15第十五章光的本性

第十五章光的本性第一节机械波的干涉和衍射一、机械波的干涉二、机械波的衍射第二节光的干涉和衍射一、光的干涉1光的干涉现象：两列频率相同的光相遇时发生叠加，在某些区域总加强，而另外一些区域总减弱，出现明暗相间的条纹或者彩色条纹的现象。2干涉的条件两个光源发出的光频率相同；两个光源发出的光在空间叠加。二、双缝干涉1实验装置实验：杨氏双缝干涉实验装置如图所示。注意：本实验中所用的光束是，能否用灯泡产生的光（自然光）来做这个实验？如果仍要用灯泡产生的光束来做这个实验，该怎么做？如下图所示，杨氏双缝干涉实验的装置主要由光源、单缝S、双缝S1、S2和光屏组成。当光照射到单缝时，单缝S就成为一个线光源，双缝S1、S2到单缝S的距离相等，这样双缝S1、S2就处在线光源S发出的光波的同一个波面上（如图所示），因此双缝S1、S2就成为振动情况完全相同的两个光源。所谓“振动情况完全相同”是指描述振动的物理量频率、相位、振幅以及振动方向都相同。由双缝S1、S2发出的两列光波在它们相遇的空间就会出现光振动加强与光振动减弱相间隔的区域，光屏上会出现亮、暗相间隔的条纹。思考：下一个波面的振动情况与前一个波面的振动情况相同吗？答：不一定。由光源的性质决定，若光源为普通光源，则前后两个波面的振动一般不同，若光源为激光，则前后两个波面的振动一般相同。思考：如果单缝比较大的话，还能观察到进一步条纹吗？答：如果缝比较大的话，单缝里所含有的光量多，信息复杂，就有可能含有不同频率的光。单缝就不能成为新的单一波源，这样到达两缝的信息“即振动情况”就不完全相同，两个缝的波就不能干涉。例1某同学自己动手利用如图所示器材，观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，C为像屏。当他用一束阳光照射到A上时，屏C上并没有出现干涉条件。他移走B后，C上出现一窄不亮斑。分析实验失败的原因，最大的可能性是（）A 单缝S太窄B 单缝太宽C S到S和S的距离不等D 阳光不能作为光源2干涉规律：屏上某点到两个光源之间的距离差是波长的整数倍，或是半波长的偶数倍时，该点将出现亮条纹，即屏上某点到两个光源之间的距离之差是半波长的奇数倍时，该点将出现暗条纹，即屏上和双缝S1和S2的距离相等的点O，若用单色光实验该点是亮条纹（中央条纹），若用白光实验该点是白色的亮条纹。若用单色光做实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央条纹是白条纹，两侧是彩色条纹。内侧为紫色，外侧为红色。屏上明条纹暗条纹之间的距离总是相等的。其距离大小x与双缝之间距离d，双缝到屏的距离L及光的波长有关，即在L和d不变的情况下，x和波长成正比，应用上式可侧光波的波长。若测出n条亮纹（或暗纹）间的距离a，相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离，再测出d和L的值。就可以测得波长特别注意：n的表述。用同一实验装置做干涉实验，红光干涉条纹的间距最大，紫光的干涉条纹间距最小。三、薄膜干涉1产生原因：由薄膜的前后表面反射的两列光波叠加而成。2现象：若单色光照在上述薄膜上，形成明暗相间的条纹；若白光照在上述薄膜上，将形成彩色条纹；在水面上的油膜、肥皂泡等在白光照射下出现灿烂的彩色都是薄膜干涉现象。3薄膜干涉的应用检查精密零件的表面质量如图所示，利用被检查平面和标准样板间的空气薄膜的上下两个表面反射的两列光波之间的干涉条纹来检查。思考：干涉条纹是由哪两个表面的反射形成的？增透膜在光学元件（透镜、棱镜）的表面涂一层薄膜，当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到减小反射光、增大透射光强度的作用。四、光的衍射1 光的衍射现象：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象。2 常见的光的衍射现象光通过狭缝的衍射现象，单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹较宽，其余亮纹变窄。白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。光通过小孔的衍射现象：光通过小孔时（孔很小）在屏上会出现明暗相间的圆环。光照到小圆板上的衍射现象：当照到不透明的小圆板上，在屏上圆板的阴影中心，出现亮斑泊松亮斑。3 在光的衍射现象中，衍射图样的出现，即明暗相间条纹的产生，是光波互相叠加后的结果。其中明条纹是光波叠加后的加强区，暗条纹是光波叠加后的减弱区。4 发生明显衍射现象的条件在障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比（即与波长差不多），甚至比光的波长还要小的时候，就会出现明显的衍。说明：光的干涉与衍射现象是光的波动性的表现，也是光具有波动性的证据，其区别是：光干涉现象只有在符合一定条件下才发生；而光的衍射现象却总是存在的，只有明显与不明显之分。光的干涉现象和衍射现象在屏上出现的都是明暗相间的条纹，但双缝干涉时条纹间隔均匀，从中央到两侧的明纹亮度变化不大；而单缝衍射的条纹间隔不均匀，中央明纹又宽又亮，从中央向两侧，条纹宽度减小，明纹亮度显著减弱。例2在做双缝干涉实验时，若用红、绿两块玻璃分别挡在一条狭缝前面。下面说法中正确的是（）A 屏上形成明暗相间的干涉条纹B 屏上形成红、绿相间的干涉条纹C 屏上不能形成干涉条纹D 以上说法都不正确例3如右图所示、一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法正确的是（）A 人从右侧向左看，可看到彩色条纹B 人从左侧向右看，可看到彩色条纹C 彩色条纹水平排列D 彩色条纹竖直排列答案：BC例4让太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有一个自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地收缩变小直到闭合时，在孔后的屏上先后出现（）A 由大到小的三角形光斑，直至光斑消失B 由大到小的三角形亮斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失C 由大到小的三角形光斑，明暗相间的黑白条纹，起到黑白条纹消失。D 由大到小的三角形光斑，小圆形光斑，明暗相间的彩色条纹，起到条纹消失例5市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处。这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以表示此红外线在玻璃中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为。第三节光的电磁说一、光的电磁说1光的电磁说的提出光的干涉和衍射现象证实光是一种波。麦克斯韦在电磁理论的基础上，根据电磁波和光波的相似性，提出光是一种电磁波。2光的电磁说的依据赫兹用实验证实电磁波的存在。 光和电磁波在真空中的传播速度相同。 传播时都不需要介质。 都具有波动性，具有反射、干涉、衍射等现象，都是横波。3可见光、红外线、紫外线、伦琴射线（x射线）、射线。二、电磁波谱1电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线。其产生机理、性质差别、用途等可概括如下表:2波长越长的波越容易表现出干涉、衍射等现象。波长越短的波越不容易观察到它们的干涉、衍射等现象。思考：红外线为什么表现出热效应的特性呢？红光穿透云层的能力比紫光。红光的穿透能力与x射线、射线的穿透能力有本质上的区别吗？三、光的偏振、激光1 偏振：横波只沿某一特定的方向振动，称为波的偏振。光的偏振表明光波是一种横波。2 自然光和偏振光自然光（非偏振光）偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光经过起偏器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向振动的强度相同。在垂直于光的传播方向的平面内，光的振动沿特点方向3 光的偏振在科技中的应用立体电影、照相用的偏振滤色片、偏振显微镜等。4 激光（1）定义：原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，如界这样的光子在介质中传播时，再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的频率和发射方向都相同的光子，使光得到加强（也叫光放大），这就是激光。（2）主要特点：方向性好（光子的发射方向相同）、单色性好（光子的频率相同）、亮度高。（3）应用 由于其方向性好（即平行度高），可以用它来精确测距（如激光雷达），还可以用激光读VCD机、CD唱机或计算机的光盘上的信息，经过处理后还原成声音和图象。 由于频率相同，激光是一种人工相干光，所以它能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。光纤通信应是激光和光导纤维相结合的产物。 由于其亮度高，可以切割物质，医学上作“光刀”来切开皮肤，切除肿瘤等；还可以利用激光引起核聚变。实验：用双缝干涉测光的波长一、实验目的1 观察双缝干涉的干涉图样。2 测定单色光的波长。二、实验原理双缝干涉中两个相邻明（暗）条纹间的距离x与波长、双缝间距离d及双缝到屏的距离L满足两条相邻明（暗）条纹间的距离x用测量头测出。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图所示。转动手轮，分划板会左、右移动。测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心。记下此时手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数a2，两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离，即x|a1a2|。x很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n条明条纹间的距离a，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离，即。三、实验步骤1观察双缝干涉图样（1）将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示。（2）接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。（3）调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。（4）安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5 cm10 cm，这时，可观察白光的干涉条纹。（5）在单缝的光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。2测定单色光的波长（1）安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。（2）使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量时移过的条纹数n，则相邻两亮条纹间距（3）用刻度尺测量双缝到光屏间距离L(d是已知的)。（4）重复测量、计算，求出波长的平均值。（5）换用不同滤光片，重做实验。注意事项1 在安装器材时，一定要使光源、单缝、双缝和光屏的中心在同一条水平直线上，并使单缝和双缝平行，否则会出现一半亮、一半暗或完全看不到亮光的现象。2 比较不同色光的干涉条纹的宽窄时，可将两块不同颜色的滤光片上下并列放在光源和单缝之间，使得进入遮光筒的上、下两部分是不同颜色的光，这样就能在屏上同时看到上下两种不同色光的干涉条纹，便于直接比较它们的宽窄。