 和和 S 到到B点的光程差为零，点的光程差为零，但是观察到暗条纹，但是观察到暗条纹，验证了反验证了反射时有半波损失存在。射时有半波损失存在。情况情况1：n1n2n2n3 无无无无没有没有情况情况3：n1n3 有有无无有有情况情况4：n1n2n3 无无 有有有有产生半波损失的条件：产生半波损失的条件：光从光疏介质射向光密介光从光疏介质射向光密介质，即质，即n1n2；半波损失只发生在反射半波损失只发生在反射光中；光中；对于三种不同的媒质，对于三种不同的媒质，两反射光之间有无半波损两反射光之间有无半波损失的情况如下：失的情况如下：n1n2n2n3 无无n1n3 有有n1n2n3 有有四、菲涅耳双棱镜实验四、菲涅耳双棱镜实验 实验装置实验装置)1(2 nDd M光栏光栏Sd1S2SLD屏幕屏幕小小 结结 光的干涉理论光的干涉理论 杨氏干涉杨氏干涉 实验装置实验装置 干涉条件干涉条件 条纹特点条纹特点 菲涅耳双面镜、洛埃镜、菲涅耳双棱镜菲涅耳双面镜、洛埃镜、菲涅耳双棱镜作业作业思考题：思考题：P171 1，2，3，4习习 题：题：P174 1，2，3，4预预 习：习：17-3，17-4，17-5
