大学物理光学-课件教学提纲.ppt

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1、第五篇光学第五篇光学(gungxu)光学光学(gungxu)绪论绪论 人类对光的认识过程人类对光的认识过程光学是物理学最早的一个光学是物理学最早的一个(y)分支，也是最前沿分支，也是最前沿的学科的学科微粒说微粒说i几何光学几何光学光的传播定律光的传播定律光的独立传播定律光的独立传播定律光的直线传播定律光的直线传播定律光的反射和折射定律光的反射和折射定律从认识光到几何光学从认识光到几何光学 2000年左右年左右17世纪研究光的本性世纪研究光的本性 光是从光源中发出的粒子流（弹性小球光是从光源中发出的粒子流（弹性小球按惯性沿直线传播按惯性沿直线传播 牛顿）。牛顿）。第一页，共75页。波粒二象性波粒

2、二象性波动波动(bdng)说说光是从光源中发出光是从光源中发出(fch)的某种波动。的某种波动。（机械波（机械波 惠更斯）惠更斯）波动说理论本身不能自恰自相矛盾波动说理论本身不能自恰自相矛盾(z xing mo dn)。媒质。媒质“以太以太”17，18世纪微粒说占统治地位。世纪微粒说占统治地位。19世纪中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确世纪中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。立了波动说。19世纪末世纪末20世纪初中期麦克斯韦提出了光的电磁波世纪初中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。理论，才确立了波动说。第二页，共75页。1光的相干性光的相干性相干的相干的3个条件

3、，加强减弱的稳定个条件，加强减弱的稳定(wndng)分布分布光干涉现象为明，暗相间条纹光干涉现象为明，暗相间条纹(tio wn)的稳定分布的稳定分布两个两个(lin)独立光源不相干独立光源不相干 原子发光原子发光 间歇的波列间歇的波列机械波机械波 波源波源 媒质媒质光波光波 光源光源 “以太以太”2研究光干涉的基本实验研究光干涉的基本实验1几种实验装置几种实验装置扬氏双缝实验扬氏双缝实验第十四章光的干涉第十四章光的干涉第三页，共75页。观察观察(gunch)屏屏菲涅尔双面镜实验菲涅尔双面镜实验(shyn)S菲涅尔双棱镜菲涅尔双棱镜(lngjng)实验实验S第四页，共75页。洛埃镜实验洛埃镜实验

4、(shyn)S第五页，共75页。2 干涉干涉(gnsh)条纹的分布条纹的分布2aD xDD2ap(x)o2D第六页，共75页。（明纹中心（明纹中心(zhngxn)位置）位置）第七页，共75页。3 半波半波(bn b)损失损失 x D 2a 暗暗 S条件条件(tiojin)：从光蔬媒质：从光蔬媒质光密媒质光密媒质(1)位相改变位相改变(gibin)（2）形成波节）形成波节（3）从波蔬媒质到波密媒质的反射）从波蔬媒质到波密媒质的反射P 不同，间隔不同不同，间隔不同红红 x，紫，紫 x 红红紫紫白光（白光（0级明纹，白的）级明纹，白的）紫紫红红（一级明纹，彩带）（一级明纹，彩带）（一级明纹，彩带（一

5、级明纹，彩带)同一同一D,2a，第八页，共75页。SPD=1m=1000mm求求 (2)=600nm例题例题(lt)解解已知已知 2a=0.2mm x=?第九页，共75页。(2)第十页，共75页。3薄膜的干涉薄膜的干涉(gnsh)1 薄膜干涉的一般薄膜干涉的一般(ybn)公式，公式，光程光程1,2 两束光的波程差两束光的波程差=（2k+1)/2 黑暗黑暗(hi n)的的=2k 明明=(2k+1)暗暗光线光线2：ABC光线光线1：(半波损失半波损失)=k 明亮的明亮的第十一页，共75页。真空真空(zhnkng)：不变不变不同不同(b tn)明明暗暗k=0,1,2第十二页，共75页。明明暗暗折射率

6、折射率 n 几何距离几何距离(jl)=光程光程 第二条光线第二条光线(gungxin)的光程的光程第一条光线第一条光线(gungxin)的光程的光程光程：把光在媒质中走的距离折合到真空中，光程：把光在媒质中走的距离折合到真空中，例如：在媒质中走的距离为例如：在媒质中走的距离为 r 相当于在真空中走相当于在真空中走 nr 第十三页，共75页。第十四页，共75页。第十五页，共75页。明明暗暗k=0,1,2薄膜干涉的一般薄膜干涉的一般(ybn)公式公式第十六页，共75页。例题：空气中放一水平例题：空气中放一水平(shupng)肥皂膜，以知：肥皂膜，以知：n=1.33解：解：i=0 干涉干涉(gnsh

7、)加强加强时干涉时干涉(gnsh)加加强强（1）e.i 一定一定,（2）,e 一定一定,等倾干涉条纹等倾干涉条纹（3）,i 一定，一定，等厚干涉条纹等厚干涉条纹0.7 m.问在反射光中观察，肥皂膜显现什麽颜色？问在反射光中观察，肥皂膜显现什麽颜色？e=0.32 m.用白光垂直照射，波长用白光垂直照射，波长 从从0.4-第十七页，共75页。k=0 0,k 0 e0明纹明纹暗纹暗纹明环半径明环半径(bnjng)暗环半径暗环半径(bnjng)第二十三页，共75页。注意注意(zh y)半波半波(bn b)损失损失 /n 垂直垂直(chuzh)入射入射应用：应用：如如 已知已知 R 如如 已知已知 R光

8、路中引入透镜不改变光程差光路中引入透镜不改变光程差第二十四页，共75页。迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪（可移动（可移动(ydng)）观察观察(gunch)系统系统12S不垂直不垂直(chuzh)等厚干涉等厚干涉如如严格垂直严格垂直等倾干涉等倾干涉移走的条纹数移走的条纹数 N，移动的距离移动的距离 d知知 d 知知 d 第二十五页，共75页。潜望镜潜望镜20个透镜个透镜(tujng)，所剩能量（光强），所剩能量（光强）玻璃玻璃(b l)空气空气(kngq)（氟化镁）（氟化镁）玻璃玻璃与型号有关与型号有关h膜的上，下表面都有半波损失膜的上，下表面都有半波损失4 增透膜增透膜普通相机普通相机 6个透镜

9、，个透镜，12个玻璃表面个玻璃表面所剩能量（光强）所剩能量（光强）反射反射5%，透过，透过95%。第二十六页，共75页。平面平面(pngmin)单色光垂直入射，黄绿光单色光垂直入射，黄绿光 =0。552（m）恰好恰好(qiho)（m）第五章第五章 光的衍射光的衍射(ynsh)1 光的衍射现象，惠更斯光的衍射现象，惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理S圆盘圆盘影子影子第二十七页，共75页。S小孔小孔S屏很小屏很小中心中心(zhngxn)为亮点为亮点第二十八页，共75页。中心中心(zhngxn)可亮可暗可亮可暗S小孔小孔 入射波方向入射波方向(fngxing)PdSC y=dSn第二十九页，共75页。积分法

10、积分法振幅振幅(zhnf)矢量法矢量法菲涅耳半波菲涅耳半波(bn b)带法带法*衍射衍射(ynsh)的两大分类的两大分类光源，屏幕光源，屏幕 距衍射屏有限远距衍射屏有限远光源，屏幕光源，屏幕 距衍射屏无限远距衍射屏无限远SP衍射屏衍射屏菲涅耳衍射菲涅耳衍射（近场衍射）（近场衍射）第三十页，共75页。衍射衍射(ynsh)菲涅耳菲涅耳SP衍射衍射(ynsh)夫琅和费衍射夫琅和费衍射(ynsh)（远场衍射（远场衍射(ynsh)）第三十一页，共75页。单缝衍射单缝衍射2SPSOpABC第三十二页，共75页。aABC半波半波(bn b)带带ABAC=a sin 狭缝狭缝(xi fn)宽宽 a=AB光强极

11、小光强极小(j xio)暗纹中心暗纹中心光强极大光强极大 明纹中心明纹中心 不包括明纹中心不包括明纹中心 暗纹中心暗纹中心明纹中心明纹中心第三十三页，共75页。中央中央(zhngyng)明纹明纹中央中央(zhngyng)明纹中心明纹中心=0中中央央(zhngyng)明明纹纹一一级级明明纹纹二二级级明明纹纹三三级级明明纹纹一一级级暗暗纹纹二二级级暗暗纹纹三三级级暗暗纹纹位置位置IO(sin)半角宽度半角宽度第三十四页，共75页。例题，已知例题，已知 =500nm 平行平行(pngxng)单色光垂直入射单色光垂直入射a=0.25mm f=25cm求求:(1)两第三级明纹之间的距离两第三级明纹之间的

12、距离(jl)（2）第三级明条纹）第三级明条纹(tio wn)的宽度的宽度解：解：fo（1）第三级明条纹满足）第三级明条纹满足条纹距离条纹距离第三十五页，共75页。（2）第三级明纹的宽度）第三级明纹的宽度(kund)第四级暗纹第四级暗纹第三级暗纹第三级暗纹第三级明纹宽度第三级明纹宽度(kund)3 光学仪器光学仪器(成像系统成像系统(xtng)的分辨本领的分辨本领L 能能分分辨辨恰恰好好分分辨辨不不能能分分辨辨=第三级暗纹和第四级暗纹之间的距离第三级暗纹和第四级暗纹之间的距离第三十六页，共75页。瑞利判据瑞利判据(pn j)L分辨率分辨率越好越好RD 第三十七页，共75页。1 现象现象(xinx

13、ing)和定性解释和定性解释4 光栅光栅(gungshn)衍射衍射a-通光通光(tn un)的缝宽的缝宽Opb-不通光部分的宽度不通光部分的宽度第三十八页，共75页。d=a+b光栅光栅(gungshn)常数常数总的刻线总的刻线(k xin)数数Np第三十九页，共75页。单缝衍射单缝衍射多光束多光束(gungsh)干涉干涉光栅光栅(gungshn)衍射衍射I位置位置(wi zhi)I位置位置第四十页，共75页。2 光栅光栅(gungshn)方程方程单色光垂直单色光垂直(chuzh)入射入射d sin =k k=0,1,2,3pd =d sin 第四十一页，共75页。例题例题(lt)已知：每毫米刻

14、已知：每毫米刻500个缝，单色光垂直入射个缝，单色光垂直入射=590nm求：最多能看到几级明条纹求：最多能看到几级明条纹(tio wn)。解：解：0 级明纹级明纹1 级明纹级明纹2 级明纹级明纹（a+b）sin=k 最高级由最高级由决定决定(judng)第四十二页，共75页。3 光栅光栅(gungshn)的缺级问题的缺级问题某一衍射角某一衍射角 既满足既满足(mnz)又满足又满足(mnz)(a+b)sin=k p亮亮暗暗光栅的第光栅的第 k 级明纹消失级明纹消失缺级缺级如如如如缺缺 2 的倍数级的倍数级缺缺 3 的倍数级的倍数级第四十三页，共75页。4 应应 用用（1）测光波长）测光波长(bc

15、hng)装置装置(zhungzh)：分光仪：分光仪平行平行(pngxng)光管光管圆盘圆盘望远镜望远镜 可测，数出可测，数出 k如已知如已知 （a+b）如已知如已知 (a+b)(2)光谱分析光谱分析(a+b)固定固定 第四十四页，共75页。红光红光紫光紫光白光白光0123401 23401234入射光线衍射入射光线衍射(ynsh)光线在法线同侧光线在法线同侧入射光线衍射入射光线衍射(ynsh)光线在法线两侧光线在法线两侧第四十五页，共75页。5 光栅光栅(gungshn)光谱光谱 -+d -+d 角色散度角色散度 D同一级次同一级次谱线的半角宽度谱线的半角宽度(kund)恰恰好好(qiho)分

16、分辨辨第四十六页，共75页。(a+b)sin =k (a+b)cos d =k d (a+b)kD能能分分辨辨(fnbin)恰恰好好(qiho)分分辨辨不不能能分分辨辨(fnbin)第四十七页，共75页。根据根据(gnj)瑞利判据瑞利判据 d =谱线的半角宽度谱线的半角宽度(kund)分辨本领分辨本领 kNR5 X射线的衍射射线的衍射(ynsh)-+Ak（理论是可算出）第四十八页，共75页。衍射衍射(ynsh)ABCAB dd1212CAD-CB=0D第四十九页，共75页。2 d sin =k K=1,2,3相干相干(xinggn)加强加强应用应用(yngyng)：X 射线射线(shxin)晶

17、体晶体检测器检测器铅板铅板X 射线分光仪射线分光仪如如 已知已知 -d 结构分析结构分析 d-光谱分析光谱分析第五十页，共75页。第十六章第十六章 光的偏振光的偏振(pin zhn)1 自然光与偏振光自然光与偏振光1 自然光与偏振光自然光与偏振光E 矢量矢量(shling)光矢量光矢量(shling)E 的振动的振动光振动光振动E 的振动方向的振动方向光的振动方向光的振动方向偏振光偏振光线偏振光线偏振光完全偏振光完全偏振光传播方向传播方向偏振状态偏振状态uEH第五十一页，共75页。自然光自然光部分部分(b fen)偏振光偏振光第五十二页，共75页。2 起偏和检偏起偏和检偏 偏振片偏振片偏振片偏

18、振片偏振偏振(pin zhn)化方向化方向最亮最亮最暗最暗半明半暗半明半暗(bn mn bn n)第五十三页，共75页。马吕斯定律马吕斯定律(dngl)I=0I=0最亮最亮最暗最暗半明半暗半明半暗(bn mn bn n)振幅振幅(zhnf)第五十四页，共75页。2 反射和折射反射和折射(zhsh)时光的偏振时光的偏振空气空气(kngq)玻璃玻璃(b l)布儒斯特布儒斯特 起偏角起偏角推论推论:反射线与折射线垂直反射线与折射线垂直证明：证明：入射角入射角反射角反射角布布儒儒斯斯特特定定律律第五十五页，共75页。由布儒斯特定律由布儒斯特定律(dngl)折射折射(zhsh)定律定律 反射线与折射线垂

19、直反射线与折射线垂直(chuzh)证毕证毕第五十六页，共75页。空气空气(kngq)玻璃玻璃(b l)玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆线偏振光线偏振光自然光自然光起偏器起偏器第五十七页，共75页。应用应用(yngyng)：布儒斯特窗布儒斯特窗3 双折射双折射1 双折射现象双折射现象(xinxing)，寻常光，非寻常光，寻常光，非寻常光ABCDABCDeo方解石晶体方解石晶体(jngt)各向异性各向异性一条遵守折射定律一条遵守折射定律,寻常光，寻常光，,o 光光一条遵守不折射定律一条遵守不折射定律,非寻常光非寻常光,e光光都是线偏振光都是线偏振光第五十八页，共75页。光轴光轴-一个一个(y)方向

20、方向单轴晶体单轴晶体（方解石（方解石,石英石英(shyng)）双轴晶体双轴晶体（云母（云母(ynm),硫磺）硫磺）法线（光线入射的界面法线（光线入射的界面 ）光线光线,光轴光轴主截面主截面:光轴光轴（晶体的主截面）（晶体的主截面）主平面主平面:（光线的主平面）（光线的主平面）o 光的振动方向垂直于自己的主平面光的振动方向垂直于自己的主平面;e 光的振动方向平行于自己的主平面光的振动方向平行于自己的主平面.特殊情况特殊情况:三个平面重合三个平面重合(入射光线在主截面内入射光线在主截面内,光轴在入射光轴在入射面内面内,入射面与主截面一致入射面与主截面一致.)第五十九页，共75页。第六十页，共75页

21、。2 惠更斯作图法惠更斯作图法o 球面球面(qimin)e 旋转旋转(xunzhun)椭球面椭球面不垂直不垂直(chuzh)第六十一页，共75页。正晶体正晶体 球面球面(qimin)包围椭球面包围椭球面(qimin)负晶体负晶体 椭球面包围椭球面包围(bowi)球面球面正晶体正晶体(jngt)石英石英负晶体负晶体 方解石方解石第六十二页，共75页。B空气空气(kngq)方解石方解石oeC空气空气(kngq)方解石方解石oeoe空气空气(kngq)方解石方解石oe第六十三页，共75页。3 格兰格兰(ln)-汤姆逊棱镜汤姆逊棱镜oe玻璃玻璃(b l)n=1.655第六十四页，共75页。4 椭圆偏振

22、光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 波片波片 C 晶体晶体(jngt)光轴光轴第六十五页，共75页。椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光线偏振光线偏振光偏振偏振(pin zhn)方向转方向转2角角波片波片e光跑在前光跑在前o光跑在前光跑在前第六十六页，共75页。线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第六十七页，共75页。第六十八页，共75页。问题问题:来一束光来一束光,偏振状态偏振状态(zhungti)有五种可能有五种可能:自然光自然光,答：答：线偏振光线偏振光,部分部分(b fen)偏振光偏振光,椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光设计实验来检查区别这五种偏振设计实验来检查区别这五种偏振(p

23、in zhn)状态的光状态的光.用偏振片对着光转一周用偏振片对着光转一周,有三种可能的情况：有三种可能的情况：亮度不变亮度不变,可能可能圆偏振光圆偏振光自然光自然光二次全亮二次全亮,二次全暗二次全暗,椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光二次半亮二次半亮,二次半暗二次半暗部分偏振光部分偏振光第六十九页，共75页。再用再用圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光无论如何无论如何(w ln r h)也不可能变成线偏振光也不可能变成线偏振光自然光和部分偏振光透过自然光和部分偏振光透过第七十页，共75页。5 偏振光的干涉偏振光的干涉(gnsh)产生产生(chnshng)干涉干涉单色自然光单色

24、自然光第七十一页，共75页。单色自然光单色自然光亮亮暗暗第七十二页，共75页。亮亮暗暗亮亮暗暗亮亮暗暗第七十三页，共75页。讨论讨论(toln)结果结果（1）厚度）厚度(hud)满足加强时，视场亮；满足加强时，视场亮；厚度满足厚度满足(mnz)减弱时，视场暗。减弱时，视场暗。没有干涉条纹没有干涉条纹（2）厚度不同（晶片劈尖形）可看到干涉条纹，）厚度不同（晶片劈尖形）可看到干涉条纹，（3）波长不同，厚度满足加强的厚度不同。）波长不同，厚度满足加强的厚度不同。问题：问题：自然光通过晶片（自然光通过晶片（1/4波片）波片）o光光 e光光线偏振光通过晶片（线偏振光通过晶片（1/4波片）波片）o光光 e光光第七十四页，共75页。相干光强相干光强为两偏振为两偏振(pin zhn)片偏振片偏振(pin zhn)化方向的夹角化方向的夹角为晶片光轴与第一个偏振为晶片光轴与第一个偏振(pin zhn)片偏振片偏振(pin zhn)化方向的夹角化方向的夹角为在第二个偏振片后方两相干为在第二个偏振片后方两相干(xinggn)偏振光偏振光之间的位相差之间的位相差ENDEND6 偏振光的应用（旋光效应偏振光的应用（旋光效应 人为各向异性）人为各向异性）第七十五页，共75页。