光的干涉1.pptx

第一章第一章 光的干涉光的干涉 内容：内容：1.1 波的独立性、叠加性和相干性波的独立性、叠加性和相干性1.2 由单色波叠加形成的干涉花样由单色波叠加形成的干涉花样1.1 波动的独立性、叠加性和相干性波动的独立性、叠加性和相干性n电磁波在真空中的速度：电磁波在真空中的速度：真空中电解质的介电常量真空中电解质的介电常量 真空中磁介质的磁导率真空中磁介质的磁导率代入数值，代入数值，c=测得的光速测得的光速n麦克斯韦结论：麦克斯韦结论：光是某一波段的电磁波；光是某一波段的电磁波；c是光在真空中的传播速度；是光在真空中的传播速度；一、电磁波的传播速度和折射率一、电磁波的传播速度和折射率n介质中电磁波的速度：介质中电磁波的速度：相对介电常量相对介电常量 相对磁导率相对磁导率n透明介质折射率：透明介质折射率：定义定义：（折射率折射率n1）由定义式可得：由定义式可得：在光频段：在光频段：二、光的强度二、光的强度n电磁波的电场强度电磁波的电场强度E、磁场强度、磁场强度H都和传播方向垂都和传播方向垂直，因而直，因而电磁波是横波电磁波是横波。事实证明：在电磁波中能引起感光作用的是电场强度事实证明：在电磁波中能引起感光作用的是电场强度E。所以光波中的振动矢量指所以光波中的振动矢量指E矢量，矢量，电场强度电场强度E也称也称光矢量光矢量。（磁场分量）（磁场分量）（电场分量）（电场分量）（光的传播方向）（光的传播方向）EH可见光波长范围：可见光波长范围：390760nm可见光频率范围：可见光频率范围：n能流密度：能流密度：单位时间内通过与波的传播方向垂直单位时间内通过与波的传播方向垂直 的单位面积的能量，或通过单位面积的功率。的单位面积的能量，或通过单位面积的功率。n光照度：光照度：(又称光强度又称光强度)即光的平均能流密度。即光的平均能流密度。n相对光照度相对光照度（简称光强）：（简称光强）：可以证明：可以证明：由于我们关心的是空间点的相对强度，所以在上式中取比例由于我们关心的是空间点的相对强度，所以在上式中取比例系数为系数为1，得：，得：其中其中A是是电场强度电场强度E的振幅的振幅。三、机械波的独立性和叠加性三、机械波的独立性和叠加性n波动的独立性：波动的独立性：从几个振源发出的波动相遇于同一区域，只要满足振动不从几个振源发出的波动相遇于同一区域，只要满足振动不十分强烈，则它们将各自十分强烈，则它们将各自保持自己的原有特性保持自己的原有特性（频率、振幅（频率、振幅和振动方向），按原前进方向继续传播，彼此不受影响。和振动方向），按原前进方向继续传播，彼此不受影响。n波动的叠加性：波动的叠加性：波在相遇的区域内，介质质点的合位移为各波分别单独传播波在相遇的区域内，介质质点的合位移为各波分别单独传播 时在该点引起的位移的矢量和。时在该点引起的位移的矢量和。n干涉：干涉：在波的叠加区域内，在波的叠加区域内，强度按空间周期性变化强度按空间周期性变化 的现象称为干涉。的现象称为干涉。n干涉花样：干涉花样：各点的振动各点的振动强度强度有一定的有一定的非均匀分布非均匀分布的整体的整体 图像图像称为干涉花样。称为干涉花样。杨氏干涉图样杨氏干涉图样等厚干涉花样等厚干涉花样等倾干涉花样等倾干涉花样空气薄膜厚度不同形成的环状干涉花样空气薄膜厚度不同形成的环状干涉花样牛顿环牛顿环迈克尔孙干涉花样迈克尔孙干涉花样法布里珀罗干涉花样法布里珀罗干涉花样四、干涉现象是波动的特性四、干涉现象是波动的特性n物体发射光、吸收光的过程也是物体发射光、吸收光的过程也是能量迁移能量迁移的过程；的过程；n能量迁移依靠能量迁移依靠波动波动或者或者移动着的微粒移动着的微粒；波动：波动：能量以振动的形式在物质中依次转移，物质本身并不随能量以振动的形式在物质中依次转移，物质本身并不随波移动；波移动；微粒：微粒：能量随着微粒一起移动；能量随着微粒一起移动；n干涉现象说明光的波动本性干涉现象说明光的波动本性推广：推广：出现出现强弱按一定分布强弱按一定分布的干涉图样，可作为波动的干涉图样，可作为波动性最有力、最可靠的依据。性最有力、最可靠的依据。五、相干与不相干叠加五、相干与不相干叠加（一）、（一）、相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源 若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则这两个光源称为这两个光源称为相干光源相干光源；否则，称为；否则，称为非相干光源非相干光源。能产生干涉花样的叠加称为相干叠加；能产生干涉花样的叠加称为相干叠加；否则，称为非相干叠加。否则，称为非相干叠加。（二）、（二）、相干叠加与非相干叠加相干叠加与非相干叠加设有两列设有两列频率相等、沿同一直线振动、相位不同频率相等、沿同一直线振动、相位不同的简谐波：的简谐波：由叠加原理，设合振动为由叠加原理，设合振动为E，合振幅为，合振幅为A，合成后初相位为，合成后初相位为则：则：讨论：讨论：1、由于振动强度、由于振动强度 IA2，所以合振动强度并不简单地等于，所以合振动强度并不简单地等于两分振动强度和；两分振动强度和；2、观察和记录的并非某一时刻的强度瞬时值，而是在一定、观察和记录的并非某一时刻的强度瞬时值，而是在一定时间间隔时间间隔内的时间平均值：内的时间平均值：（1）若两振动不中断，即若两振动不中断，即合振动平均强度达最大值合振动平均强度达最大值干涉相长干涉相长合振动平均强度达最小值合振动平均强度达最小值干涉相消干涉相消（2）若振动时断时续，两初相位独立地变化，即：若振动时断时续，两初相位独立地变化，即：故：此时，合振动的平均强度为两分振动强度之和故：此时，合振动的平均强度为两分振动强度之和综上所述：综上所述：（1）只要两振动的位相差（）只要两振动的位相差（2-1）在某点始终保持不变，则合振动的）在某点始终保持不变，则合振动的平均强度可大于、小于分振动强度之和。因此，在较长的观察时间内平均强度可大于、小于分振动强度之和。因此，在较长的观察时间内就可观察到整个空间稳定的干涉花样（强度的非均匀分布）。就可观察到整个空间稳定的干涉花样（强度的非均匀分布）。通常称通常称频率相同、振动在一条直线上、相位差恒定频率相同、振动在一条直线上、相位差恒定的两个振动是的两个振动是相干的相干的。（2）若（若（2-1）在观察时间内无规则变化，则合振动的平均强度）在观察时间内无规则变化，则合振动的平均强度仅简单地等于两分振动强度之和而无干涉项，空间各点强度相同仅简单地等于两分振动强度之和而无干涉项，空间各点强度相同（均匀），不出现干涉花（均匀），不出现干涉花 样。通常称这样的两个振动样。通常称这样的两个振动是是非相干的非相干的。3、设有、设有n个振动，振幅均为个振动，振幅均为A14、上述结论对光波同样适用。、上述结论对光波同样适用。1.2 由由单色波叠加所形成的干涉图样单色波叠加所形成的干涉图样 频率单一且恒定的光波称为单色光。本节及以后的几节将运用叠频率单一且恒定的光波称为单色光。本节及以后的几节将运用叠加原理和干涉的条件，研究几种特殊情况下的加原理和干涉的条件，研究几种特殊情况下的双光束干涉双光束干涉现象现象。首先，研究空间两首先，研究空间两单色点光源单色点光源所发光波的干涉。所发光波的干涉。一、相位差、光程和光程差一、相位差、光程和光程差如右图示：从空间两定点如右图示：从空间两定点S1、S2发出的两列单色简谐波（波动方发出的两列单色简谐波（波动方程可用正弦或余弦函数表示），程可用正弦或余弦函数表示），同时到达空间另一点同时到达空间另一点P设两点光源设两点光源S1、S2的振动可表示为的振动可表示为PdP0s1r1Nr2r0s2DySr当它们同时到达当它们同时到达P点点时，其振动方程为：时，其振动方程为：1、相位差：相位差：2、光程光程、光程差、光程差定义：定义：介质折射率与光波在该介质中所通过路程的乘积称为介质折射率与光波在该介质中所通过路程的乘积称为光程光程，用，用表示；表示；讨论：讨论：当光在真空中传播时，当光在真空中传播时，n=n1=n2=1，此时，此时在均匀介质中在均匀介质中即：介质中光程等于相同时间内光在真空通过的路程即：介质中光程等于相同时间内光在真空通过的路程光程的物理意义光程的物理意义因此，利用光程的概念，可以将光在不同介质中的光程折算成在真因此，利用光程的概念，可以将光在不同介质中的光程折算成在真空中传播的路程，从而加以比较。空中传播的路程，从而加以比较。二、干涉花样二、干涉花样1、干涉公式干涉公式：对真空中的对真空中的S1、S2发出的两列相干光波有：发出的两列相干光波有：j 称为干涉级，称为干涉级，j 可取可取0，第第m个条纹对应的干涉级个条纹对应的干涉级j=m-12、干涉花样干涉花样：形状：强度相同的空间点形成同一级条纹，形状：强度相同的空间点形成同一级条纹，r2-r1=同一常量的点构同一常量的点构 成同一级条纹。成同一级条纹。故：干涉花样是以故：干涉花样是以S1S2为轴线、为轴线、S1、S2为焦点的双叶旋转双曲面（见为焦点的双叶旋转双曲面（见 课本课本P16）空间干涉花样；空间干涉花样；光屏光屏光屏面上强度相同的点的轨迹是一组双曲线。光屏面上强度相同的点的轨迹是一组双曲线。双叶旋转双曲面双叶旋转双曲面干涉花样干涉花样特点特点：为便于观察，常用一垂直于对称轴的光屏为便于观察，常用一垂直于对称轴的光屏DD接接收，则光屏上显示的是双叶旋转双曲面与光屏的收，则光屏上显示的是双叶旋转双曲面与光屏的交线：为一顶点均在直线交线：为一顶点均在直线DD上的上的 一组双曲线一组双曲线（如右图示）（如右图示）0PyA、顶点（、顶点（P）位置）位置由干涉公式有PdP0s1r1Nr2r0s2DySr0yB、条纹间距、条纹间距y波长波长 表征光波的空间周期性，不易表征光波的空间周期性，不易观察，观察，y表示光强分布的周期性，因表示光强分布的周期性，因此，可以通过干涉的方法，将光波的此，可以通过干涉的方法，将光波的空间周期性转化、放大为条纹间距而空间周期性转化、放大为条纹间距而直接观测。直接观测。PdP0s1r1Nr2r0s2DySr综上所述，干涉条纹具有如下特征：综上所述，干涉条纹具有如下特征：l 各级亮条纹强度相等，相邻条纹（明或暗）间距相等，且与干涉级各级亮条纹强度相等，相邻条纹（明或暗）间距相等，且与干涉级 j 无关；无关；l 当波长当波长 一定时，一定时，yr0，y1/d；l 当当r0、d 一定时，一定时，y 。历史上第一次测定光波波长就是通过测定。历史上第一次测定光波波长就是通过测定y来实现的；来实现的；l 当用白光（复色光）作光源时，除当用白光（复色光）作光源时，除j=0的中央条纹仍为白色外，其余各级条纹均成的中央条纹仍为白色外，其余各级条纹均成彩色且内紫外红彩色且内紫外红;3、相干与不相干的本质相干与不相干的本质u 相干与不相干在本质上都是波动相干与不相干在本质上都是波动叠加叠加的结果；的结果；u 相干是绝对的，不相干是相对的。相干是绝对的，不相干是相对的。再再 见！见！