物理学18干涉市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学光是一个电磁波，光传输含有波动特征。光是一个电磁波，光传输含有波动特征。我开了两盏灯，为何我开了两盏灯，为何没看见干涉条纹？没看见干涉条纹？干涉是有条件干涉是有条件！频率相同、振动方向相同、位相差恒定。频率相同、振动方向相同、位相差恒定。相干条件：相干条件：干涉现象是波动主要特征之一；干涉现象是波动主要特征之一；日常生活中极难观察到光干涉现象？日常生活中极难观察到光干涉现象？波动光学认为：波动光学认为：第二十章第二十章 光干涉光干涉1第第1页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.1 20.1 光源发光微观机制光源发光微观机制原子能量只能含有一些离散值，称为原子原子能量只能含有一些离散值，称为原子能级能级。最简单原子最简单原子-氢原子能级如图：氢原子能级如图：E1 基态基态E2、E3、激发态激发态原子吸收外界能量从低能原子吸收外界能量从低能态跃迁到高能态；态跃迁到高能态；处于激发态原子是不稳定，处于激发态原子是不稳定，自发跃迁到较低能态；原自发跃迁到较低能态；原子从高能态跃迁到低能态子从高能态跃迁到低能态时辐射一列光波。时辐射一列光波。近代物理学认为：近代物理学认为：2第第2页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学第一次发光第一次发光第二次发光第二次发光1、两个独立光源发出两列波，不满足相干条件；、两个独立光源发出两列波，不满足相干条件；2、同一光源两个原子发出两列波，不满足相干条件；、同一光源两个原子发出两列波，不满足相干条件；3、同一原子先后发出两列波，不满足相干条件。、同一原子先后发出两列波，不满足相干条件。结结 论：论：同一原子前后两次发出两列光波同一原子前后两次发出两列光波-振动方向不一样、频率不一样、位相不相关。振动方向不一样、频率不一样、位相不相关。实际光源是多个原子发光，频率和振动方向更不相同。实际光源是多个原子发光，频率和振动方向更不相同。3第第3页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.2 20.2 相干光取得方法相干光取得方法将一个原子发出一个波列，设法分成两部将一个原子发出一个波列，设法分成两部分，再将他们叠加起来。分，再将他们叠加起来。基本原理：基本原理：分波阵面法分波阵面法将同一波列波将同一波列波波面波面分成分成两部分，两部分，1、2 两束光两束光满足相干条件。满足相干条件。S12分振幅法分振幅法将同一波列入射在两种将同一波列入射在两种媒质分界面上形成反射媒质分界面上形成反射和折射两束光和折射两束光(分分振幅振幅 A)，入射光和反射光满，入射光和反射光满足相干条件。足相干条件。4第第4页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.3 20.3 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 双缝干涉是历史上双缝干涉是历史上第一次第一次观察观察到光干涉现象试验。该试验标志到光干涉现象试验。该试验标志着光波动说开端。着光波动说开端。早期装置早期装置改进装置改进装置托马斯托马斯托马斯托马斯 -杨杨杨杨(英英英英)1773-1829 1773-18295第第5页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学6第第6页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学D20.3.1 杨氏双缝干涉现象杨氏双缝干涉现象条件：条件：S7第第7页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.3.2 光强分布光强分布 S1 S2 是同一波面上两个子是同一波面上两个子波源，满足相干条件。波源，满足相干条件。两列相干波在两列相干波在 P 点相干叠点相干叠加，加，P 点光强决定于两列点光强决定于两列波抵达波抵达 P 点位相差。点位相差。波程差波程差k=0,1,2.明条纹明条纹(加强加强)k=1,2,3.暗条纹暗条纹(减弱减弱)8第第8页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学9第第9页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学10第第10页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学杨氏双缝试验条纹位置杨氏双缝试验条纹位置由图中关系：由图中关系：条纹中心间距条纹中心间距左边相减左边相减右边相减右边相减k=0,1,2.明条纹中心位置明条纹中心位置k=1,2,3.暗条纹中心位置暗条纹中心位置11第第11页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学条纹级数：条纹级数：当当 k 取不一样值取不一样值时，对应不一样时，对应不一样条纹条纹0 级明条纹级明条纹2 级明条纹级明条纹1 级明条纹级明条纹1 级明条纹级明条纹2 级明条纹级明条纹1 级暗条纹级暗条纹1 级暗条纹级暗条纹2 级暗条纹级暗条纹2 级暗条纹级暗条纹12第第12页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学双缝干涉条纹特点：双缝干涉条纹特点：1、条纹间距、条纹间距-明条纹间距明条纹间距=暗条纹间距暗条纹间距3、2、条纹分布、条纹分布-明暗条纹交替均匀分布，明暗条纹交替均匀分布，对称分布在中央明条纹对称分布在中央明条纹(0 级明条纹级明条纹)两侧两侧13第第13页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学14第第14页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学15第第15页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.4 20.4 其它分波阵面干涉其它分波阵面干涉杨氏双缝试验缺点：条纹亮度低、光强弱杨氏双缝试验缺点：条纹亮度低、光强弱20.4.1、菲涅耳双棱镜试验、菲涅耳双棱镜试验菲涅耳菲涅耳(法法)1788-182716第第16页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.4.2、菲涅耳双面镜试验、菲涅耳双面镜试验17第第17页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学试验证实：试验证实：光也含有半波损失！光也含有半波损失！P 点点 ，应该是明纹，应该是明纹，但实际却是暗纹但实际却是暗纹！20.4.3、洛埃镜试验、洛埃镜试验18第第18页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学20.5 20.5 光程和光程差光程和光程差当一条光路中有另一个媒质当一条光路中有另一个媒质存在时，两列波位相差存在时，两列波位相差=？对一定频率单色光，在不一对一定频率单色光，在不一样媒质中传输时，频率不变，样媒质中传输时，频率不变，但波长会发生改变。但波长会发生改变。在真空中在真空中在媒质中在媒质中光波每传输一个波长距离，位相改变光波每传输一个波长距离，位相改变19第第19页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学在媒质中传输距离在媒质中传输距离 e 位相改变位相改变:光在媒质中传输光在媒质中传输 e 距离距离位相改变位相改变，与在真空中传输，与在真空中传输 ne 距离距离位相改变位相改变相同。将相同。将 ne 称为称为光程光程。光在媒质中传输距离，按位相改变相同，折算为光在媒质中传输距离，按位相改变相同，折算为光光在在真空传输真空传输旅程旅程。光程光程物理意义：物理意义：20第第20页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学光程差光程差两列相干波光程之差两列相干波光程之差位相差位相差光程差与条纹移动光程差与条纹移动光路中没有媒质时，两光路中没有媒质时，两波源波源 S1、S2 抵达抵达M 点点光程差等于光程差等于 0，M 点为点为 0 级条纹位置；级条纹位置；光路中有媒质时，光路中有媒质时，M 点光程差不为点光程差不为 0，M 点点不再是不再是 0 级条纹位置。级条纹位置。21第第21页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学P 点光程差点光程差当当P 点为新点为新 0 级条纹位置，条纹位置发生移动。级条纹位置，条纹位置发生移动。(n 1)e 每增加一个波长，每增加一个波长，P 点向上移动一条条纹。点向上移动一条条纹。移动条纹数：移动条纹数：条纹移动距离：条纹移动距离：当当 e 增加时，增加时，r2-r1 增加，增加，P 点向上移动；点向上移动；22第第22页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学透镜与光程差：透镜与光程差：平行光经透镜汇聚于焦点平行光经透镜汇聚于焦点 F，形成亮，形成亮点，说明点，说明 5 条光线在条光线在 F 点处干涉加强，点处干涉加强，5 条光线至条光线至 F 点光程相等。点光程相等。光路中透镜光路中透镜只改变波传只改变波传输方向或波输方向或波面形状，不面形状，不产生附加光产生附加光程差。程差。计算计算光程差时能光程差时能够不考虑光够不考虑光路中透镜。路中透镜。结结 论：论：23第第23页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学例题例题-1杨氏双缝试验中，杨氏双缝试验中，d=0.2mm D=1.0m 已知已知 2 级明条纹位置级明条纹位置 x2=6.0mm(1)、求：波长、条纹间距？、求：波长、条纹间距？得得(2)、若改用、若改用 ，则条纹间距怎样？，则条纹间距怎样？波长惯用单位换算：波长惯用单位换算：24第第24页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学已知薄膜折射率已知薄膜折射率 n=1.5，使用氦氖激光器作为光源，在，使用氦氖激光器作为光源，在一光路中插入薄膜后一光路中插入薄膜后，0 级明条纹中心变为级明条纹中心变为 3 级明纹中级明纹中心，即干涉条纹位置向上移动了心，即干涉条纹位置向上移动了 3 条。条。求：薄膜厚度？求：薄膜厚度？例题例题-2利用杨氏双缝试验，能够测量超薄薄膜得厚度。利用杨氏双缝试验，能够测量超薄薄膜得厚度。解：由氦氖激光波长解：由氦氖激光波长未加薄膜时未加薄膜时加入薄膜后加入薄膜后25第第25页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学解：插入介质，解：插入介质，O 点光程差点光程差 杨氏双缝干涉条纹移动问题之一杨氏双缝干涉条纹移动问题之一当缝当缝 S2 用如图形状透明媒质遮盖，并逐用如图形状透明媒质遮盖，并逐步向上插入时，试分析干涉条纹改变步向上插入时，试分析干涉条纹改变?例题例题-3中央明纹中央明纹(0 级条纹级条纹)位置位置即：即：当薄膜厚度逐步增加时，当薄膜厚度逐步增加时，r1 增加增加 r2 减小，条纹向下移动减小，条纹向下移动条纹间距不变条纹间距不变26第第26页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学小小 结：结：杨氏双缝、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜、洛埃镜杨氏双缝、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜、洛埃镜 1、原子发光特点：、原子发光特点：不一样原子发光频率不一样、振动方向不一样，不满足相干条件；不一样原子发光频率不一样、振动方向不一样，不满足相干条件；同一原子先后两次发光位相差不恒定，不满足相干条件；同一原子先后两次发光位相差不恒定，不满足相干条件；2、取得相干光方法：、取得相干光方法：把原子一次发光波列分为两束把原子一次发光波列分为两束3、分波阵面法、分波阵面法原子发光是断续，每次发光波列长度有限，约原子发光是断续，每次发光波列长度有限，约分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法27第第27页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学4、杨氏双缝试验、杨氏双缝试验（1）、干涉图样）、干涉图样-明暗相间等间距平行条纹明暗相间等间距平行条纹（2）、明条纹中心位置）、明条纹中心位置（3）、暗条纹中心位置）、暗条纹中心位置（4）、条纹间距）、条纹间距5、光程、光程（1）ne-光在媒质中传输距离与媒质折射率乘积光在媒质中传输距离与媒质折射率乘积按位相改变相同，把光在媒质中传输按位相改变相同，把光在媒质中传输距离折算到真空中传输距离距离折算到真空中传输距离（2）光程物理意义）光程物理意义28第第28页页第二十章第二十章 光的干涉光的干涉第四篇第四篇 光学光学（5）透镜与光程差）透镜与光程差-光路中透镜不引发附加光程差光路中透镜不引发附加光程差（3）位相差与光程差）位相差与光程差（4）条纹移动与光程差）条纹移动与光程差条纹移动条数条纹移动条数要要 求：求：1、了解光源发光特点，了解两个普通光源不相干道理；、了解光源发光特点，了解两个普通光源不相干道理；2、了解取得相干光方法、了解取得相干光方法-分波阵面法、分振幅法；分波阵面法、分振幅法；3、掌握杨氏双缝试验基本装置，及干涉条纹位置计算；、掌握杨氏双缝试验基本装置，及干涉条纹位置计算；4、了解光程物理意义，掌握其计算方法；、了解光程物理意义，掌握其计算方法；5、掌握半波损失与光程关系；、掌握半波损失与光程关系；6、了解透镜不引发附加光程差物理意义。、了解透镜不引发附加光程差物理意义。29第第29页页