在杨氏双缝试验中.ppt

第四节,光的干涉,波动光学,第一丝光线照临大地，新的一天开始了！,太阳的能量就是通过光波送到地球！五光十色，缤纷的世界，光是主角！光通信技术！激光的发明，一场新技术革命！通过光，人类知道遥远的星空发生的事件！通过光，人类知道微观世界发生的事件！.,本章主要内容：波动光学,光的干涉(Interference)；光的衍射(DiffractionofLight)；光的偏振性（横波PolarizationofLight）。,一、光谱,可见光:光在人眼视觉范围内的波段为400nm760nm，,光谱光的强度按频率（或波长）的分布,可见光,可见光七彩颜色的波长和频率范围,二、光的本质,光具有波动性和粒子性，合称波粒二象性。,光的波动性是指光是某一波段的电磁波。光在不同媒质的分界面上会发生反射和折射现象；在传播过程中出现干涉、衍射和偏振等现象。光在真空中的传播速度为：,光的粒子性是指光是由单个的光子构成的。光电效应实验可以证明这一点。,2.电磁波是电场强度与磁场强度的矢量波;,1.光是电磁波,其波动方程是什么?,3.光矢量:对人眼和感光仪器起作用的主要是电场强度E,所以人们称电场强度E为光矢量.,三、光波的表达,1.基本概念：光矢量E，光振动，振动面(振动方向与传播方向构成的平面)光波是横波,EA1cos(wt+j1),光波,光矢量,9.1光的干涉,（一）.产生相干光的条件,1.频率相同；,2.振动方向一致；,3.有恒定的相位差；,两束光：,2,1,s,s,光源种类：热辐射、电致发光、光致发光、化学发光,线谱光源：如气体放电管、钠光灯、水银灯等；,连续谱光源：（或热辐射光源）如白炽灯、弧光灯、太阳等；,(光谱特征)：,（二）.光源,常用单色光源,(一)、光源的发光机制：,普通光源：自发辐射。每一个分子和原子都相当于一个小光源，(1)它们所发出的波的振幅、相位、振动方向各不相同；(2)原子发光是间歇的，眼睛感觉到的光强是平均光强;（3）波列的长度即相干长度,独立(不同原子发的光),独立(同一原子先后发的光),能级跃迁辐射,光子,结论：普通光源不是相干光源。,普通光源：太阳光、电灯、手电筒、煤油灯等发出来的光，没有干涉现象发生，为什么？,因为它们不是相干波源，发射的光波不是相干波，所以普通光相遇，没有干涉现象发生。,P,原子自发辐射的间断性和相位随机性,不利于干涉条件的实现.,相干光,问题二,一入射波传播到带有小孔的屏时，不论入射波的波阵面是什么形状，通过小孔时，在小孔的另一侧都产生以小孔作为点波源的前进球面波，可将其抽象为从小孔处发出的一种次波或球面子波，其频率与入射波频率相同。,惠更斯原理,（三）、相干光的获得,1.分波阵面法,2.分振幅法,在同一波面上取两个点，使子波经过不同的路径后再相遇产生干涉的方法为分波阵面法。如杨氏双缝干涉实验。,一束光线经过介质薄膜界面的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅法。如薄膜、劈尖、牛顿环等。,相干光的获得原理：使普通光源的同一个点发出的光分成两个或两个以上的相干光束,使它们各经过不同的路径后再相遇产生干涉。,分波阵面法,波源,相干光的产生方法：,第三节,托马斯.杨,一.杨氏双缝干涉实验,杨氏双缝干涉实验装置：,S线光源，G是一个遮光屏，其上有两条与S平行的狭缝S1、S2，且与S等距离，因此S1、S2是相干光源且相位相同；S1、S2之间的距离是d，到屏的距离是D。(Dd),干涉条纹,光强分布,S1和S2发出的光到达P点的波程差为:,在P点发生干涉相长的条件为,在P点发生干涉相消的条件为,P点处出现明条纹,P点处出现暗条纹,波程差为其它值的点,光强介于最明与最暗之间。因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心。,30,波程差,减弱,暗纹,相邻两明纹或暗纹间的距离为：,暗纹中心的位置：,明纹中心的位置：,无零级暗纹！,k称为干涉条纹的级次,干涉条纹,零级明条纹,+1级明条纹,-1级明条纹,-2级明条纹,+2级明条纹,杨氏双缝干涉条纹的特点：,1.屏幕中心为零级亮条纹，两侧为平行等间距的明暗相间的直条纹；,4.当D、一定时，x与d成反比，d越小，条纹分辨越清。,3.干涉条纹不仅出现在屏上，凡是两光束重叠的区域都存在干涉，故杨氏双缝干涉属于非定域干涉。,2.条纹间距：,应用：利用干涉条纹间距，测量未知光波的波长;,k=0,x,0,5.x与成正比，用白光做光源时，除中央明纹是白光外，其它各级条纹是彩色条纹，紫在内红在外；,6.1与2为整数比时，某些级次的条纹发生重叠。k11=k22，高级次的条纹发生交叠而模糊不清。,白光入射的杨氏双缝干涉照片,红光入射的杨氏双缝干涉照片,讨论题：1.如果用两个灯泡分别照亮S1、S2缝，能否看到干涉条纹？,2.S1缝后贴一红色玻璃纸，S2缝后贴一绿色玻璃纸，能否看到干涉条纹？,例题：在双缝干涉实验中，所用光的波长为587.6nm,双缝与屏的间距D=2.25m，屏幕上产生的条纹间距为0.50mm，求双缝间距d=多少？,解：,例,第5级暗纹的坐标：,杨氏双缝干涉,要求明确以下问题：,1、如何获得的相干光；,2、明、暗纹条件；,3、干涉条纹特点：,形状、,间距、,级次位置分布；,=700nm550nm400nm,条纹间距,二.双镜,三.劳埃镜实验,P,M,光在界面反射时相位发生突变的现象,称为半波损失现象;,4.半波损失,(1)当光从折射率大的光密介质，入射于折射率小的光疏介质时，反射光没有半波损失。,(2)当光从折射率小的光疏介质，正入射或掠入射于折射率大的光密介质时，则反射光有半波损失。,有半波损失,没有半波损失,洛埃镜实验,当屏幕W移至B处，从S1和S2到B点的光程差为零，但实验观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在，反射光具有的相位突变。,9.1.3光程光程差P368,光在真空中的波长，速度c，在折射率为n1的介质中的波长为1，速度为1，则：,由此可知：相位差不只由几何路程之差(r2r1)决定，而决定于(n2r2n1r1)。,一、光程差,叫光程差,光程：光在某一媒质中行进的几何路程r与该媒质的折射率n的乘积nr叫做光程。,相位差与光程差的关系,由此统一后，相干公式中的波长都是真空中的波长。,如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什么条件才肯定会干涉？,满足的条件：光程差不能太大；把能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度。显然，相干长度等于一个波列的长度。,例如：光程差的计算,例1、杨氏双缝干涉实验中，若在下缝S2盖住一均匀介质，折射率为n(1)，厚度为t，则中央明纹向平移，若所用波长为550nm,中央明纹将被第六级明纹取代，设t=5.5m,折射率为。,下,1.6,O,P378例题9-1,杨氏双缝干涉实验中，双缝间距为0.45mm，所用波长为540nm的光照射，(1)要使光屏上条纹间距为1.2mm，光屏距离双缝多远？(2)若用折射率为1.5，厚度为9.0m的薄玻璃片盖住S2缝，则干涉条纹如何变化？中央明纹如何平移？,干涉条纹整体向下平移10mm;,解：中央明纹对应：0,中央明纹,x=-10mm,S1,S2,例在杨氏双缝实验中，当作如下调节时，屏幕上的干涉条纹将如何变化？,（1）将整个装置全部浸入水中；（2）使两缝之间的距离逐渐减小；（3）保持双缝的间距不变，使双缝与屏幕的距离逐渐减小；（4）用一很薄的玻片覆盖狭缝S1；,中心不变，间距变小,中心不变，间距变大,中心不变，间距变小,中心改变，间距不变,9.3薄膜干涉:分振幅法干涉,薄膜指：油膜、肥皂膜、夹在两块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层。“薄”是关键！薄膜的两个表面是相互平行的平面，叫平行平面膜。薄膜的两个表面互成一个小角度时，叫劈形膜或劈尖,非平行膜等厚干涉,(一)、非平行膜干涉(劈尖膜),现象:,平面劈尖,(一)劈尖干涉,(一)劈尖干涉,设有两块平面玻璃片，一端接触，另一端用一薄片隔开，两玻璃片之间形成劈尖状空气层空气劈尖玻璃片中充入其他液体介质介质劈尖,设劈尖的折射率为n(小于玻璃折射率),劈尖角是，当光线垂直入射在厚度为e处时.被劈尖的上下两个表面反射的两束光形成干涉，其中一束光有半波损失，两束光的光程差为:,1.产生明、暗条纹的条件是：,明暗条纹都产生在劈尖的上表面，同一级条纹对应的空气劈尖厚度相同，所以劈尖干涉条纹是一系列平行于劈尖棱边的明暗相间的直条纹，称为薄膜等厚干涉。,常识：两相邻干涉条纹的光程差相差一个波长,动画演示,相邻条纹间距,劈尖表面附近形成的是一系列与棱边平行的、明暗相间等距的直条纹。楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏；当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。,2.劈尖干涉的应用：,(1)检测待测平面的平整度,由于同一条纹下的空气薄膜厚度相同，当待测平面上出现沟槽时条纹弯曲。,光学平板玻璃,平面检验,(2).测量微小物体的厚度或直径,将微小物体夹在两薄玻璃片间，形成劈尖，用单色平行光照射。,由,有,9.3薄膜干涉:分振幅法干涉,光线以入射角i射向厚度为e、折射率为n的薄膜，分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在薄膜上方（透镜焦平面）相遇发生干涉。设定nn1，（注意有半波损失）,(二).平行平面膜干涉,平行平面膜的干涉条件,被薄膜的上下表面反射的两束光的光程差为：,n两侧介质相同，薄膜上下表面反射的两束光中一束有半波损失,透射光中，薄膜上下表面反射的两束光中均无半波损失。,反射光束,透射光束,保持厚度不变,以相同倾角入射到薄膜的光线形成同一条干涉条纹,因此称为等倾干涉.薄膜上具有相同厚度的点形成同一级次的干涉条纹，顾名思义，称为等厚干涉。,此式表明，光