大学物理系列之相干光与杨氏双缝干涉
光的干涉实验双缝干涉与杨氏实验原理
光的干涉实验双缝干涉与杨氏实验原理光的干涉实验：双缝干涉与杨氏实验原理光的干涉实验是光学实验中一项非常重要的实验，在科学研究和光学应用中有着广泛的用途。
其中，双缝干涉实验和杨氏实验是常见的两种干涉实验方法。
本文将介绍双缝干涉和杨氏实验的原理以及实验装置。
一、双缝干涉的原理与实验装置在双缝干涉实验中，首先需要一个光源和两个狭缝，通过控制两个狭缝的宽度和间距来调节干涉程度。
在这个实验装置中，我们通常使用激光作为光源，因为激光具有高度的相干性。
当光通过两个狭缝后，两束光线会在屏幕上交叠形成干涉条纹。
这些干涉条纹是由于光的波长和两个光线之间的相位差所引起的。
如果两束光线相位差为整数倍的波长，它们会相长干涉，形成亮纹；如果相位差为半整数倍的波长，它们会相消干涉，形成暗纹。
通过调节两个狭缝的间距和光的波长，可以观察到不同数量的暗纹和亮纹。
双缝干涉实验可以用来测量光的波长以及光的相干性。
二、杨氏实验的原理与实验装置杨氏实验是由杨振宁发明的一种干涉实验方法，它通过一条长而细的狭缝来产生干涉效应。
在杨氏实验中，光源首先经过一个狭缝形成一条狭缝光线，然后经过一个透镜进行准直。
接下来，光线照射到一个二维光栅上，光栅上有许多平行的长而细的狭缝。
当光线通过这些狭缝时，会出现干涉效应。
干涉条纹的形成与光的波长和狭缝间隔有关。
当光通过光栅时，会出现亮带和暗带，这些带状的条纹可以用来测量光的波长和狭缝的间隙。
杨氏实验是一种非常精密的干涉实验方法，可以用来研究光的特性、精确测量光的波长以及评估光学材料的性能。
三、实验应用和意义光的干涉实验在实际应用中有着广泛的用途。
在科学研究中，通过干涉实验可以测量光的波长、相干性以及对物质的作用。
在光学仪器的制造中，干涉实验可以用来校准光学仪器的精度。
此外，干涉实验还可以用来研究材料的光学性质和光的传播特性。
除了科学研究领域，干涉实验也在光学技术领域得到广泛应用。
例如，在激光干涉术中，双缝干涉实验和杨氏实验是重要的基础。
双缝干涉和杨氏实验的原理
双缝干涉和杨氏实验的原理双缝干涉和杨氏实验是光学领域中具有重要意义的实验现象，通过这两个实验我们可以深刻地理解光的性质和波动特性。
本文将从原理的角度出发，探讨双缝干涉和杨氏实验的背后机制。
首先，我们先来了解一下双缝干涉实验。
在这个实验中，一束单色光通过一个屏幕上的两个缝隙，然后在屏幕后方的观察屏上形成一系列明暗相间的条纹。
这些条纹的出现与光波的波动性质有关。
当光通过缝隙时，每个缝隙成为一个次级光源，次级光源发出的光波将在观察屏上相互干涉。
干涉的结果就是形成一系列明暗相间的干涉条纹。
双缝干涉实验的原理可以用光的波动理论来解释。
根据惠更斯-菲涅尔原理，每个点上的次级光源发出的光波会在所有其他点上相互干涉。
当两个相干光波相遇时，它们在空间中叠加形成干涉图案。
在双缝干涉实验中，两个缝隙发出的光波在观察屏上叠加形成明暗相间的干涉条纹。
接下来我们来说说杨氏实验。
杨氏实验是一种观察光的干涉现象的经典实验。
在这个实验中，一束单色光照射到一个细而远离光源的垂直屏幕上的一条狭缝上，然后在离屏幕较远的观察屏上形成一系列明暗相间的干涉条纹。
杨氏实验的原理与双缝干涉类似，也是基于光的波动性质。
当光通过狭缝时，每个点上的光波会在观察屏上相互叠加干涉。
然而，与双缝干涉不同的是，杨氏实验中只有一个狭缝，因此观察到的干涉条纹更为集中而细致。
双缝干涉和杨氏实验都验证了光的波动性质，并且可以用波动理论进行解释。
然而，实际上，光既可以表现出波动性质，也可以表现出粒子性质。
这是由于光也具有粒子性质的一面，也就是我们常说的光子。
根据量子力学的理论，光子既可以被看作是波动粒子，也可以被看作是粒子波动。
总结一下，双缝干涉和杨氏实验的原理可以用光的波动性质解释。
当光通过缝隙或狭缝时，光波在观察屏上相互干涉，形成明暗相间的干涉条纹。
这些实验是光学领域中非常重要的实验，通过它们我们可以更深入地了解光的性质和波动特性。
光的干涉与杨氏双缝干涉仪
光的干涉与杨氏双缝干涉仪在物理学中，干涉是一个引人入胜的现象。
当两个或多个波的振幅相遇时，它们会相互叠加，产生干涉图案。
而光的干涉则是指光波的干涉现象。
其中，杨氏双缝干涉仪是最常见的一种实验装置。
一、杨氏双缝干涉仪的原理与构造杨氏双缝干涉仪由著名的物理学家杨振宁提出，用于研究光的干涉现象。
它由两个相距较远的狭缝和一个观察屏幕组成。
当光通过两个缝隙时，会在观察屏幕上产生干涉图案。
杨氏双缝干涉仪的构造相对简单。
主要包括光源、狭缝、透镜和观察屏幕。
光源发出的光线经过准直器（如凸透镜）后，通过一个光阑控制光束的强度和宽度。
接着，光线经过两个狭缝，形成干涉图案，最后通过透镜和观察屏幕，我们可以看到光的干涉现象。
二、光的干涉现象与杨氏双缝干涉仪的应用1. 光的干涉现象当两束波的振幅相遇时，它们会发生干涉。
干涉可以分为构成干涉的两个波是同源波束的同相干干涉和不同源波束的异相干干涉。
光的干涉现象有许多重要的应用，如相位计、激光等。
2. 如何观察光的干涉？杨氏双缝干涉仪是观察光的干涉现象最常用的实验装置之一。
在杨氏双缝干涉仪中，通过调节光源和狭缝的宽度，我们可以观察到干涉图案的变化。
3. 应用领域杨氏双缝干涉仪在科学研究和实际应用中有广泛的应用。
例如，它被用来测量光的波长、频率和传播速度。
此外，它还被应用于光学显微镜、激光技术和光纤通信等领域。
三、一个有趣的实验：杨氏双缝干涉仪的改进除了传统的杨氏双缝干涉仪，科学家们还进行了一些改进和创新，以便更好地理解光的干涉现象。
一种改进是使用单缝代替双缝。
当光通过一个长而狭窄的单缝时，也会产生干涉图案。
这种实验方法被称为“单缝干涉仪”，其产生的干涉图案与杨氏双缝干涉仪略有不同。
另一种改进是使用可变幅度和相位的光源。
这种改进被称为“相干源干涉仪”。
相干源干涉仪使用的光源可以调整幅度和相位，从而产生更加丰富和复杂的干涉图案。
四、光的干涉现象的理论解释光的干涉现象可以用波动光学的理论解释。
相干光与杨氏双缝干涉
光波是电磁波在空间的传播。而电磁波用矢量E和H表示 。
平面电磁波方程
E
E0
cos (t
r) u
H
H0
cos (t
r) u
实验证明光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用等
）的只是 E 矢量，称它为光矢量。E 矢量的振动称为光振动。
可见光的范围
: 400 ~ 760nm : 7.51014 ~ 4.31014 Hz
解： (1) X D 180 632 .8107 0.518 cm
d
0.022
(2) X d 0.45 0.015 562 .5 nm
D
120
例2 在杨氏双缝干涉的实验中，入射光的波长为
λ， 若在缝S2上放置一片厚度为b、折射率为 n 的
透明薄膜，试问：（1）两束光的光程差；（2）原
白光照射时，出现彩色条纹
续上
三 相干光 振动方向、频率相同，相位差恒定。
1）普通光源的发光机制
激
En
发
态
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
1
2
P
t : 108 ~ 1010 s
普通光源发光特 点： 原子发光是断续 的，每次发光形成一 长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独 立，各波列互不相干.
2）相干光的产生 振幅分割法
=
d
x
D
d << D x << D
d
x
x D
k D
k
(2k 1) D
d (2k 1)
2
加强
减弱
明纹 k
暗纹
k 0,1,2,
大学物理光源、光的相干性、杨氏双缝
⼤学物理光源、光的相⼲性、杨⽒双缝第三篇波动光学基础第5章光的⼲涉第6章光的衍射第7章光的偏振第5章光的⼲涉光学------研究光的现象；光的本性；光与物质相互作⽤。
⼏何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。
波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是⼲涉、衍射、偏振的理论和应⽤量⼦光学：以光的量⼦理论为基础，研究光与物质相互作⽤的规律。
§5-1 光源光的相⼲性⼀、光源普通光源：⾃发辐射激光光源：受激辐射1、普通光源的发光机理：例如：普通灯泡发的光；⽕焰；电弧；太阳光等等。
光源的最基本的发光单元是分⼦、原⼦！)/hE 1E 2⾃发辐射跃迁波列波列长 L = τ c发光时间τ≈10-8s原⼦发光是间隙式的。
各个原⼦的发光是完全独⽴的，互不相关：它们何时发光完全是不确定的；发光频率、光的振动⽅向、光波的初相位以及光波的传播⽅向等都可能不同。
因此,不同原⼦发的光不可能产⽣⼲涉现象！多原⼦不同步地发出许多相互独⽴的波列。
2、光的颜⾊和光谱可见光：3900 ? —— 7600 ?包含各种波长成分 3、光强光是电磁波：实验表明，能引起眼睛视觉和照相底⽚感光作⽤的是光波中的电场 E 光⽮量：E光振动：E随时间周期性的变化光的波动⽅程002cos E E t x πω?λ?=+-E →光⽮量Hv独⽴（不同原⼦发的光）独⽴（同⼀原⼦先后发的光）能流密度：S E H =?002cos E E t x πω?λ?=+-光强 20I E ∝⼆、光的相⼲性1、光的相⼲性光的相⼲条件：频率相同，光振动⽅向相同，相位差恒定两光源发出的光传播到 P 点，在 P 点所引起的光振动⽅程分别为=+-2202022c o s E E t r πω?λ?=+-P 点合成光振动()00cos E E t ω?=+P 点合成光⽮量的振幅2220102010202c o s E E E E E ?=++? ()()2010212r r πλ=---P 点光强12I I I ?=++? （1）⾮相⼲叠加相位差 ?? 不恒定 12I I I =+ （2）相⼲叠加相位差 ??恒定12I I I ?=++?S 2S 1r 1r 2pP 点的光强不随时间变化，不同位置 ?? 不同，光强 I 不同光强稳定分布的图样⼲涉相长： 2k ?π?=± （0,1,2,k = ）→明纹中⼼⼲涉相消： ()21k ?π?=±+ （0,1,2,k = ）→暗纹中⼼ 2、获得相⼲光的⽅法：“将光源上同⼀原⼦同⼀次发的光分成两部分，再使它们叠加”分波阵⾯法：杨⽒双缝⼲涉，菲涅⽿双⾯镜，洛埃镜分振幅法：薄膜⼲涉§5-2 杨⽒双缝⼲涉⼀、杨⽒双缝⼲涉实验英国科学家 Thomas Young(1773-1829)~10, ~d m D m -）波程差： 21sin r r d δθ=-≈（ D d ，θ很⼩）任⼀点P 的位置：tan sin x D D θθ=≈1、条纹位置：两条光线的相位差为()()0201212r r πλ?=---()2122r r ππδλλ=--=-ss 1 s 2细线光源单⾊⼲涉相长和⼲涉相消的条件为2k ?π?=± （0,1,2,k = ⼲涉相长(21)k ?π?=±- （1,2,k = ）⼲涉相消⽤波程差δ表⽰为sin 22d k λδθ==± （0,1,2,k = 光强最⼤（亮）()212d k λδ==±- （1,2,k = ）光强最⼩（暗）θδ=其它值介于亮暗之间线位置 t a nθθδ=≈= （1）明纹中⼼Dx k d λ=± （0,1,2,k = ）光强最⼤→明纹中⼼位置0k =，00x = ，0δ= ? 0级中央明纹（ 0??= ）1k =，1D x d λ±=±，δλ=± ? 1±级明纹 2k =，22D x dλ±=±，2δλ=± ? 2±级明纹可以看出：x 越⼤，波程差越⼤，⼲涉条纹的级次也越⼤。
大学物理相干光源2杨氏双缝干涉
n1 n2
L n1l1 n2l2 nnln
2.光程差
光程差为两束光的光程之差。 L2 L1
§1.相干光源 / 四、光程与光程差
3.光程差与相位差的关系
光程差每变化一个波长，相位差变化 2 光程差为 ，相位差为 ； 光程差与相位差的关系为：
§2.相干光源 / 一、杨氏双缝干涉
一、杨氏双缝干涉装置
S 点 光 源 单 缝
S1 a
S2
r1
r2 D
P x o
I 屏
干 涉 条 纹 光 强 分 布
双 缝
§2.相干光源 / 一、杨氏双缝干涉
二.两条光线的光程差
S1S2 R OPQ，
S S1 Q a R r2 S2 单 缝 双 缝
S
S1 a S2
d
r1
r2
o’ o D o
I
解： 由于中央明纹移动了 3.5 个条纹，则 插入的介质薄片所增加的光程差为 3.5 个 波长，对应原屏幕中央 o 点两条光线的光 程差也为 3.5 。
§2.相干光源 / 举例
在原屏幕中央o点两光线的光程差为： 3.5 (r1 d nd) r2 对于o点： r1 r2 0
第一节
相干光源
一、产生相干光的条件
两束光
y1 E 01 cos(t
y 2 E02 cos(t
2x1
1.频率相同；
2.振动方向一致； 3.有恒定的相位差； 2 1 4*.光程差不太大； 5*.光强差不太大。
§1.相干光源 / 一、产生相干光的条件
1 )
五 、干涉加强减弱条件
掌握
两束单色光相干时，光程差满足：
光的干涉与杨氏双缝实验
光的干涉与杨氏双缝实验光的干涉是指两束或多束光波相互叠加而产生干涉现象的现象。
其中，杨氏双缝实验是最经典的光的干涉实验之一。
本文将对光的干涉和杨氏双缝实验进行详细介绍。
一、光的干涉光的干涉是由于光波是一种具有波动性质的电磁波，当两束或多束光波相互叠加时，会出现干涉现象。
干涉分为构造干涉和暗纹干涉两种。
1. 构造干涉构造干涉是指当两束或多束光波相遇时，产生增强或减弱的亮度分布的现象。
这种干涉是由于光的波峰和波谷相互重叠或相互抵消而形成的。
典型的例子是杨氏双缝实验。
2. 暗纹干涉暗纹干涉是指在干涉中出现明显的暗纹现象。
这是由于两束或多束光波相遇时，波峰和波谷产生相互抵消，光的亮度降低而形成的。
二、杨氏双缝实验杨氏双缝实验是由英国科学家杨振宁于1801年设计并进行的实验。
它是用来证明光是一种波动性质的经典实验之一。
1. 实验装置杨氏双缝实验的装置非常简单，由一个准直光源照射到一个板上有两个小孔的屏幕上，光通过两个小孔后再投射到远离屏幕的墙上形成干涉条纹。
通常，光源使用单色光源，以便更好地观察干涉现象。
2. 实验原理杨氏双缝实验的实验原理是，当光波通过两个小孔后投射到墙上时，两个光波相互叠加形成干涉现象。
根据光的波动性质，在某些特定的位置，光的波峰和波谷相互重叠，形成增强的亮纹，而在其他位置则形成减弱的暗纹。
3. 实验结果与分析在杨氏双缝实验中，观察到的干涉条纹为一组明纹和暗纹相间的条纹。
通过观察并测量干涉条纹的宽度和间距，可以计算出光的波长和光的相干长度。
4. 应用与意义杨氏双缝实验不仅是一种常用的实验方法，还有重要的应用价值。
例如，可以通过杨氏双缝实验对光波的性质进行研究，还可以通过杨氏双缝实验测量光的相干性和波长。
总结：光的干涉是由于光波的波动性质，两束或多束光波相互叠加产生的干涉现象。
杨氏双缝实验是光的干涉实验中最经典的实验之一。
通过杨氏双缝实验可以观察到光的干涉条纹，并利用这些条纹进行光波性质的研究和测量。
第十章 第一讲 相干光 杨氏双缝干涉
mm, 现要能用肉眼观察干涉条纹, 双缝的最大间距是多少？
解: (1) 相邻两明纹的间距公式为 D x = ① d d=2mm时, x =0.295mm
d=10mm时,
x =0.059mm
(2) 如果仅能分辨x =0.15mm, 则由①知:此时双缝间距为 D d = 4mm x 双缝间距大于4mm,肉眼无法分辨.
L2
注意: 各波列的 E , 可能各不相同
E3
结论: 同一原子先后发出的光及同一
时刻不同原子发出的光的频率 、振 动方向、初相、发光的时间均是随机 的. 各光波列互不相干！
3
E2 E1
一、普通光源的发光机制和特点 1．普通光源 ——由原子自发辐射发出光. 各光波列互不相干！
各光波列相干！ 2．激光光源 ——由受激辐射产生光.（§ 13-10） 二、相干光的获得
d
r2
x
O
d tan S2 D x = d (D ～ 1m .d～1mm) 很小 d << D x << D D x k k 0,1,2, 干涉加强 出现明纹 d D (2k 1) k 0 , 1 , 2 , 干涉减弱 出现暗纹 2
条纹位置:
观察、实验： 光的直线传播、反射和折射, 形成了“光线”的概念
发明： 透镜、凹面镜、望远镜.
二)．几何光学时期 (11~18世纪末) 实验： 建立了反射和折射定律.
发现： 光的“色散”现象、红外线、紫外线.
理论： 开始思考光的本性是什么？ (1) 牛顿的机械微粒说： 光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流. (2)惠更斯的机械波动说： 光是在特殊媒质“以太”中传播的机械波.
2 1
杨氏双缝干涉实验的分析
杨氏双缝干涉实验的分析杨氏双缝干涉实验是一个经典的物理实验，它展示了光波的波动性质。
通过这个实验，我们可以深入了解光的特性，探讨杨氏双缝实验背后的原理和应用。
首先，我们来回顾一下杨氏双缝实验的基本原理。
实验中，我们将一束单色光通过一块具有两个细缝的屏幕，然后观察光在屏幕后的干涉现象。
这两个缝之间的光波经过衍射和干涉后，会在屏幕上形成一系列明暗的条纹，称为干涉条纹。
这些条纹是光波的相干性和干涉效应的直接结果。
在实验中，当光波通过两个缝之间的距离足够小，且发射源到屏幕的距离足够远时，我们可以观察到明暗相间的干涉条纹。
这是因为光波从两个缝之间穿过时发生衍射，形成了一系列光的波峰和波谷。
当波峰相遇时，它们会相互增强，形成亮条纹；而当波峰和波谷相遇时，它们会相互抵消，形成暗条纹。
这个实验不仅仅是一种观察现象的工具，还可以深入研究光波和波动理论的性质。
事实上，杨氏双缝实验的结果也可以用来验证光的干涉理论，例如，该实验可以证明光是波动的，而非粒子。
此外，杨氏双缝实验在科学和技术领域也有广泛的应用。
光干涉是各种精密测量技术中的核心原理之一，例如激光干涉仪可以用来检测长度、角度和速度等物理量，被广泛应用于科学研究和工程实践中。
实验室中的光学元件设计和光路拼接也会借鉴干涉技术，以提高光学系统的性能。
此外，杨氏双缝干涉实验还揭示了波动粒子二象性的一个重要观点。
当我们放入一些粒子（如电子或中子）来代替光束时，同样可以观察到干涉条纹。
这表明，波粒二象性不仅存在于光中，还存在于微观粒子中。
这个发现对量子力学的发展产生了重要影响，并导致了与之相关的许多重要实验和理论。
在实际应用中，杨氏双缝干涉实验被用于研究和探索一些奇特的现象和效应。
例如，干涉技术被广泛应用于光学成像（如干涉显微镜和干涉测量），以及材料表面的纳米结构分析和操控。
此外，杨氏双缝干涉实验也为我们理解光波的衍射和干涉行为提供了一个强有力的数学模型。
总而言之，杨氏双缝干涉实验是一个经典而重要的物理实验。
大学物理教程-光的干涉
大学物理教程
例2. 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？
解: 白光照射时，除中央明纹为白色外，两侧形成内紫外红对称彩色光谱。
当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱发生重叠。
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2023/2/26
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哈尔滨工业大学(威海)
18.2 杨氏双缝干涉 Harbin Institute of Technology at Weihai
1.原理图
相干光的获得：
S1
分波阵面法
d
S2
大学物理教程
x
r1 r2
·p x1 x
o
D
x1
2023/2/26
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哈尔滨工业大学(威海)
18.2 杨氏双缝干涉 Harbin Institute of Technology at Weihai
18.1.3 相干光的获得
分振幅法
思想: “一分为二”
大学物理教程 分波阵面法
23/2/26
6
哈尔滨工业大学(威海)
18.1 相干光 Harbin Institute of Technology at Weihai
大学物理教程
18.1.3 光程
1. 光程
光在介质中传播，光振动的相位沿传播方向逐点落后，若以 表示光在介' 质中的波长，
大学物理教程
18.3.1 等厚干涉 1. 劈尖（劈形膜）
产生干涉的部件是一个劈尖形状的介质薄片或膜，简称劈尖。
棱边
：104 ~ 105 rad
双缝干涉和杨氏实验
双缝干涉和杨氏实验双缝干涉和杨氏实验是光学中非常重要的实验现象，它们揭示了光的波动性质以及波粒二象性。
本文将介绍双缝干涉和杨氏实验的原理和应用。
1. 双缝干涉的原理双缝干涉是指当光通过两个细缝时，产生干涉现象。
根据惠更斯-菲涅尔原理，每个点上的波前都可以看作是一系列次波前的相干叠加。
当光通过两个细缝时，来自两个缝的次波前会相互干涉。
当两个次波前相位差为整数倍的波长时，干涉将会加强，形成明纹；而当相位差为半波长时，干涉将会减弱，形成暗纹。
2. 双缝干涉的实验装置与观察双缝干涉的实验装置通常由一个光源、两个细缝和一个屏幕构成。
光源会发出一束光线，经过两个细缝后，在屏幕上形成干涉图样。
在实验中，观察者会注意到在屏幕上出现了一系列交替的明暗条纹。
明条纹对应着光强较强的区域，暗条纹对应着光强较弱的区域。
并且，随着屏幕与光源或细缝之间的距离的变化，干涉图样也会发生变化。
3. 杨氏实验的原理杨氏实验是通过光的衍射现象来研究光的性质的实验。
它使用一个单缝，将光通过单缝后，在屏幕上观察光的衍射图样。
当光通过一个细缝时，光波会在细缝的边缘发生弯曲并衍射出去，形成一系列衍射条纹。
根据衍射的原理，较远处的条纹较接近中心，而较近处的条纹则较远离中心。
4. 杨氏实验的实验装置与观察杨氏实验的实验装置通常由一个单缝、一个光源和一个屏幕构成。
光通过单缝后，在屏幕上形成一系列交替的明暗条纹。
在实验中，观察者会注意到在屏幕上出现了一系列明暗交替的条纹。
这些条纹的间距由光的波长和单缝宽度决定。
并且，随着光源与屏幕之间距离的变化，条纹的间距会发生变化。
5. 双缝干涉和杨氏实验的应用双缝干涉和杨氏实验作为重要的光学实验现象，被广泛应用于光学研究和科学教育中。
在光学研究中，双缝干涉和杨氏实验可以用来测量光的波长、研究光的衍射特性以及检验光的相干性。
这些实验为光学理论的发展提供了重要的实验数据。
在科学教育中，双缝干涉和杨氏实验常被用作直观展示光的波动性质和波粒二象性。
光的干涉实验杨氏双缝干涉实验的分析
光的干涉实验杨氏双缝干涉实验的分析光的干涉实验：杨氏双缝干涉实验的分析光干涉是光学中一种重要的现象，可以通过光的波动性质来解释。
杨氏双缝干涉实验是最经典的干涉实验之一，通过该实验可以展示出光的波动性。
1. 实验介绍：杨氏双缝干涉实验是由英国科学家杨振宁于1801年提出的。
实验装置包括两个狭缝和一块屏幕，其中光源发出的平行光通过两个狭缝后形成干涉条纹在屏幕上。
实验的目的是研究光的干涉现象和波动性质。
2. 干涉原理：杨氏双缝干涉实验基于光的干涉原理。
当平行光通过两个狭缝后，光波会按照一定的波程差相遇在屏幕上。
当波程差为整数倍的波长时，相干光会产生增强干涉，形成明条纹；当波程差为奇数倍的半波长时，相干光会产生相消干涉，形成暗条纹。
根据此原理，实验者可以观察到交替排列的黑白条纹。
3. 光的干涉现象：杨氏双缝干涉实验中，观察到的干涉条纹是光的波动性质的直接证据。
在屏幕上，条纹之间的距离较大的称为暗条纹，条纹之间的距离较小的称为明条纹。
通过计算干涉条件下的条纹间距和波长等参数，可以得到光的波动性相关的信息。
4. 干涉条纹的特点：杨氏双缝干涉实验中，干涉条纹的特点受多种因素影响，包括波长、狭缝间距、狭缝宽度、距离等。
其中，干涉条纹间距与波长和狭缝间距成反比例关系，即间距越大，波长越长，干涉条纹越远。
同时，干涉条纹的强度和光强平方成正比，即光强越大，干涉条纹越明显。
5. 双缝干涉实验的应用：杨氏双缝干涉实验不仅仅用于研究光的波动性质，还有许多实际应用。
例如，它可以用于测量光波的波长、测量光源的光强和光的相干性等。
在现代科学中，双缝干涉实验也被应用于其他波动现象的研究，如电子波和声波的干涉实验。
综上所述，杨氏双缝干涉实验是一种经典的光干涉实验，通过实验装置中的两个狭缝和屏幕，观察到条纹的形成展示了光的波动性质。
该实验深入研究光的干涉现象，并且应用广泛，有助于我们更深入地了解光的性质和波动理论。
大学物理第三章1杨氏双缝干涉
x)
Acos((t
2
x
4
3
)
入射波与反射波叠加，合成波函数为
y
y1
y2
Acos(t
2
x)
Acos(t
2
x 4 )
3
y 2Acos(2 x 2 )cos(t )
3
3
在 x 2 3 处的合振幅:
A合
2 A cos ( 2
2
3
2
3
)
2A
第三章 光的干涉
S 2
r r
1
2
二. 强度分布规律
r r
1
2
设 S1 和S2 d 的距离为 ， M 中点为 ，
， M D 到屏幕的距离为
2. 光干涉的强度分布规律
光波是电磁波，传播着的是交变的电磁场，
E H 即场矢量 和 的传播。在这两个矢量中，
对人的眼睛或感光仪器（如照相底版、热电偶）等
E 起作用的主要是电场矢量 ，
因此，以后提到光波中的振动矢量时，
E 用 矢量来表示，称为光矢量或称电矢量。
设两个同频率单色光在空间
P 某一点 的光矢量分别为
1E10
0
10
20
10 20
2 1 (k1r1 k2r2 )
E1 E10 cos( t 1 k1r1)
E2 E20 cos(t 2 k2r2 )
p
1· r1
·
r2
·
EE E
2
1
2
E E cos( t ) 0
2 1 (k1r1 k2r2 )
E2 E 2 E 2 2E E cos
1. 原子的发光机理 光源发光是光源中大量的分子或原子进行的 微观过程，最基本发光单元是分子、原子。
双缝干涉和杨氏实验
双缝干涉和杨氏实验双缝干涉和杨氏实验是光学领域中重要的实验现象，它们揭示了光的波动性质和波动光学现象。
双缝干涉实验是通过两个非常接近的狭缝让光通过后产生明暗相间的干涉条纹，而杨氏实验则是通过单缝产生的光线在屏幕上形成一系列明暗相间的干涉条纹。
这两个实验都展示了光的波动特性以及波动光学理论的应用。
双缝干涉实验首先由托马斯·杨提出，并于1801年被扬内/弗雷诺等学者首次实验确定。
双缝干涉现象是光的波动性的重要表现之一，在实验中，通过一个光源照射到两个非常接近且相距适当的狭缝处，产生出的光经过两个狭缝后在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。
这种干涉现象的出现是由于光的波动性质导致的，光波在通过狭缝后会形成一系列光明和暗淡的波峰和波谷，通过叠加产生出条纹。
在双缝干涉实验中，当两个狭缝之间的距离足够小，光的波动效应就会在屏幕上形成清晰的明暗条纹。
这些条纹的间距与波长有关，根据双缝干涉实验的公式，可以通过测量条纹间距来计算出光的波长。
这项实验证明了光的波动性质，也成为光学研究中的重要实验之一。
与双缝干涉实验相类似的是杨氏实验，它也是一种光的波动性实现。
杨氏实验是由杨振宁提出的，它是利用单缝来产生干涉现象的实验。
在杨氏实验中，通过单缝让光通过后，在屏幕上产生一系列明暗相间的干涉条纹。
这些条纹的出现是由单缝的波动性质导致的，光波通过单缝后会发生弯曲、衍射和干涉等现象，从而形成条纹。
杨氏实验的原理和双缝干涉实验类似，通过测量条纹间距可以计算出光的波长，进而研究光的波动性质。
杨氏实验的出现也丰富了光学研究的实验手段，为研究光的波动性提供了重要的实验依据。
总的来说，双缝干涉和杨氏实验都是光学领域中重要的实验现象，它们揭示了光的波动性质和波动光学现象。
通过这两个实验的研究，人们对光的本质有了更深入的了解，也为光学领域的研究和发展提供了重要的实验基础。
大学物理第十五讲 光波,相干光,双缝干涉,光程,光程差,半波损失
r20 [( r10 t ) nt ] (1 n)t k
k (1 n )
t
r10 r20 x 即所有条纹向上移动k 个级次.
S1
条纹移动的距离：
nt
r1
r10
P
D D x | k | (n 1)t d d D x d
d
S2
r2
r20
明纹 暗纹 明纹 暗纹
4
k 0.1.2 k 1.2.3.
讨论 1.第k级干涉条纹对称分布在中央明纹两侧。 2.双缝干涉条纹等间距，与干涉级次无关:
D x xk 1 xk d 3.条纹间距 x D, , 1/d
★且只有d 足够小，D足够大，才可观察到干涉现象。
4. d、D 固定时 ,x , 所以: ●当用白光入射时，除中央条纹是白色外，其它各 级明条纹将随 的不同而错开，形成由紫到红的彩 色条纹，高级次的干涉条纹将重叠。
实验示意图
3
波程差
x
d r x D
由波的干涉条件得
r1
d
S1 S2
P
r
r2
D d D
o
k 0.1.2. k d x D (2k 1) / 2 k 1.2.3.
D k d 明暗纹位置 x (2k 1) D d 2
5
§10-2 双缝干涉的光强分布
一、两光叠加时的总光强
合振幅 E
E E 2 E1E2 cos( 2 1 )
2 1 2 2
I E
2 2 1
1
2 2
0
E 2dt
相干光杨氏双缝干涉
S
W
实验装置：
M1
d S1
x o
虚光源 S1、S2
S2
M2
W'
L S1S2 平行于WW ' d L
屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕
上明暗条纹中心对O点的偏离x为：
x k L
d
明条纹中心的位置
k 0,1,2
x 2k 1 L
2d
暗条纹中心的位置
18
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二、 洛埃镜实验
解：由明纹公式：
xk
kD
d
两条 4 级明纹的距离为：
x 2kD
d
4
o I
4
x
2 4
632 .8 10 9 500 1.2 10 3
10 3
2.1 10 3 m
15
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例2：白色平行光垂直入射到间距为 d=0.25mm 的双缝 上，距缝 50cm 处放置屏幕，分别求第一级和第五级明 纹彩色带的宽度。（设白光的波长范围是从400.0nm 到 760.0nm）。
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n1 n1 n2
n2
19
谢谢您的观看！
20
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飞速的发展，形成了非线性光学等现代光学。
1
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相干光
一、光波
红外光：λ>760nm
可见光：400nm与760nm之间
紫外光：λ<400nm 光的颜色：
单色光——只含单一波长的光：激光
复色光——不同波长单色光的混合：白光
二、光矢量
光是电磁波，它具有相互垂直的电场强度矢量和磁 场强度矢量。
通常电场强度E的振动称为光振动，
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明暗条纹的位置
x
讨论
k D
d
D (2k 1)
d
2
明纹 k 0,1,2,
暗纹
条纹间距
Δ x = x k+1
x
k
=
(k+1)D d
k D d
=
D d
也是各级明暗纹的宽度
干涉条纹是等间距、等宽度且与缝平行的直条纹
x Dd1）Fra bibliotek 、D一定时，若 变化，则 x 将怎样变化？
2）、D 一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
b n 1
上式也可理解为，插入薄膜使屏上的杨氏干涉
条纹移动了k=(n-1)b/λ条。这提供了一种测量透明
薄膜折射率的方法。
洛埃镜实验
紧靠镜端处总是产生暗纹，说明在镜端处反射光与入射光
的相位差为 ，相当于光程差
，称为 半波损失。
双面镜实验
双棱镜实验
分波面法小结
续上
k= 0
I
k=-1
k=-2
S1 d q
r1
q
q r2
p
x
S2
D
δ =r2
r1~ d
sinq
~
d tg q
=
d
x
D
d << D x << D
d
x
x D
k D
k
(2k 1) D
d (2k 1)
2
加强
减弱
明纹 k
暗纹
k 0,1,2,
0,1,2,
d
2
（ k 称为明条纹的干涉级，k = 0 对应中央明纹）
j 2 j 1
2p
(n2r2
n1 r1)
光程差
若 j 2 j 1 即两分振动具有相同的初相位
则 取决于两波源到P点的光程差
相位差与光程差
n2r2 n1 r1
2p
若 j 2 j 1 即两分振动具有相同的初相位
A
A12
A22
2 A1 A2 cos
2p
(n2r2
n1 r1)
当
2p
即
n2r2 n1 r1
同一光波穿过不同介质时频率 不变
真空中的光速
c 1
00
介质中的光速
1
cc
u
rr n
真空中的波长 c
介质中的波长
n
u
c
n
n
二 光程 光程差
光程
光程差：两束光线的光程之差
(n2r2 n1r1)
理想透镜不引起附加光程差透镜无附加光程差
A
F'
B
三 相干光
光干涉的必要条件
光干涉的必要条件
D
120
例2 在杨氏双缝干涉的实验中，入射光的波长为
λ， 若在缝S2上放置一片厚度为b、折射率为 n 的
透明薄膜，试问：（1）两束光的光程差；（2）中
央明纹如何移动？
（3）如果观测到中央明 S1
r1
纹移到了原来的 k 级明纹 S2 处，求该薄膜的厚度b.
r2
解：（1）光程差
b
' [(r2 b) nb] r1 (n 1)b (r2 r1)
相干光
三 相干光 振动方向、频率相同，相位差恒定。
1）普通光源的发光机制
激
En
发
态
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
1
2
P
t : 108 ~ 1010 s
普通光源发光特 点： 原子发光是断续 的，每次发光形成一 长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独 立，各波列互不相干.
2）相干光的产生 振幅分割法
一 光是一种电磁波
光波是电磁波在空间的传播。而电磁波用矢量E和H表示 。
平面电磁波方程
E
E0
cos (t
r) u
H
H0
cos (t
r) u
实验证明光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用等
）的只是 E 矢量，称它为光矢量。E 矢量的振动称为光振动。
可见光的范围
: 400 ~ 760nm : 7.51014 ~ 4.31014 Hz
当
2p
即
（ 0,1,2,
则合成振动 的振幅最大
)时
（ 0,1,2, ) 时
则合成振动 的振幅最小
波程差为零或为波长的整数倍时，
波程差为半波长的奇数倍时，
各质点的振幅最大，干涉相长。
各质点的振幅最小，干涉相消。
分波面与分振幅
一、杨氏双缝实验（单色光，缝宽～波长）
x
k=+2
S1 * S*
S2 *
k=+1
在间距为0.022cm的双缝上，求距缝180cm处屏 幕上所形成的干涉条纹的间距。 （2）若缝的 间距为0.45cm，距缝 120cm 的屏幕上所形成的 干涉条纹的间距为0.15mm，求光源的波长。
解： (1) X D 180 632 .8107 0.518 cm
d
0.022
(2) X d 0.45 0.015 562 .5 nm
跟不加薄膜相比，光程差增 大了（n-1）b
(2) 加薄膜后，中央明纹对应 ' 0
' (n 1)b (r2 r1) S1 r1
显然 r2-r1=(1-n)b＜0， S2
即r2＜r1，中央明纹下移。
b
r2
(3) 不加薄膜，K级明纹满足：r2-r1=-kλ
放置薄膜后 ' 0
k
r2-r1=
-（n-1)b=-kλ
A1
A
A2
合振动
y y1 + y2
A cos ( t + j )
j1
(2pr2 2pr1) ]
2 1
P点给定，则 恒定。故空间每一点的合成振幅 A 保持恒定。
A
A12 A22
相位差
2 A1 A2 cos [j 2
j1
(2pr2 2pr1) ]
2 1
j2
j1
(2pr2 2pr1)
2 1
n / n
波阵面分割法
s1
光源 *
s2
四 光的干涉
y1 A1 cos(t y2 A2 cos(t
2px1
1
+
j
1)
2px2
2
+
j
2)
分别引起 P 点的振动
y1 A1 cos t + ( j 1 y2 A2 cos t + ( j 2
2pr1)
1
2pr2
2
)
A
A12 A22 2 A1 A2 cos [j 2
x D
d
条纹间距
x D
d
通过D 及d 的测量,可以间接
地测得照射光的波长。
第一次测波长
I
4I0
cos2 (π
)
4I0 , k
0, (2k 1) 2
I 4I0
光
强
分
布
4 3 2 0 2 3 4 5 r
图
4 D 2 D
0
2D 4D
d
d
d
d
x
白光照射时，出现彩色条纹
例1 在杨氏实验中，（1）波长为632.8nm的激光射