第13章光的波动性PPT讲稿.ppt

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1、第第13章光的波动性章光的波动性第1页，共110页，编辑于2022年，星期一13-1 13-1 光波的物理图像光波的物理图像激发激发激发激发辐射辐射辐射辐射发光持续时间发光持续时间激发态上电子的寿命激发态上电子的寿命一、原子发光特点一、原子发光特点 波列波列(1)(1)发光是间歇的发光是间歇的光波列光波列长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波(对对对对于于于于一个一个原子每原子每原子每原子每一次一次一次一次的发光来说的发光来说的发光来说的发光来说)13-113-1 光波的物理图像光

2、波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第2页，共110页，编辑于2022年，星期一(2)(2)不同不同原子激发、辐射时彼此没有联系原子激发、辐射时彼此没有联系(3)(3)同一原子同一原子不同时刻不同时刻所发出的波列，振动方向和相位所发出的波列，振动方向和相位各不相同各不相同1.1.相干性相干性l l两个独立的光源两个独立的光源或或同一光源的两部分同一光源的两部分发出的光都不发出的光都不是相干光是相干光l l同一原子同一次同一原子同一次发出的光在空间相遇时是相干光发出的光在空间相遇时是相干光13-113-1 光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第3页，共110页，编辑于20

3、22年，星期一2.2.单色性单色性F F光波：光波：的电磁波的电磁波F F色散：色散：红橙黄绿青蓝紫红橙黄绿青蓝紫可见光谱可见光谱二、光程二、光程l l设设c为真空中的光速，为真空中的光速，v为光在折射率为为光在折射率为n的媒质中的传的媒质中的传播速度播速度由折射率定义由折射率定义13-113-1 光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第4页，共110页，编辑于2022年，星期一F F t 时间内光在介质中传播距离时间内光在介质中传播距离F F t 时间内，光在真空中传播的距离时间内，光在真空中传播的距离介介质质中中真真空空中中13-1 13-1 13-1 13-1 光波的物

4、理图像光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第5页，共110页，编辑于2022年，星期一l l意义：意义：将媒质中的路程折算成真空中的路程，以便将媒质中的路程折算成真空中的路程，以便比较比较l l光程：光程：光在媒质中走过的几何路程光在媒质中走过的几何路程 r与该媒与该媒质折射率质折射率 n 的乘积的乘积 nr光程差：光程差：相位差：相位差：光在真空中的波长光在真空中的波长13-1 13-1 13-1 13-1 光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第6页，共110页，编辑于2022年，星期一对对S S1 1：光程等于几何路程光程等于几何路程r对对S S2 2：光程为光程

5、为（rd）n d光程差：光程差：第7页，共110页，编辑于2022年，星期一如图所示如图所示,一束单色光一束单色光(波长为波长为)射到射到A A,B B两个缝上两个缝上,并最后到达并最后到达P P点。已知点。已知试求它们的光程差和相位差。试求它们的光程差和相位差。第8页，共110页，编辑于2022年，星期一讨论：讨论：讨论：讨论：透镜的等光程性透镜的等光程性l lAFAF、CFCF：空气中传播距离长空气中传播距离长空气中传播距离长空气中传播距离长l lBF：透镜中传播距离长透镜中传播距离长l lAF、CFCF和和和和BF的光程相等：会聚的光程相等：会聚的光程相等：会聚的光程相等：会聚F F点形

6、成亮点点形成亮点点形成亮点点形成亮点l l透镜不会引起透镜不会引起透镜不会引起透镜不会引起附加附加附加附加的光程差的光程差的光程差的光程差13-1 13-1 13-1 13-1 光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像光波的物理图像第9页，共110页，编辑于2022年，星期一半波损失半波损失:光在被光在被反射反射过程中，如果反射光在离开反射点时的振动方过程中，如果反射光在离开反射点时的振动方向对入射光到达入射点时的向对入射光到达入射点时的振动方向恰好相反振动方向恰好相反，这种现象叫，这种现象叫做半波损失。做半波损失。从波动理论知道，波的振动方向相反相当于波多走（或少走）从波动理论知道，波的振

7、动方向相反相当于波多走（或少走）了半个波长的光程。入射光在了半个波长的光程。入射光在光疏光疏媒质中前进，遇到媒质中前进，遇到光密光密媒质媒质界面时，在界面时，在掠射或垂直掠射或垂直入射入射2 2种情况下，在种情况下，在反射过程反射过程中产生半波中产生半波损失损失.第10页，共110页，编辑于2022年，星期一一射电望远镜的天线安装在海岸上一射电望远镜的天线安装在海岸上,距海平面的高度为距海平面的高度为h。现有一射电星发出波长为。现有一射电星发出波长为的电磁波的电磁波,一部分直接射到天一部分直接射到天线上的线上的P点点,另一部分经海面反射后到另一部分经海面反射后到P点点(见图见图)。试求它们。试

8、求它们到达到达P P点的光程差和相位差。点的光程差和相位差。第11页，共110页，编辑于2022年，星期一波长为波长为=500 nm 的单色光从空气中垂直地入射到水泥路的单色光从空气中垂直地入射到水泥路上的上的n=1.38、厚度、厚度d=10-6 m m的油膜上，入射光的一部分进的油膜上，入射光的一部分进入油膜，并在下表面上反射。入油膜，并在下表面上反射。试问试问:光在油膜内的路程上有几个波长光在油膜内的路程上有几个波长?光线离开油膜时与进入时的相位差为多少光线离开油膜时与进入时的相位差为多少?光线在油膜内的光程为光线在油膜内的光程为2nd，则波长数，则波长数k为为光线由上表面进入，经下表面反

9、射后再由上表面射出，考光线由上表面进入，经下表面反射后再由上表面射出，考虑到在下表面反射的光有相位突变，则它们的相位差为虑到在下表面反射的光有相位突变，则它们的相位差为第12页，共110页，编辑于2022年，星期一1.1.相干光的获得相干光的获得(1)(1)分波阵面法分波阵面法：从同：从同一波阵面上取出两一波阵面上取出两部分作为相干光源部分作为相干光源杨氏双缝实验13-2 13-2 光的干涉光的干涉一、光干涉的一般论述一、光干涉的一般论述13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第13页，共110页，编辑于2022年，星期一(2)(2)分振幅法分振幅法：利用光在两种介质分界面上的反射光

10、和透：利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光射光作为相干光薄膜干涉薄膜干涉13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第14页，共110页，编辑于2022年，星期一2.2.光干涉的明、暗纹条件光干涉的明、暗纹条件F F光程差光程差(半波长偶数倍半波长偶数倍)(半波长奇数倍半波长奇数倍半波长奇数倍半波长奇数倍)明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹3.3.研究光干涉问题的思路研究光干涉问题的思路找出两束相干光找出两束相干光找出两束相干光找出两束相干光 列出光程差列出光程差列出光程差列出光程差 确定明暗条纹位置确定明暗条纹位置确定明暗条纹位置确定明暗条纹位置 分析干涉图样分布分析干涉图

11、样分布分析干涉图样分布分析干涉图样分布 13-2 13-2 13-2 13-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第15页，共110页，编辑于2022年，星期一二、杨氏双缝干涉二、杨氏双缝干涉1.1.1.1.装置原理装置原理装置原理装置原理13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第16页，共110页，编辑于2022年，星期一 2.2.干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置光程差光程差光程差光程差13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第17页，共110页，编辑于2022年，星期一干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置明纹明纹暗纹暗纹其中其中13-2 13-2 13-2 13-2

12、光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第18页，共110页，编辑于2022年，星期一讨论：讨论：(1)(1)(1)(1)k k=0=0的明纹：中央明纹，的明纹：中央明纹，k k=1,k k=2,=2,：第一级：第一级,第二级，第二级，明纹明纹(2)(2)(2)(2)相邻两明相邻两明相邻两明相邻两明(或暗或暗或暗或暗)纹的间距纹的间距纹的间距纹的间距明暗相间的等间隔条纹明暗相间的等间隔条纹明暗相间的等间隔条纹明暗相间的等间隔条纹13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第19页，共110页，编辑于2022年，星期一F F 一定时一定时(3)(3)白光照射：白光照射：条纹变稀疏条纹变稀疏F Fd

13、 和和D一定一定时时条纹变密集条纹变密集中央明纹为白色，其它各级为彩色，中央明纹为白色，其它各级为彩色，内紫外红内紫外红d 或或Dxd 或或Dxxx13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第20页，共110页，编辑于2022年，星期一第21页，共110页，编辑于2022年，星期一若若 ，则，则明纹光强明纹光强明纹光强明纹光强暗纹光强暗纹光强暗纹光强暗纹光强(4)(4)光强分布光强分布I I1 1、I2为两相干光单独在为两相干光单独在为两相干光单独在为两相干光单独在P P点处点处点处点处的光强的光强的光强的光强13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第22页，共110页，编辑

14、于2022年，星期一例例 在杨氏双缝实验中，用波长在杨氏双缝实验中，用波长在杨氏双缝实验中，用波长在杨氏双缝实验中，用波长=5.0=5.0=5.0=5.0 101010107 7 7 7 m m m m的单色光垂直入的单色光垂直入的单色光垂直入的单色光垂直入射到间距为射到间距为射到间距为射到间距为d=0.5mmd=0.5mmd=0.5mmd=0.5mm的双缝上的双缝上,屏到双缝中心的距离屏到双缝中心的距离D=1.0mm.D=1.0mm.求求:(1):(1):(1):(1)条纹宽度条纹宽度条纹宽度条纹宽度;(2)(2)(2)(2)中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第中央明

15、纹两侧的两条第10101010级明纹中心的距离级明纹中心的距离级明纹中心的距离级明纹中心的距离;(3)(3)用一云母片用一云母片用一云母片用一云母片(折射率折射率折射率折射率n n n n=1.58)=1.58)=1.58)=1.58)的透明薄膜盖在其中一缝，的透明薄膜盖在其中一缝，的透明薄膜盖在其中一缝，的透明薄膜盖在其中一缝，中央明纹移到原来第中央明纹移到原来第中央明纹移到原来第中央明纹移到原来第8 8 8 8级明纹中心处级明纹中心处级明纹中心处级明纹中心处,云母处的厚度云母处的厚度云母处的厚度云母处的厚度e e e e是多少是多少是多少是多少?解解:(1):(1)条纹宽度条纹宽度第23页

16、，共110页，编辑于2022年，星期一(2)各级明纹中心位置中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第10101010级明纹级明纹级明纹级明纹中心的距离中心的距离中心的距离中心的距离(3)未加云母片的光程差 加云母片后,第8级处为中央明纹 所以第24页，共110页，编辑于2022年，星期一 例例 在杨氏双缝实验中，用折射率在杨氏双缝实验中，用折射率n n=1.58=1.58的透明的透明薄膜盖在上缝上，并用薄膜盖在上缝上，并用=6.328=6.328 10107 7m m的光照射，发的光照射，发现中央明纹向上移动了现中央明纹向上移动了5 5条，求薄膜厚度条，

17、求薄膜厚度.解：P点为放入薄膜后中央明纹的位置P P P P点是未放薄膜时第点是未放薄膜时第点是未放薄膜时第点是未放薄膜时第N N N N级的位置级的位置级的位置级的位置可得：可得：第25页，共110页，编辑于2022年，星期一三、薄膜干涉三、薄膜干涉等倾干涉等倾干涉光程差光程差折射定律折射定律1.1.1.1.反射光干涉反射光干涉反射光干涉反射光干涉13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第26页，共110页，编辑于2022年，星期一13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第27页，共110页，编辑于2022年，星期一l l明、暗纹条件明、暗纹条件暗纹暗纹明纹明纹讨论：讨论

18、：等倾干涉等倾干涉(1)(1)由由 知，光源不同位置发出光的知，光源不同位置发出光的倾角相倾角相同时同时，均对应同一干涉级，均对应同一干涉级 k13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第28页，共110页，编辑于2022年，星期一(2)(2)等倾干涉条纹：等倾干涉条纹：13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉l l圆环分布内疏外密圆环分布内疏外密l l明暗相间的同心圆环明暗相间的同心圆环l l半径大的圆环对应的半径大的圆环对应的 i 大，而干涉级大，而干涉级 k 低低第29页，共110页，编辑于2022年，星期一薄膜反射板透镜屏幕13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光

19、的干涉第30页，共110页，编辑于2022年，星期一(3)(3)e e 增大，则增大，则 k 增大，增大，圆环中心圆环中心处有圆环冒处有圆环冒出；出；反之，则圆环中心处有圆环吞入反之，则圆环中心处有圆环吞入(4)(4)垂直入射时有垂直入射时有明明暗暗13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第31页，共110页，编辑于2022年，星期一2.2.透射光干涉透射光干涉光程差光程差l l透射光明、暗纹条件透射光明、暗纹条件透射光明、暗纹条件透射光明、暗纹条件明明暗暗l l反射光和透射光互补，反射光干涉加强时，透射光干涉减反射光和透射光互补，反射光干涉加强时，透射光干涉减反射光和透射光互补，反

20、射光干涉加强时，透射光干涉减反射光和透射光互补，反射光干涉加强时，透射光干涉减弱弱弱弱13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第32页，共110页，编辑于2022年，星期一等厚干涉等厚干涉l l设光垂直入射设光垂直入射设光垂直入射设光垂直入射 明明暗暗介质劈介质劈棱边处棱边处棱边处棱边处(e e=0=0)，对应，对应，对应，对应 k k=0=0的暗纹的暗纹的暗纹的暗纹1.1.劈尖干涉劈尖干涉13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉空气劈空气劈对空气劈，光程差对空气劈，光程差第33页，共110页，编辑于2022年，星期一(1)(1)(1)(1)每级明或暗条纹与一定的膜每级明或

21、暗条纹与一定的膜每级明或暗条纹与一定的膜每级明或暗条纹与一定的膜厚厚e e相对应相对应相对应相对应.讨论：讨论：等厚干涉等厚干涉(2)(2)(2)(2)干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。棱边干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。棱边干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。棱边干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。棱边(e=0=0)处处有有半波损失半波损失时形成时形成暗纹暗纹暗纹暗纹.13-2 13-2 13-2 13-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉(3)(3)(3)(3)相邻两明相邻两明相邻两明相邻两明(或暗或暗或暗或暗)纹对应劈尖的厚度差纹对应劈尖的厚度差纹对应劈尖的厚度差纹

22、对应劈尖的厚度差.对空气劈对空气劈对空气劈对空气劈第34页，共110页，编辑于2022年，星期一(4)(4)(4)(4)相邻两明相邻两明相邻两明相邻两明(或暗或暗或暗或暗)纹之间的距离纹之间的距离纹之间的距离纹之间的距离等间距等间距等间距等间距F F 变大时条纹变密，反之则变疏变大时条纹变密，反之则变疏变大时条纹变密，反之则变疏变大时条纹变密，反之则变疏13-2 13-2 13-2 13-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第35页，共110页，编辑于2022年，星期一F F对空气层：平移对空气层：平移 距离时有距离时有1 1条条纹移过条条纹移过13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干

23、涉(5)(5)(5)(5)劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动；劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动；劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动；劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动；反之条纹反向移动反之条纹反向移动反之条纹反向移动反之条纹反向移动第36页，共110页，编辑于2022年，星期一第37页，共110页，编辑于2022年，星期一薄膜干涉在工程中的应用薄膜干涉在工程中的应用测细丝直径 为了测量金属细丝的直径,把金属丝夹在两块平板玻璃之间,形成空气劈尖(见图)。用单色光垂直照射，就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹间的距离，就可以算出

24、金属丝的直径。设某次的测量结果为：单色光的波长 ，金属丝与劈尖顶点间的距离，30条明纹间的距离为 ，求金属丝的直径。解：相邻两条明纹的距离 其空气膜的厚度为第38页，共110页，编辑于2022年，星期一 有又所以第39页，共110页，编辑于2022年，星期一平板玻璃平板玻璃平凸透镜平凸透镜牛顿环（例牛顿环（例13.3.313.3.3）厚度为厚度为 e e 处处处处明明暗暗F F中心处中心处(e e e e=0=0=0=0):对应对应对应对应k k k k=0=0的暗纹的暗纹的暗纹的暗纹13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第40页，共110页，编辑于2022年，星期一讨论：讨论：(

25、1)(1)(1)(1)光程差由厚度光程差由厚度光程差由厚度光程差由厚度 e e 决定决定决定决定等厚干涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉(2)(2)(2)(2)厚度相同的点是一系列以厚度相同的点是一系列以厚度相同的点是一系列以厚度相同的点是一系列以O为中心的同心圆环为中心的同心圆环牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环(3)(3)(3)(3)干涉环半径干涉环半径干涉环半径干涉环半径又又又又13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉干涉条纹：一系列干涉条纹：一系列同心圆环同心圆环第41页，共110页，编辑于2022年，星期一明环半径明环半径明环半径明环半径暗环半径暗环半径(4)(4)干涉环间的距离干涉环间的距

26、离内疏外密内疏外密内疏外密内疏外密13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第42页，共110页，编辑于2022年，星期一(5)(5)(5)(5)平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出F F对空气层：平移对空气层：平移 距离时有距离时有1 1条条纹移过条条纹移过13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第43页，共110页，编辑于2022年，星期一 例例 利利用用劈劈尖尖干干涉涉可可对对工工件件表表面面

27、微微小小缺缺陷陷进进行行检检验验。当当波波长长为为 的的单单色色光光垂垂直直入入射射时时，观观察察到到干干涉条纹如图。涉条纹如图。问问(1)(1)不平处是凸的，还是凹的不平处是凸的，还是凹的?(2)(2)(2)(2)凹凸不平的高度为多少凹凸不平的高度为多少凹凸不平的高度为多少凹凸不平的高度为多少?解：解：解：解：(1)(1)(1)(1)等厚干涉，同一条纹上各点等厚干涉，同一条纹上各点等厚干涉，同一条纹上各点等厚干涉，同一条纹上各点对应的空气层厚度相等对应的空气层厚度相等对应的空气层厚度相等对应的空气层厚度相等所以不平处所以不平处是是凸的凸的.(2)(2)(2)(2)由相似三角形关系得由相似三角

28、形关系得由相似三角形关系得由相似三角形关系得第44页，共110页，编辑于2022年，星期一1.原理原理M1固定固定 M2可移动可移动补偿玻补偿玻璃板璃板半透明半透明镀银层镀银层四、迈克尔逊干涉仪四、迈克尔逊干涉仪13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第45页，共110页，编辑于2022年，星期一设设M1与与M2之间的空气层厚度为之间的空气层厚度为d讨论：讨论：(1)M1和和M2严格垂直严格垂直:空气薄膜干涉空气薄膜干涉圆环圆环M2平移平移 ：13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉l lM2移动移动/2，有，有1条纹移过条纹移过：干涉条纹移动数目：干涉条纹移动数目第46页

29、，共110页，编辑于2022年，星期一(2)M1和和M2不严格垂直：空气劈干涉不严格垂直：空气劈干涉2.应用应用l l已知某光波波长已知某光波波长，数出，数出n，可测可测dl l数出数出n和和读出读出d，可测可测光波波长光波波长13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第47页，共110页，编辑于2022年，星期一光光程程差差不不大大光光程程差差较较大大不相干不相干相干相干l l相干长度：相干长度：两个分光束能产生干涉效应的最大两个分光束能产生干涉效应的最大光程差光程差光波列长度光波列长度l l相干时间：相干时间：波列长度所对应的时间波列长度所对应的时间13-213-2 光的干涉光的干

30、涉光的干涉光的干涉五、光的相干性五、光的相干性1.相干长度相干长度第48页，共110页，编辑于2022年，星期一2.光源非单色性的影响光源非单色性的影响：谱线宽度谱线宽度(1)不同波长光：非相干不同波长光：非相干(2)范围内同种波长范围内同种波长的光相干的光相干干涉条纹的可见度下降干涉条纹的可见度下降13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第49页，共110页，编辑于2022年，星期一3.光源宽度的影响光源宽度的影响(1)面光源：视为无面光源：视为无数互不相干的线数互不相干的线光源光源(2)每个线光源在屏上形成一套干涉条纹，彼此错每个线光源在屏上形成一套干涉条纹，彼此错开开(3)总光

31、强：各干涉条纹的非相干叠加总光强：各干涉条纹的非相干叠加干涉条纹可见度下降干涉条纹可见度下降13-213-2 光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉第50页，共110页，编辑于2022年，星期一一、光的衍射一、光的衍射13-3 光的衍射光的衍射13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射佛光佛光 刀片衍射刀片衍射 1.1.衍射现象衍射现象波偏离直线传播波偏离直线传播的现象的现象第51页，共110页，编辑于2022年，星期一2.2.分类分类 l l菲涅尔衍射：菲涅尔衍射：光源、显示光源、显示屏或两者之一与衍射孔屏或两者之一与衍射孔(缝缝)相距有限远相距有限远光源光源显示屏显示屏显示屏显示屏孔孔孔

32、孔(缝缝缝缝)n n夫朗和费衍射：夫朗和费衍射：光源和显示光源和显示屏与衍射孔屏与衍射孔(缝缝)相距无限远相距无限远n n入、衍射光都是平行光入、衍射光都是平行光入、衍射光都是平行光入、衍射光都是平行光透镜实现透镜实现13-3 13-3 13-3 13-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第52页，共110页，编辑于2022年，星期一 (1)(1)波传到的任意点都是子波波源波传到的任意点都是子波波源3.3.惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲惠更斯菲涅尔涅尔原理原理(2)(2)各子波在空间各点各子波在空间各点相干相干叠加叠加13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第53页，共11

33、0页，编辑于2022年，星期一二、单缝夫朗和费衍射二、单缝夫朗和费衍射1.1.衍射装置衍射装置2.2.半波带法半波带法222213-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第54页，共110页，编辑于2022年，星期一(1)(1)BC=asin=2(l/2)2 2个半波带个半波带F FAO和和OB半波带上对应点发出的子波到半波带上对应点发出的子波到达达P点时的位相差为点时的位相差为，相互干涉抵消相互干涉抵消P点为暗纹点为暗纹(2)(2)BC=a sin=3(l/2)3 3个半波带个半波带F F有一个半波带未被抵消有一个半波带未被抵消P点为明纹点为明纹13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍

34、射光的衍射13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第55页，共110页，编辑于2022年，星期一(3)(3)BC=a sin=n(l/2)n个半波带个半波带F Fn为偶数：为偶数：成对干涉抵消成对干涉抵消暗纹暗纹F Fn为奇数：为奇数：剩一个半波带未被抵消剩一个半波带未被抵消明纹明纹 明纹明纹 暗纹暗纹13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第56页，共110页，编辑于2022年，星期一(4)(4)asin 不等于不等于l/2的整数倍时的整数倍时,光强介于最光强介于最明与最暗之间明与最暗之间(1)(1)中央明纹：两个第一级暗纹中央明纹：两个第一级暗纹中心间的明纹中心间的明纹

35、半角宽半角宽讨论：讨论：线宽度线宽度13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第57页，共110页，编辑于2022年，星期一(2)(2)其它相邻明其它相邻明(暗暗)纹的间距是中央亮纹宽度的纹的间距是中央亮纹宽度的一半一半(3)(3)l 变化则衍射位置变化；变化则衍射位置变化；l 一定时，一定时，a越小，越小，衍射作用越明显衍射作用越明显13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第58页，共110页，编辑于2022年，星期一中央明区最亮，随级数增大，亮度迅速减小中央明区最亮，随级数增大，亮度迅速减小13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射(4)(4)k增加，抵消部分多，

36、条纹强度下降增加，抵消部分多，条纹强度下降2222第59页，共110页，编辑于2022年，星期一 单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？第60页，共110页，编辑于2022年，星期一越大，越大，越大，衍射越大，衍射效应效应越明显越明显.入射波长变化，衍射效应如何变化入射波长变化，衍射效应如何变化?第61页，共110页，编辑于2022年，星期一 例例11在单缝衍射实验中，透镜焦距为在单缝衍射实验中，透镜焦距为 0.5m0.5m，入射光波，入射光波长长=5000A=5000A，缝宽，缝宽a a=0.1mm=0.1mm。求求(1)(1)中央明纹宽度中央明纹宽度;(2

37、)(2)第一级明纹宽度第一级明纹宽度.解：解：中央明纹宽度中央明纹宽度第62页，共110页，编辑于2022年，星期一第一级明纹宽度为第一级暗纹和第二级暗纹第一级明纹宽度为第一级暗纹和第二级暗纹 间的距离间的距离间的距离间的距离暗纹暗纹第63页，共110页，编辑于2022年，星期一例例(1)(1)如果单缝夫琅禾费衍射的第一级暗条纹发如果单缝夫琅禾费衍射的第一级暗条纹发生在衍射角生在衍射角 的方位上，问狭缝必须窄到的方位上，问狭缝必须窄到怎样的程度？设所用单色光的波长怎样的程度？设所用单色光的波长 。解：对于第一级暗条纹，有令或则缝宽第64页，共110页，编辑于2022年，星期一(2)(2)如果所

38、用单缝的缝宽如果所用单缝的缝宽 ,在焦距在焦距 的透的透镜的焦平面上观测衍射条纹。问中央明纹有多宽镜的焦平面上观测衍射条纹。问中央明纹有多宽？其他明条纹有多宽？其他明条纹有多宽？解：中央明纹的宽度 其他明纹的宽度 第65页，共110页，编辑于2022年，星期一 三、光栅的夫朗和费衍射三、光栅的夫朗和费衍射类型：类型：透射光透射光栅栅反射光反射光栅栅1.1.光栅光栅F F由许多等宽等间距的狭缝构成由许多等宽等间距的狭缝构成13-3 13-3 13-3 13-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第66页，共110页，编辑于2022年，星期一光栅常数光栅常数相邻两缝光线的光程差相邻两缝光线的光程差1

39、3-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第67页，共110页，编辑于2022年，星期一 2.2.光栅衍射图样的形成光栅衍射图样的形成2.1 2.1 光栅的多缝干涉光栅的多缝干涉相邻两缝光束间的光程差相邻两缝光束间的光程差n n光栅的衍射条纹是光栅的衍射条纹是衍射衍射和和干涉干涉的总效果的总效果(受单缝衍受单缝衍射调制下的多缝干涉射调制下的多缝干涉)13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程适用于光栅所有相邻的缝适用于光栅所有相邻的缝第68页，共110页，编辑于2022年，星期一光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程相邻两明纹的距离相邻两明纹的距离光栅方

40、程的级数光栅方程的级数最大级数最大级数第69页，共110页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 单缝衍射对多缝干涉的影响单缝衍射对多缝干涉的影响F F若在某一衍射角若在某一衍射角 下同时满足下同时满足多缝干涉极大多缝干涉极大多缝干涉极大多缝干涉极大单缝衍射极小单缝衍射极小单缝衍射极小单缝衍射极小缺级级数缺级级数缺级级数缺级级数F F各主极大受单缝衍射的调制，某些位各主极大受单缝衍射的调制，某些位置出现缺级置出现缺级13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第70页，共110页，编辑于2022年，星期一单缝衍射单缝衍射多缝干涉多缝干涉光栅衍射光栅衍射13-313-3 光的衍射光的衍射

41、光的衍射光的衍射第71页，共110页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 光栅光谱光栅光谱F F复复色色光光入入射射时时，除除中中央央明明纹纹外外，不不同同波波长长的的同同级级明明纹以不同的衍射角出现纹以不同的衍射角出现光栅光谱光栅光谱一级光谱一级光谱二级光谱二级光谱三级光谱三级光谱13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第72页，共110页，编辑于2022年，星期一 例例33一平面透射光栅，在一平面透射光栅，在1mm1mm内刻有内刻有500500条纹。现用条纹。现用=0.5910=0.5910-3-3mmmm钠光谱观察。求光线垂直入射时钠光谱观察。求光线垂直入射时,最多最多能看

42、到第几级光谱？能看到第几级光谱？解：解：光栅常数为光栅常数为当当时时，k k最大最大取整，即垂直入射时，最多能看到第三级光谱取整，即垂直入射时，最多能看到第三级光谱第73页，共110页，编辑于2022年，星期一 例例44波长为波长为7000A7000A的单色光，垂直入射在平面透射光的单色光，垂直入射在平面透射光栅上，光栅常数为栅上，光栅常数为310310-4-4 cmcm，缝宽为，缝宽为1010-4-4cmcm。求。求(1)(1)最最多能看到第几级光谱多能看到第几级光谱?(2)(2)哪些级出现缺级现象哪些级出现缺级现象?解解:时时取整，即最多可看到第四级光谱取整，即最多可看到第四级光谱第74页

43、，共110页，编辑于2022年，星期一满足满足时缺级时缺级又又时缺级时缺级-第三级出现缺级第三级出现缺级F F即光屏上实际呈现级数为即光屏上实际呈现级数为4-1=34-1=3，对应于明纹，对应于明纹k=-4,-2,-1,0,1,2,4k=-4,-2,-1,0,1,2,4共七条共七条第75页，共110页，编辑于2022年，星期一例例 为测定一给定光栅的光栅常数，用波长为测定一给定光栅的光栅常数，用波长 的光垂直照射光栅，测得第一级明纹出现在的光垂直照射光栅，测得第一级明纹出现在 方向。方向。求：（1）光栅常数；（2）第二级明纹的衍射角。解：（1）由光栅方程（2）第二级明纹的衍射角所以所以第76页

44、，共110页，编辑于2022年，星期一例例 波长波长 的单色光垂直入射在一光栅，第的单色光垂直入射在一光栅，第2 2级和级和第第3 3级明纹分别出现在级明纹分别出现在 和和 处，第处，第4 4级缺级缺级。级。试求：（1）光栅上相邻两缝的间距 （2）光栅上狭缝可能的最小宽度 （3)按上述选定的,试列出屏上实际呈现的全部级数。解：（1)光栅上相邻两缝的间距，实际就是光栅常数第2级明纹情况第77页，共110页，编辑于2022年，星期一（2）第4级缺级有（3）当，最多能看到的级数为但因为，即因此，实际出现的明条纹有共15条出现在处缺级其中第78页，共110页，编辑于2022年，星期一 五、光学仪器的分

45、辨率五、光学仪器的分辨率1.圆孔的夫朗和费衍射圆孔的夫朗和费衍射爱里斑爱里斑第一级暗环衍射角满足第一级暗环衍射角满足13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第79页，共110页，编辑于2022年，星期一能分辨能分辨2.光学仪器分辨率光学仪器分辨率13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第80页，共110页，编辑于2022年，星期一不能分辨不能分辨爱里斑爱里斑恰能分辨恰能分辨最小分辨角最小分辨角13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第81页，共110页，编辑于2022年，星期一F瑞利准则：瑞利准则：如果一个点光源衍射图样的中央如果一个点光源衍射图样的中央最亮处刚好

46、与另一个点光源衍射图样的第一最亮处刚好与另一个点光源衍射图样的第一个最暗处相重合，则这两个点光源恰好可分个最暗处相重合，则这两个点光源恰好可分辨辨爱里斑爱里斑分辨率分辨率13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第82页，共110页，编辑于2022年，星期一波多黎各射电望远镜波多黎各射电望远镜波多黎各射电望远镜波多黎各射电望远镜望远镜：望远镜：D (不可选择不可选择)显微镜：显微镜：(D不会很大不会很大)直径直径直径直径305m305m，能探测地，能探测地，能探测地，能探测地球表面仅球表面仅球表面仅球表面仅1010-12-12WW的功率，的功率，的功率，的功率，也可探测引力波也可探测引

47、力波也可探测引力波也可探测引力波 电子电子：0.11讨论讨论：提高分辨率的途径提高分辨率的途径电子显微镜电子显微镜R很大，可很大，可观察物质结构观察物质结构 扫描电子显微镜扫描电子显微镜13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射D 第83页，共110页，编辑于2022年，星期一美国橡树岭国家实验室研制的电子显微镜图美国橡树岭国家实验室研制的电子显微镜图像的分辨率达到了像的分辨率达到了0.78，可看见红色哑铃，可看见红色哑铃状的硅原子图像状的硅原子图像13-313-3 光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射第84页，共110页，编辑于2022年，星期一13-4 13-4 光的偏振性光的偏振性F

48、 F电磁波中起光作用的是电场矢量电磁波中起光作用的是电场矢量F F电磁波：横波电磁波：横波13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光具有偏振特性具有偏振特性 光矢量光矢量第85页，共110页，编辑于2022年，星期一1.1.自然光自然光F F在垂直于光传播方向的平面内，各个方向光矢量的振在垂直于光传播方向的平面内，各个方向光矢量的振幅相等幅相等13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性第86页，共110页，编辑于2022年，星期一 2.2.线偏振光线偏振光n n光矢量只沿一个固定方向振动光矢量只沿一个固定方向振动(又称平面偏振

49、光又称平面偏振光)振动面振动面光矢量光矢量13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性第87页，共110页，编辑于2022年，星期一3.3.部分偏振光部分偏振光F F在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等但振幅不等13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性第88页，共110页，编辑于2022年，星期一偏振片偏振片二、起偏与检偏二、起偏与检偏F F偏振片：偏振片：偏振化偏振化方向方向F F偏振化方向：偏振化方向：能通过光振动的方向能通过光振动的方向13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振

50、性吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置振动能通过的装置第89页，共110页，编辑于2022年，星期一F F检偏：检偏：用偏振片检验光线的偏振化程度用偏振片检验光线的偏振化程度F F起偏：起偏：自然光通过偏振片后变为线偏振光自然光通过偏振片后变为线偏振光起偏起偏检偏检偏13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性第90页，共110页，编辑于2022年，星期一三、马吕斯定律三、马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律13-413-4 光的偏振性光的偏振性光的偏振性光的偏振性第91页，共110页，编辑于2022年，星期一 (1)(1)a=0或或