劈尖劈尖干涉课件

第十一章第十一章 波动光学波动光学第十一章波动光学第十一章 波动光学11.了解了解光的光的相干性，掌握双缝干涉、洛埃镜实验和相干性，掌握双缝干涉、洛埃镜实验和 薄膜干涉现象的产生条件和计算方法。薄膜干涉现象的产生条件和计算方法。2.理解理解惠更斯惠更斯-菲涅耳原理，掌握单缝衍射、光栅衍菲涅耳原理，掌握单缝衍射、光栅衍射和射和X射线衍射现象产生的条件和计算方法。射线衍射现象产生的条件和计算方法。3.了解了解光的偏振和物质的旋光现象，掌握马吕斯定光的偏振和物质的旋光现象，掌握马吕斯定律的应用和物质旋光度的测量方法。律的应用和物质旋光度的测量方法。教学基本要求教学基本要求第十一章第十一章 波动光学波动光学1.了解光的相干性，掌握双缝干涉、洛埃镜实验和 薄膜2一一 光是一种电磁波光是一种电磁波平面电磁波方程平面电磁波方程 真空中的光速真空中的光速可见光的范围可见光的范围 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量,它在引起人眼视它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用觉和底片感光上起主要作用.第一节第一节 光的干涉光的干涉一 光是一种电磁波平面电磁波方程 真空中的光速3P21二二 相干光相干光 普通光源发光普通光源发光特特点点：原子发光是断续原子发光是断续的，每次发光形成一的，每次发光形成一长度有限的波列长度有限的波列,各各原子各次发光相互独原子各次发光相互独立，各波列互不相干立，各波列互不相干.1）普通光源的发光机制）普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激发态激发态跃迁跃迁自发辐射自发辐射第一节第一节 光的干涉光的干涉P21二 相干光 普通光源发光特点：42）相干光的产生）相干光的产生波阵面分割法波阵面分割法*光源光源振幅分割法振幅分割法第一节第一节 光的干涉光的干涉2）相干光的产生波阵面分割法*光源振幅分割法第一节 光的5 减弱减弱加强加强暗纹暗纹明纹明纹三三 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验第一节第一节 光的干涉光的干涉p）减弱加强暗纹明纹三 杨氏双缝干涉实验第一节 光的6讨论讨论2)条纹间距条纹间距 明暗明暗条纹的位置条纹的位置1)白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹暗纹暗纹明纹明纹3）条纹间距条纹间距 的关系的关系第一节第一节 光的干涉光的干涉讨论2)条纹间距 明暗条纹的位置1)白光照射时，出现彩色7四四 洛埃镜实验洛埃镜实验 半波损失半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小的：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失为半波损失.EL第一节第一节 光的干涉光的干涉M四 洛埃镜实验 半波损失：光从光速较10 例例1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）第一节第一节 光的干涉光的干涉 例1 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝11 加加 强强减减 弱弱PLDC34E5A1B2五五 薄膜干涉薄膜干涉第一节第一节 光的干涉光的干涉光程差的讨论光程差的讨论*P*光程差光程差相位差相位差 波程差波程差 加 强减 弱PLDC34E5A1B2五 薄膜干涉第一节14 当光线垂直入射时当光线垂直入射时 当当 时时当当 时时第一节第一节 光的干涉光的干涉 当光线垂直入射时 当 16解解 (1)例例3 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率 =1.20)污染了污染了某海域某海域,在海水在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污.(1)如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油又将看到油层呈什么颜色层呈什么颜色?绿色绿色第一节第一节 光的干涉光的干涉解 (1)例3 一油轮漏出的油(折射率17(2)透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫红色紫红色第一节第一节 光的干涉光的干涉(2)透射光的光程差红光紫光紫红色第一节 光的干涉18 应用一：增透膜和增反膜应用一：增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例4 为了增加透射率为了增加透射率,求求 氟化镁膜的最小厚度氟化镁膜的最小厚度.已知已知 空气空气,氟化镁氟化镁 ,减弱减弱解解 则则23玻璃玻璃第一节第一节 光的干涉光的干涉 应用一：增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透19SM劈尖角劈尖角明纹明纹暗纹暗纹第一节第一节 光的干涉光的干涉 应用二：劈应用二：劈 尖尖SM劈尖角明纹暗纹第一节 光的干涉 应用二：劈 尖20劈尖干涉劈尖干涉（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）讨论讨论 1）劈尖）劈尖为暗纹为暗纹.第一节第一节 光的干涉光的干涉劈尖干涉（明纹）（暗纹）讨论 1）劈尖为暗纹.213）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉劈尖干涉第一节第一节 光的干涉光的干涉3）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖22 每一条每一条每一条每一条纹对应劈尖纹对应劈尖纹对应劈尖纹对应劈尖内的一个厚内的一个厚内的一个厚内的一个厚度，当此厚度，当此厚度，当此厚度，当此厚度位置改变度位置改变度位置改变度位置改变时，对应的时，对应的时，对应的时，对应的条纹随之移条纹随之移条纹随之移条纹随之移动动动动.4）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动第一节第一节 光的干涉光的干涉 每一条 4）干涉条纹的移动第一节 光的干涉23 例例 1 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖 ,放在空气中放在空气中 ,劈尖夹劈尖夹角角 ,用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时,测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽度 ,求求 这这玻璃的玻璃的 折射率折射率.解解第一节第一节 光的干涉光的干涉 例 1 有一玻璃劈尖 ,242）测膜厚）测膜厚1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用第一节第一节 光的干涉光的干涉2）测膜厚1）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用第一节 光25空气空气 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细丝的直径第一节第一节 光的干涉光的干涉空气 3）检验光学元件26圆孔圆孔单缝单缝*第二节第二节 光的衍射光的衍射一一 光的衍射现象光的衍射现象 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理(一一)光的衍射现象光的衍射现象圆孔单缝*第二节 光的衍射一 光的衍射现象 惠更斯27(二二)惠更斯惠更斯 菲涅尔原理菲涅尔原理：波阵面上面元：波阵面上面元 (子波波源子波波源)菲涅尔指出菲涅尔指出 衍射图中的强度分布是因为衍射时，衍射图中的强度分布是因为衍射时，波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定.点振动是各子波在此产生的振动的叠加点振动是各子波在此产生的振动的叠加.子波在子波在 点引起的振动振幅点引起的振动振幅 并与并与 有关有关.：时刻波阵面时刻波阵面 *第二节第二节 光的衍射光的衍射(二)惠更斯 菲涅尔原理：波阵面上面元 菲涅尔28(三三)菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫夫 琅琅 禾禾 费费 衍衍 射射光源、屏与缝相距无限远光源、屏与缝相距无限远缝缝在实验中实现在实验中实现夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射菲菲 涅涅 尔尔 衍衍 射射缝缝 光源、屏与缝相距有限远光源、屏与缝相距有限远第二节第二节 光的衍射光的衍射(三)菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫 琅 禾 费 衍 射光源29（介于（介于明明暗暗之间）之间）（个半波带）个半波带）干涉相消（干涉相消（暗纹暗纹暗纹暗纹）个半波带个半波带干涉加强（干涉加强（明纹明纹明纹明纹）个半波带个半波带中央明纹中心中央明纹中心第二节第二节 光的衍射光的衍射二二 单缝衍射单缝衍射（介于明暗之间）（个半波带）干涉相消（暗纹30当当 较小时，较小时，第二节第二节 光的衍射光的衍射当 较小时，第二节 光的衍射31 例例1 设有一单色平面波斜射到宽度为设有一单色平面波斜射到宽度为 的单缝的单缝上（如图），求各级暗纹的衍射角上（如图），求各级暗纹的衍射角 .解解由暗纹条件由暗纹条件第二节第二节 光的衍射光的衍射 例1 设有一单色平面波斜射到宽度为 32三三 衍射光栅衍射光栅 许多许多等宽度等宽度、等距离等距离的狭缝排列起来形成的光学元件的狭缝排列起来形成的光学元件.衍射角衍射角第二节第二节 光的衍射光的衍射三 衍射光栅 许多等宽度、等距离的狭缝排列起来形成的光学元33明纹位置明纹位置相邻两缝间的光程差：相邻两缝间的光程差：光栅衍射条纹的形成光栅衍射条纹的形成 光栅的衍射条纹是衍光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果射和干涉的总效果光栅常数：光栅常数：光栅常数光栅常数衍射角衍射角：透光部分的宽度：透光部分的宽度：不透光部分的宽度：不透光部分的宽度第二节第二节 光的衍射光的衍射明纹位置相邻两缝间的光程差：光栅衍射条纹的形成 34 条纹最高级数条纹最高级数讨讨 论论 光强分布光强分布第二节第二节 光的衍射光的衍射 条纹最高级数讨 论 光强分布第二节 光的衍射351 条条 缝缝20 条条 缝缝3 条条 缝缝5 条条 缝缝 光栅中狭缝条数越多，明纹越亮光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.亮纹的光强亮纹的光强：单缝光强）：单缝光强）（：狭缝数，（：狭缝数，第二节第二节 光的衍射光的衍射1 条 缝20 条 缝3 条 缝5 条 缝 光栅中狭缝条36一定，一定，减少，减少，增大增大一定，一定，增大，增大，增大增大光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远入射光波长越大，明纹间相隔越远入射光波长越大，明纹间相隔越远第二节第二节 光的衍射光的衍射一定，减少，增大一定，增37入射光为入射光为白光白光时，时，不同，不同，不同，按波长分开形成不同，按波长分开形成光谱光谱.一级光谱一级光谱二级光谱二级光谱三级光谱三级光谱 衍射光谱衍射光谱第二节第二节 光的衍射光的衍射入射光为白光时，不同，不同，按波长分开形成光谱.一级光谱38例如例如二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分二级光谱重叠部分:一一级光谱级光谱二二级光谱级光谱三三级光谱级光谱第二节第二节 光的衍射光的衍射例如二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分:一级光谱二级39连续光谱：炽热物体光谱连续光谱：炽热物体光谱线状光谱：钠盐、分立明线线状光谱：钠盐、分立明线带状光谱：分子光谱带状光谱：分子光谱衍射光谱分类衍射光谱分类光谱分析光谱分析由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分析出元素的含量化合物；还可从谱线的强度定量分析出元素的含量第二节第二节 光的衍射光的衍射连续光谱：炽热物体光谱衍射光谱分类光谱分析由于不同元40 例例1 用白光垂直照射在每厘米有用白光垂直照射在每厘米有6500条刻痕的平条刻痕的平面光栅上，求第三级光谱的张角面光栅上，求第三级光谱的张角.解解红光红光第第三三级光谱的级光谱的张角张角第三级光谱所能出现的最大波长第三级光谱所能出现的最大波长绿光绿光紫光紫光不可见不可见第二节第二节 光的衍射光的衍射 例1 用白光垂直照射在每厘米有6500条刻41例例2试设计一个平面透射光栅的光栅常数，使试设计一个平面透射光栅的光栅常数，使得该光栅能将某种光的第一级衍射光谱展开得该光栅能将某种光的第一级衍射光谱展开 角角的范围设该光的波长范围为的范围设该光的波长范围为 解解每厘米大约有条刻痕每厘米大约有条刻痕第二节第二节 光的衍射光的衍射例2试设计一个平面透射光栅的光栅常数，使解每厘米大约有42 1885 1885年年伦伦琴琴发现了穿透发现了穿透性很强的射线性很强的射线称称射线射线劳劳 厄厄 斑斑 点点铅板铅板单晶片单晶片 照像底片照像底片 单晶片的衍射单晶片的衍射19121912年劳厄实验年劳厄实验X 射线射线冷却水冷却水第二节第二节 光的衍射光的衍射五五 X X射线的衍射射线的衍射 1885年伦琴发现了穿透性很强的射线称射线劳 厄43布布 拉拉 格格 反反 射射入射波入射波散射波散射波 1913年英国年英国布喇格父子布喇格父子提出了一种解释射线提出了一种解释射线衍射的方法，给出了定量结果，并于衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物年荣获物理学诺贝尔奖理学诺贝尔奖掠射角掠射角晶格常数晶格常数 相邻两个晶面反射的相邻两个晶面反射的两两X射线干涉射线干涉加强的条件加强的条件 布喇格公式布喇格公式第二节第二节 光的衍射光的衍射布 拉 格 反 射入射波散射波 1913年英国44 用途用途 测量射线的波长研究测量射线的波长研究X X射线谱，进而研究原子射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能.例如对大例如对大分子分子 DNA DNA 晶体的成千张的晶体的成千张的X X射线衍射照片的分析，显示射线衍射照片的分析，显示出出DNADNA分子的分子的双螺旋双螺旋结构结构.DNA DNA 晶体的晶体的X衍射照片衍射照片DNA DNA 分子的双螺旋结构分子的双螺旋结构 布拉格公式布拉格公式第二节第二节 光的衍射光的衍射 用途 测量射线的波长研究X射线谱，进而研究原子结构45光的光的波动性波动性 光的干涉、衍射光的干涉、衍射.光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振.机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝机械波穿过狭缝第三节第三节 光的偏振光的偏振一一 光的偏振性光的偏振性光的波动性 光的干涉、衍射.46(一一)自然光自然光 偏振光偏振光 自然光自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光对称）这样的光叫自然光.自然光以两互相自然光以两互相垂直垂直的互的互为独立的为独立的 （无确定无确定的的相位相位关关系）振幅相等的光振动表示系）振幅相等的光振动表示,并各具有并各具有一半一半的振动能量的振动能量.符号表示符号表示注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系.二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的.第三节第三节 光的偏振光的偏振(一)自然光 偏振光 自然光：一般光源发出的光47 偏振光偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示 部分偏振光部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光.振动面振动面第三节第三节 光的偏振光的偏振 偏振光（线偏振光）符号表示 部分偏振光：某48 起起 偏偏(二二)偏振片偏振片 起偏与检偏起偏与检偏 二向色性二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振某些物质能吸收某一方向的光振动动,而只让与这个方向垂直的光振动通过而只让与这个方向垂直的光振动通过,这种性质这种性质称二向色性称二向色性.偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片.偏振化方向偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向片的偏振化方向.偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器第三节第三节 光的偏振光的偏振 起 偏(二)偏振片 起偏与检偏 二向色性 49检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器第三节第三节 光的偏振光的偏振检偏器 检 偏起偏器第三节 光的偏振50NM二马吕斯定律二马吕斯定律（1880 年）年）检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为第三节第三节 光的偏振光的偏振NM二马吕斯定律（1880 年）检偏器起偏器NM 51 例例1 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作一个用作检偏器检偏器.当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时,一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ;当它们偏振化当它们偏振化方向间的夹角为方向间的夹角为 时时,另一束单色自然光穿过它们另一束单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ,且且 .求两束单色自然光的强求两束单色自然光的强度之比度之比.解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 .经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后第三节第三节 光的偏振光的偏振 例1 有两个偏振片,一个用作起偏器,52 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系.讨论讨论第三节第三节 光的偏振光的偏振 在两块正交偏振片 53若若 在在 间变化，间变化，如何变化如何变化？第三节第三节 光的偏振光的偏振若 在 间变54 (一一)旋光现象旋光现象偏振光通过某些物质后，其振动面将偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过以光的传播方向为轴线转过 一定的角度一定的角度.旋光物质旋光物质 能产生旋光现象的物质能产生旋光现象的物质.（如石英（如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）四四 物质的旋光性物质的旋光性第三节第三节 光的偏振光的偏振 1）右旋物质）右旋物质 面对着光源观察，使光振动面的面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质旋转为顺时针的旋光物质.（如葡萄糖溶液）（如葡萄糖溶液）2）左旋物质）左旋物质 面对着光源观察，使光振动面的面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质旋转为逆时针的旋光物质.（如蔗糖溶液）（如蔗糖溶液）(一)旋光现象偏振光通过某些物质后，其振55第三节第三节 光的偏振光的偏振(二二)旋光旋光计计观察偏振光振动面旋转的仪器观察偏振光振动面旋转的仪器.起偏器，起偏器，检偏器，检偏器，盛有液体旋光盛有液体旋光物质的管子物质的管子.设设 为偏振光通过旋光物质后振动面所转过的角度为偏振光通过旋光物质后振动面所转过的角度 溶液溶液旋光性物质旋光性物质（一定一定）为旋光物质的浓度为旋光物质的浓度为旋光物质的透光长度为旋光物质的透光长度为一与旋光物质有关的常量为一与旋光物质有关的常量第三节 光的偏振(二)旋光计观察偏振光振动面旋转的仪56 固体固体旋光物质旋光物质 为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量第三节第三节 光的偏振光的偏振 外加磁感强度为外加磁感强度为 的磁场的磁场,使某使某些不具旋光性的物质产生旋光现象些不具旋光性的物质产生旋光现象.磁致旋光效应磁致旋光效应叫韦尔代常量叫韦尔代常量 固体旋光物质 为一与旋光物质及入射光的波长有关57