高二物理选修3-4光的干涉

1、光的干涉光的干涉 托马斯托马斯杨杨 17731829 1801年，英国物理学家托年，英国物理学家托 马斯马斯杨在实验室里成功的观察杨在实验室里成功的观察 到了光的干涉现象到了光的干涉现象 光学是物理学中最古老的一个基础学科，又光学是物理学中最古老的一个基础学科，又 是当前科学研究中最活跃的学科之一。随着人类是当前科学研究中最活跃的学科之一。随着人类 对自然的认识不断深入，光学的发展大致经历了对自然的认识不断深入，光学的发展大致经历了 萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子 光学时期、现代光学时期等光学时期、现代光学时期等5个时期。个时期。 光学的发

2、展简介：光学的发展简介： 光是什么？ 在物理学的发展史上，光是什么的问题经历过很长一段时 间的争论，包括牛顿、惠更斯和爱因斯坦在内的大批科学家均 参与其中。正是他们大量的争论，推动了光学的发展。 光的直线传播 光的反射光的折射 大量事实证明，光是直线前进的，可能是一个微小的粒子。 我们如果能看到光发生干涉、衍射等现象，具有波特我们如果能看到光发生干涉、衍射等现象，具有波特 有的性质，那么我们就可以说光是一种波。有的性质，那么我们就可以说光是一种波。 光到底是什么？ 17世纪明确形成 了两大对立学说 牛顿牛顿 惠更斯惠更斯 微粒说微粒说 波动说波动说 19世纪初证明了 波动说的正确性 由于波动说

3、没有由于波动说没有 数学基础以及牛数学基础以及牛 顿的威望使得微顿的威望使得微 粒说一直占上风粒说一直占上风 19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性 这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒” 5.1光的干涉光的干涉 一、双缝干涉 双缝干涉实验 证明光是一种波 中中 间间 亮亮 纹纹 第第 二二 条条 亮亮 纹纹 第第 一一 条条 亮亮 纹纹 第第 一一 条条 亮亮 纹纹 第第 二二 条条 亮亮 纹纹 第第 一一 条条 暗暗 纹纹 第第 一一 条条 暗暗 纹纹 第第 二二 条条 暗暗 纹纹 第第 三三 条条 暗暗 纹纹 第第 二二 条条 暗暗 纹纹 第第 三三

4、 条条 暗暗 纹纹 白光的干涉图样 单色激光束单色激光束 屏屏 等间距等间距 双缝干涉图样双缝干涉图样 图样有何特征？图样有何特征？ s1 s2 亮条纹的中心线亮条纹的中心线 亮条纹的中心线亮条纹的中心线 暗条纹的中心线暗条纹的中心线 暗条纹的中心线暗条纹的中心线 双缝双缝 中央亮条纹中央亮条纹 明暗相间明暗相间 亮条纹亮条纹 亮条纹亮条纹 探究：探究： 出现明暗相间条纹的条件出现明暗相间条纹的条件 s1 s2 光程差：光程差： 出现亮条纹的条件出现亮条纹的条件 2 2 nr （ n=0，1，2，3） 暗条纹暗条纹 /2 探究：探究： 出现暗条纹的条件出现暗条纹的条件 s1 s2 光程差：光程

5、差： 出现暗条纹的条件出现暗条纹的条件 2 ) 12( nr （ n=0，1，2，3） 亮条纹亮条纹 暗条纹暗条纹 小结：出现亮条纹和暗条纹的条件小结：出现亮条纹和暗条纹的条件 2 2 nr 2 12 nr （ n=0，1，2，3） （ n=0，1，2，3） 白光的干涉图样 为什么会 是这样的呢？ d l x 条纹间距x、缝宽d和缝屏距离l的关系： rrrrrrr dx d xl d xlrr d xlr d xlr )( 2 ) 2 () 2 ( ) 2 (,) 2 ( 1212 2 1 2 2 22222 1 2 2 222 2 222 1 x l d r lrr xldl 即： 所以有

6、且 2 , 21 d l x rx kkr 即： 对应的相邻两亮条纹间距 时，出现亮条纹，取.)321( d l x rx k k r 即： 对应的相邻两暗条纹间距 时，出现暗条纹，取.)321( 2 12 因为，由结论可知：各种色光的波长不相 同，由不同的色光作光源，在双缝宽度和缝、屏宽度 相同的情况下，形成的干涉图样的条纹间距是各不相 同的，红光的条纹间距最宽，紫光的最窄。 d l x 条纹间距x、缝宽d和缝屏距离l的关系： 二、薄膜干涉 单色光成单色条纹； 复色光成彩色条纹 二、薄膜干涉 形成干涉图样的原 因是：重力作用下，薄 膜的厚度随高度变化， 当入射光射到肥皂泡液 薄膜上时，由液膜

7、前的 两个表面反射回来的两 列光是相干光，相互叠 加产生干涉。 三、应用 1、干涉法检查平面的平整度 视频：干涉的应用 牛顿环 楔性空气薄层楔性空气薄层 三、应用 1、干涉法检查平面的平整度 2 2 2 3 练习：如右图是用干涉法检查某种厚玻璃的上表面是练习：如右图是用干涉法检查某种厚玻璃的上表面是 否平的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生否平的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生 的，检查中所观察到的干涉条纹是由哪两个表面反射的，检查中所观察到的干涉条纹是由哪两个表面反射 的光叠加而成的的光叠加而成的( )( ) a aa a的上表面和的上表面和b b的下表面的下表面 b ba a

8、的上表面和的上表面和b b的上表面的上表面 c ca a的下表面和的下表面和b b的上表面的上表面 d da a的下表面和的下表面和b b的下表面的下表面 三、应用 2、增透膜 在镜头前面涂上一层增透膜(一般是,微溶于水), 如果, 那么在这层膜的两侧反射回去的光就会发生干涉，形成暗 条纹,从而相互抵消,你在镜头前将看不到一点反光，因为根 据能量守恒，这束光已经全部穿过镜头了。 为什么我们从来没有看到没有反光的镜头? 原因很简单， 因为可见光有七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能 照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头。 ，这种情况下，你 在可见光中看到的镜头反光其颜色就是红色、蓝紫色，因 为这

9、反射光中已经没有了绿光。 膜的厚度也可以根据镜头的色彩特性来决定。 可见增透膜的作用是减少反射光的强度，从而增加透 射光的强度，使光学系统成像更清晰。 2 mgf 镀层镀层 薄膜薄膜 三、应用 3、反射膜 反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此 外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。 金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损大，反金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损大，反 射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率

10、进一步提高，可以在膜的外侧加镀射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀 几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。需要指出的是，金属电介质几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。需要指出的是，金属电介质 射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特 点。点。 全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反，在光学表面全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反，在光学表面 上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的

11、上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的 多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某每层膜的光学厚度为某 一波长的四分一。在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向一波长的四分一。在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向 相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。 太阳灶用反射膜 练习：有关光学仪器上镜头的增透膜，下列说法正确的是：练习：有关光学仪器上镜头的增透膜，下列说法正确的是： a a增透膜是为了减少光的反射损失而增强透光的强度；增透膜是为了减少光的反射损失而增强透光的强度； b b增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的1/41/4； c c增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/41/4； d d 增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/2； e e因为增透膜厚度一般选适合绿光反射相互抵消的厚度，红光因为增透膜厚度一般选适合绿光反射相互抵消的厚度，红光 紫光反射不能完全抵消的厚度，所以涂有增透膜