fang第十五章波动光学基础1.ppt

University Physics,Xian Jiaotong University Aiping Fang 11 / 7 / 2012,University physics AP Fang,波源和观察者相向运动时符号为(+)，背离运动时符号为(-)。,讨论:,(3),(1) 当波源或观察者在二者联线垂直方向上运动时，无多普勒频移。,时，多普勒效应失去意义，,马赫角,为光源和接收器的相对速度,此时，形成冲击波。,(2) 应用:监测车辆行驶速度、测量血液流速、跟踪卫星等。,University physics AP Fang,超音速飞机突破音障的瞬间,University physics AP Fang,一警笛发射频率为1500Hz的声波，并以22m/s的速度向某一方向运动，一人以6m/s的速度跟踪其后。,观察者接收到的频率( 波源和观察者同时运动 ) ：,警笛后方空气中声波的频率( 观察者静止，波源运动 ):,警笛后方空气中声波的波长:,例1：,解：,该人听到的警笛发出的声音的频率以及在警笛后方空气中声波的波长？,求：,University physics AP Fang,一固定的超声波波源发出频率为v0=100 kHz 的超声波。当一汽车迎面驶来时，在超声波所在处收到了从汽车反射回来的超声波其频率为v=110 kHz。设声波的速度为 u=330m/s。,汽车作为观察者接收到的频率,例2：,解：,汽车的行驶速度。,求：,汽车反射波(作为波源发出)在空气中的频率,所以，汽车的行驶速度为,University physics AP Fang,(4) 电磁波的多普勒效应,经典多普勒效应：,经典多普勒效应对光是不正确的。,对于光波，有,与空间有关,与时间有关,在相对论中，不同的惯性系中波长和频率将不同，但两者的乘积恒为, 多普勒效应的相对论方程,假定光源以速度,向着观察者,运动，在观察者参照系中计算。,设光源发出,个波，,在S 中测,得在,时间里，有,University physics AP Fang,S 系观察者观测到的频率为,若光源频率为,系中测得的,光源发出光波个数为,时间膨胀,时间里，,多普勒频移公式,当两者相互靠近时，观察者所收到的光源频率增加 蓝移,，在光源,当两者相互分离时，观察者所收到的光源频率降低 红移,University physics AP Fang,第15章 波动光学基础,1 光是电磁波,2 光的干涉,3 光的衍射,4 光的偏振,应用电磁场理论说明光的基本现象和性质,光波叠加和光强度呈现稳定的分布规律,在光的衍射中，应用叠加原理说明光强分布,光矢量和光的各种偏振态及其变化, 几何光学 ( Geometrical optics ), 波动光学 ( Wave optics ), 量子光学 ( Quantum optics ),2012年诺贝尔物理学奖获得者：法国科学家沙吉哈罗什（Serge Haroche）与美国科学家大卫维兰德（David J. Wineland），获奖理由：突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。,University physics AP Fang,15-1 光是电磁波,引 言,（1）微粒学说 ( Corpuscular theory ),（2）波动学说 ( Undulatory theory ),（3）光波 具有波粒二象性的物质,一、电磁波的产生和传播,由麦克斯韦电磁场理论可知：,电磁波 交变电磁状态的传播,凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源,例如：天线中的振荡电流,分子或原子中电荷的振动,University physics AP Fang,二、电磁波谱,电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，,射线和,射线等。,2. 光是电磁波,诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。,(1)光与电磁波的传播速度相等；都有反射、折射、干涉、 衍射、偏振性质。,(2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。,1. 电磁波谱,University physics AP Fang, 可见光 (visible light) 能够引起人的视觉的电磁波。,可见光颜色的波长和频率,人眼最为敏感的光是黄绿光，即,附近。,University physics AP Fang,由麦克斯韦电磁场理论可知：,三、平面简谐电磁波的波动微分方程,设一平面简谐电磁波,当电场振动沿,轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波,用麦氏电磁场方程组可推出,University physics AP Fang, 真空中：, 介质中：,折射率 (Refractive index),四、平面简谐电磁波的性质,(1) 电磁波是横波,振动量,与波速,构成相互,垂直的右手螺旋关系。,(2) 电磁波的偏振性,分别在各自的振动面上振动。,偏振,(3) 电场与磁场同相变化,振幅之间满足：,University physics AP Fang,(4) 电磁波的能量, 电磁波的能流密度, 坡印廷矢量, 电磁波的强度,结论：I 正比于 E02 或 H02, 通常用其相对强度,表示,University physics AP Fang,五、光源和发光机理,1. 光源,光源：,光源的分类,任何发光的物体都可以称为光源。,光谱：,使光波中不同频率的光分开，形成光谱。,按光谱分为,线谱光源,连续谱光源,(1) 线谱光源,氢原子的巴耳末线系照片,(2) 连续谱光源,按激发 方式分,热辐射,电致发光,光致发光,化学发光,例如：太阳，白炽灯。,例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等。,例如：日光灯，磷光物质。,例如：燃烧，磷自燃，萤火虫。,University physics AP Fang,University physics AP Fang,自发辐射,2. 光源发光机理,(1) 光波列长度,(2) 光波列长度与其 单色性关系,由傅立叶分析可知,c,光波单色性,激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性。,受激辐射,(1) 激光：,基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射。,(2) 同步辐射光：同步加速器产生的辐射光。,强度高；方向性好；偏振性好； 稳定性好；波谱宽等。,同步辐射光的特点：,University physics AP Fang,新型光源,(3) 光源中各光波列之间关系,非相干(不同原子发的光),非相干(同一原子先后发的光),相干光源：同一原子的同一次发光,University physics AP Fang,一、光波的叠加,15-2 光波的叠加,干涉项,P,S1,S2,r1,r2,P点合光强为,University physics AP Fang,讨论,1. 非相干叠加,即,不恒定,非相干叠加时,(1),(2),(3),University physics AP Fang,(1) 相长干涉（明）,(2) 相消干涉（暗）,2. 相干叠加,如果,如果,University physics AP Fang,(3) 可见度,二、 相干条件、相干光源,干涉相长,(4) 若,干涉相消,相干光源：同一原子的同一次发光；同一波列上的两点,(1) 光波的频率相同； (2) 光矢量振动方向平行，且振幅相差不大； (3) 光波之间的相位差恒定.,光的相干的条件,同时满足,University physics AP Fang,三、相干光的获得, 分波前法：, 分振幅法：,