第一课武汉理工大学物理第18章课件

2 ]
S2
则合成后 E 2 E120 E220 2E10 E20 cos


2
1

2 l
(r2

r1)
考察合成后的光强分布
I I1 I2 2 I1I2 cos
两列光波的叠加，实际 上是两束光中的光波列 之间的叠加。
原子发光时间极短， 人眼和感光仪器所感觉到 1
双缝干涉光强分布*
E E120 E220 2E10E20 cos
合光强 I I1 I2 2 I1I2 cos
其中


2π
l
(r2

r1 )
若 I1 I2 I0 干涉项
则
I

4I0
cos2

2
4I0 , r kl
0, r (2k 1)l 2
发出的两光线的波程差 r2 - r1 。
在P点的合光强：I I1 I2 2 I1I2 cos
两个子波源在P点引起的光 )
2 l
(r1

r2 )
1 2


2 l
(r2

r1 )

2 l

波程差： r2 r1

: 108 ~ 1010s
就单个原子而言，原子发光是间歇的，每次 发光时间极短（~10-8 S ），每个原子一次发出一 段长度有限的波列（光波列）。
普遍光源发出的光，
是由光源中各原子或分子
发出的许多光波列组成。
.. 各个光波列各自独立。
独立 ( 同一时刻不同
原子发的光 )
独立 ( 同一原子不同时刻发的光 )
此时，相位差不是单纯由波程差（几何路程差） 决定，还与介质的性质有关。
s1 *
r1
n1
E1

E10
cos 2π( t T

r1
l
)
1
s2 *
r2
P n2
E2

E20
cos 2π( t T

r2
l2
)

相位差：


2π
l2
r2

2π
l1
r1
光程
光在真空中的速度 c 1 00
光在介质中的速度 u 1
的光强应该是瞬时光强在 2
P
一个较长时间内的平均值。
即： I 1


0 (I1 I2 2
I1I2 cos )dt
I1 I2 2
1
I1I2



cos dt
0
I I1 I2 2
1
I1I2



cos dt
0
1、 非相干叠加
由于原子发光的间歇性和独立性，使到达P点的二光波列位相差是杂 乱变化的，也就是说，其取值可以是0 到 之间的一切数值，
18.2.1 杨氏双缝干涉
杨氏双缝干涉实验
S1 * S*
S2 *
x
k=+2 k=+1
k= 0
I
k=-1
k=-2
实验装置
p
实
s1
验 装
s d o
置
s2

r1

r2
B
x
o
D
D d
真空中，S 在 S1S 2 的中垂线上，于是光源 S1 和 S2 的初相相同，干涉的强弱取决于从 S1 和 S2
波动光学包括:
光的干涉：
18－1 光波的一般知识 光波的叠加 18－2 分波阵面干涉 18－3、4 分振幅干涉 18－5 迈克耳孙干涉仪
光的衍射： 光的偏振：
19－1 19－2 19－3 19－4 19－5
20－1 20－2 20－3
光的衍射现象 惠更斯-菲涅尔原理 单缝夫琅禾费衍射 光栅衍射 圆孔衍射 光学仪器的分辨率 X 射线的衍射
结论：普通光源发出的光波不满足相干条件， 不是相干光，不能产生干涉现象。
18.1.3 光波的叠加
两束光：频率相同、光矢量方向相同 在 p 点相遇
假设这两个同频率单色光在空
间 p 点的光矢量大小分别为：
r1
E1

E10
cos[ (t

r1 ) u

1]
S1
r2
·p
E2

E20
cos[ (t

r2 ) u
D
代入数据，得：
l d x 0.60103 1.50103
D
1.50
= 6.00×10-7m = 600nm
例：以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上， 双缝与屏幕的垂直距离为1m。 从第一级明纹 到同侧的第四级明纹的距离为7.5mm，求： 入射光的波长。
解：
xk


D d
kl
杨氏干涉 薄膜干涉
18.2 分波阵面干涉
托马斯·杨（Thomas Young） 英国物理学家、医生和考
古学家。
波动光学：杨氏双缝干涉实验 生理光学：三原色原理 材料力学：杨氏弹性模量 考 古 学 ：破译古埃及石碑上
的文字 1801年他首先用实验方法观察到了光的干涉现象， 使光的波动学说得到实验的验证。杨氏用叠加原理解释 了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的 波动学说的确立奠定了基础。
x Dl
d
k 0 k 1 k2 k 3
l1 的 k1 级明条纹和 l2 的 k2 级明条纹重合，则：
重合的条件为： k1l1 k2l2
当用白光作实验，则除了中央亮纹仍是 白色的外，其余各级条纹形成从中央向外由 紫到红排列的彩色条带。
白光入射时的杨氏双缝干涉照片 你能判断 0 级条纹在哪吗？
3
2
1
0O
I
-1
-2 -3
零级亮纹 (中央亮纹) 在 x = 0 处。只有一条。
其它各级明纹都有两条，且对称分布。
k = 0,1,2,…分别称为第 0 级、第一级、第二级 暗纹等等。各级暗纹都有两条，对称分布在屏幕 中央两侧。
3) Δx 与 l , D 成正比；与 d 成反比。
4）若两种不同波长的单色光同时 入射，干涉条纹会发生重叠。
件
s 2 r
d'
Bp
x
o
d x
D
kl 干涉加强 k 0,1,2,
(2k 1) l 干涉减弱
k D l
x
d D (2k 1) l
2
明纹
k 0,1,2,
暗纹
d
2
明、暗条纹的中心位置：
k D l
明纹
x
d D (2k 1) l
暗纹
d
2
k = 0, 1, 2, …依次称为 0 级、 第一级、第二级明纹等等。
18.1.2 光源 ( 发光的物体 )
热光源
普通光源
（利用热能激发的光源。例如火、 太阳、白炽灯等；）
（自发辐射）
冷光源
（利用化学能、电能或光能激发 的光源。例如磷光、辉光等。）
激光光源 （受激辐射）
1、普通光源的发光机理
激
En
发
态
E hn
波列
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
波列长 L = c
光的偏振状态 起偏和检偏 马吕斯定律 反射光和折射光的偏振
主要教学内容： （学时：6）
18.1 光波的基本概念 光波的叠加 18.2 分波阵面干涉 18.3 分振幅干涉 18.4 迈克耳孙干涉仪
18.1 光波的基本概念 光波的叠加
18.1.1 光是一种电磁波
1、电磁波的产生 变化的电场和变化的磁场相互激发，向四周
讨论 条纹间距 x Dl (k 1)
d
1）条纹间距 与 l 的关系 ; d 、D 一定时， 若l 变化 ，则 x 将怎样变化？
2）l、D一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
1）d 、D一定时，若 l变化，则 x将怎样变化？
2）l、D一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
射向光速较小（折射率较大）的介质时，反射光
的相位较之入射光的相位跃变了 π ，相当于反
射光与入射光之间附加了半个波长的波程。
例：在杨氏双缝干涉实验中，已知：双缝 间距为0.60mm，缝和屏相距1.50m，测得 条纹宽度为1.50mm，求：入射光的波长。
解：由条纹间距公式： x D l
d 得到入射光的波长为： l d x

2k (2k 1)
干涉相长 干涉相消
(k 0,1,2,)
双缝干涉的波程差：
p
实
s1
验 装
s d o
置
s2

r1

r2
B
x
o
D
D d
波程差： r2 r1
d sin
d x D
sin tan x D
干 涉 条
s1
s d o

r1 r2
,
k 0,
1,
2,
x14

x4

x1

D d
k4
k1 l
l

d D
x14
k4 k1

500nm
例 ：在杨氏双缝干涉中，两种不同波长的单色光同
时入射。已知：d = 0.2mm; D =1.0m; λ1= 400nm; λ2= 600nm。λ1暗纹中心与λ2明纹中心第一次重合在 何处？
光学是研究光的本质和规律的，通常分为几何 光学、物理光学（波动光学和量子光学）。