杨氏双缝干涉实验物理教学课件PPT

第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验一一 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验B1s2ssxooP实实 验验 装装 置置d1r2rDdDrmmmmd11 . 0110RcmcmmmD101R装置设计的巧妙之处装置设计的巧妙之处?N第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验B1s2ssxooP实实 验验 装装 置置d1r2rDrRN212sindxrrS NdD2122( )()dPrrxD2(21)kk相干极大相干极大相干极小相干极小第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验Dxd 相邻明条纹（暗相邻明条纹（暗条纹）之间间隔条纹）之间间隔2122( )()dPrrxD2(21)kk相干极大相干极大相干极小相干极小1()2DkdxDkd相干极大相干极大相干极小相干极小白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验例例1 1 波长为波长为 的氦氖激光垂直照射杨氏干的氦氖激光垂直照射杨氏干涉装置中的间距为涉装置中的间距为 的双孔，求在的双孔，求在 远处屏远处屏幕上干涉条纹的间距，它是波长的多少倍？幕上干涉条纹的间距，它是波长的多少倍？o6328Amm5 . 0m2解：解： 720006328 102.40.5Dxmmmmd 34 10 xDd从干涉条纹间距可以从干涉条纹间距可以求出相干光的波长，求出相干光的波长，干涉能将光波的周期性放大，变为稳定的可观测图样。干涉能将光波的周期性放大，变为稳定的可观测图样。第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？d D、x1）DDxd第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验2） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、Dxd 第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验 例例2 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）,0, 1,2,kDxkkd144141Dxxxkkd1441500nmxdD kk（2）3.0mmDxd 第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验二二 一些其他的干涉装置一些其他的干涉装置(1)菲涅尔双镜菲涅尔双镜P1M2MLCd2s1ssBC第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验2dBDB C，BCBdDx2)(BCd2S1SSMxPDxd 垂垂直直于于X轴轴的的直直线线条条纹纹第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验1S2SSnxPBC(2)菲涅尔双棱镜菲涅尔双棱镜) 1(22n2(1)dBnBCBD()2(1)DBCxdnB Dxd 第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验注意：注意：由于掠入射时的半波损失，由于掠入射时的半波损失， 点处是暗条纹点处是暗条纹。0P(3)劳埃德镜劳埃德镜1sPM2sdDPN0Pad22DDxda Dxd a 半波损失半波损失 ：光从：光从光速较大的介质光速较大的介质(光疏介质光疏介质)射向射向光光速较小的介质（光密介质）速较小的介质（光密介质）时反射光的相位较之入射光时反射光的相位较之入射光的相位跃变了的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失个波长的波程差，称为半波损失.第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验Ch解解 计算波程差计算波程差BCACr22)2cos1 ( ACsinhAC B2A12 , 求求 第一次测到极大时，射电星的方位第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角与湖面所成的角 . 如图如图 离湖面离湖面 处有一电磁波接收器位于处有一电磁波接收器位于 C ，当一射电星从地平面渐渐升起时，当一射电星从地平面渐渐升起时， 接收器断续接接收器断续接收收 到一系列极大值到一系列极大值 . 已知射电星发射的电磁波波长为已知射电星发射的电磁波波长为cm0 .20m5 . 0h例例2 射电信号的接收射电信号的接收第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验2/ 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，均可，符号不同，符号不同， 取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.k注意注意hk4) 12(sinh4arcsin11 . 0arcsinm5 . 04cm0 .20arcsin174. 511k取取 极大极大时时kr AChB2122)2cos1 (sinhr第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验三三 干涉条纹的移动干涉条纹的移动1 1）条纹移动的原因）条纹移动的原因光源移动光源移动装置结构变动装置结构变动光路中的介质变化光路中的介质变化2 2）观察条纹移动的方）观察条纹移动的方法法定点观察定点观察跟踪观察跟踪观察()LNL光程差光程差N条纹移动的数目条纹移动的数目定点观察定点观察第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验()LNSS1R2R1S2S1r2rds0 x0P0PzDRx设点光源移动设点光源移动 后，零级条纹由后，零级条纹由 点移至点移至 点点0p0ps02211()()()0L PRrRr1221RRrr向下平移向下平移 向上移动向上移动S0p向上平移向上平移 向下移动向下移动S0p第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验SS1R2R1S2S1r2rds0 x0P0PzDRxDxsR 杨氏试验中条纹位移杨氏试验中条纹位移 与点光源与点光源 的关系的关系xs（1 1）光源沿）光源沿Y Y方向平移时，不会引起干涉条纹移动方向平移时，不会引起干涉条纹移动（2 2）双面境等干涉装置的关系式与上式不同）双面境等干涉装置的关系式与上式不同注意：注意：第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验四四 普通光源发光微观机制的特点普通光源发光微观机制的特点持续时间极短持续时间极短1010-8-8s s振动方向无规则振动方向无规则相位无规则相位无规则1 1）普通光源发光特点）普通光源发光特点2 2）杨氏双缝实验的精巧之处）杨氏双缝实验的精巧之处虽然每一个波列的初相位虽然每一个波列的初相位 不相同，但在不相同，但在 观察屏幕上相遇的总是同一个波列。观察屏幕上相遇的总是同一个波列。0第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验五五 光源宽度对干涉条纹衬比度的影响光源宽度对干涉条纹衬比度的影响干涉条纹衬比度干涉条纹衬比度maxminmaxminIIII(01)实际光源实际光源由许多不相干的点光源构成由许多不相干的点光源构成干涉条纹的总强度是各套干涉条纹的非相干叠加干涉条纹的总强度是各套干涉条纹的非相干叠加为什么杨氏实验采用双缝而不是双孔？为什么杨氏实验采用双缝而不是双孔？第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验点源：点源：随两个点源错开距离的增加，两套干涉图样随两个点源错开距离的增加，两套干涉图样非相干迭加的反衬度逐渐下降。非相干迭加的反衬度逐渐下降。两套干涉图样错开两套干涉图样错开半个条纹间距时半个条纹间距时，反衬度下降为零。，反衬度下降为零。扩展光源：扩展光源：即当时两套干涉图样即当时两套干涉图样互相错开一个条纹互相错开一个条纹间距时间距时，衬比度下降为零。，衬比度下降为零。第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验bdRsRbd光源宽度的极限光源宽度的极限扩展光源：扩展光源：即当时两套干涉图样互相错开一个条纹即当时两套干涉图样互相错开一个条纹间距时，衬比度下降为零。间距时，衬比度下降为零。dDx( )DxsR 第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验六光场的空间相干性六光场的空间相干性只有一个点光源时，只有一个点光源时， ， 和和 完全相干完全相干11S2S两个点光源两个点光源A A和和B B使次波源使次波源 和和 部分相干部分相干1S2S第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验若若 （光源线度（光源线度 ），）， 和和 部分相干部分相干01Rbd1S2S0Rbd若若 （光源线度（光源线度 ），）， 和和 完全非相干完全非相干1S2S反衬度下降反衬度下降双孔间距双孔间距d d不变，随光源线宽不变，随光源线宽b b变大，变大，第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验定义：给定宽度定义：给定宽度b b后，在多大范围取出的两个后，在多大范围取出的两个次波源次波源 和和 还是相干的，称为次波源还是相干的，称为次波源 和和 的空间相干性。的空间相干性。1 1）次波源）次波源 和和 的空间相干性的空间相干性1S2S2S1S1S2S下图给出了两个次波源下图给出了两个次波源 和和 相干的空间范围相干的空间范围1S2S1Sbd2SR01S2S1S2S1S2S0/d RdRb 第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验只有在如图所示的只有在如图所示的 范围内取出范围内取出的两个次波源才是相干的的两个次波源才是相干的0/d R2）空间相干性的起因）空间相干性的起因正是由于光源正是由于光源S在空间由点源扩展成线光源。在空间由点源扩展成线光源。才引出了次波源才引出了次波源 和和 的空间相干性的问题，的空间相干性的问题，1S2S光源光源S的空间扩展性就是次波源的空间扩展性就是次波源 和和 空间相干性的起因。空间相干性的起因。1S2S若若b给定给定:两个次波源的相干范围即被确定两个次波源的相干范围即被确定第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验3）光场中两个次波源的空间相干范围）光场中两个次波源的空间相干范围（1）相干线宽）相干线宽:相干范围的横向线度：相干范围的横向线度： d（2）相干面积）相干面积: 若光源为面光源，若光源为面光源，则相干范围的面积为则相干范围的面积为 2d（3）相干孔径角）相干孔径角:0/d R由：由： ，和，和（4）空间相干性反比公式）空间相干性反比公式:0/d RRbd有：有： 0b,称为空间相干性反比公式称为空间相干性反比公式第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验0.55 m解：解： 取白光的中心波长取白光的中心波长为太阳光的平均波长为太阳光的平均波长相干线度为：相干线度为： 550.055dmmm相干面积为：相干面积为： 2323 10 ()Sdmm 4 4）例题：）例题：已知太阳的视角约为已知太阳的视角约为 ，估，估算太阳光射到地面上时的相干线度和相干面积？算太阳光射到地面上时的相干线度和相干面积？210b Rrad第三第三章章 干涉干涉2 2 杨氏实验杨氏实验结论：结论：0.055dmm（1）若要通过双孔直接看太阳）若要通过双孔直接看太阳,双孔间距双孔间距 时才能看到干涉条纹。时才能看到干涉条纹。（2）在双孔前面加上狭缝，限制太阳光源）在双孔前面加上狭缝，限制太阳光源 的有效宽度，构成杨氏干涉装置，才的有效宽度，构成杨氏干涉装置，才 能在双孔间距较大时看到干涉条纹。能在双孔间距较大时看到干涉条纹。