第10章波动光学10.1-10.7
大学物理之波动光学讲解
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未来发展趋势预测
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01 02 03
拓扑光子学
拓扑光子学是研究光在具有拓扑特性的材料中传播行为的 新兴领域。拓扑保护的光子态具有鲁棒性和缺陷免疫性， 为设计高性能、高稳定性的光学器件和系统提供了新的思 路和方法。
量子光学与量子信息
随着量子技术的不断发展，量子光学与量子信息已成为当 前研究的热点领域。利用光的量子特性，可以实现量子计 算、量子通信和量子精密测量等前沿应用。
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02
干涉现象与原理
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双缝干涉实验及结果分析
03
实验装置与步骤
结果分析
干涉条件
使用激光作为光源，通过双缝装置，在屏 幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
双缝干涉实验结果表明光具有波动性，明 暗相间的干涉条纹是光波叠加的结果。
当两束光波的频率相同、振动方向相同、 相位差恒定时，它们叠加后会产生干涉现 象。
超材料
超材料是一种具有特殊物理性质 的人工复合材料，其性质往往超 越自然材料的限制。在波动光学 领域，超材料可用于实现负折射 率、完美透镜、隐身斗篷等奇特 现象和应用。
表面等离激元
表面等离激元是一种存在于金属 和介质界面上的电磁模式，具有 亚波长尺度的场局域和增强效应 。表面等离激元在纳米光子学、 生物光子学和光电子学等领域具 有广泛的应用前景。
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薄膜干涉及其应用实例
薄膜干涉原理
当光照射在薄膜上时，薄膜的前后两 个表面都会反射光，这两束反射光叠 加后会产生干涉现象。
应用实例
肥皂泡、水面上的油膜等都可以观察 到薄膜干涉现象。此外，在光学仪器 中，也常常利用薄膜干涉来增强或减 弱光的反射或透射。
大学物理目录下
第7章气体动理论1.7 对气体状态的描述7.2 气体的压强和温度7.3 能量均分定理7.4 麦克斯韦速率分布律7.5 麦克斯韦 玻耳兹曼分布律7.6 麦克斯韦速率分布律的实验验证7.7 实际气体的状态方程7.8 碰撞及输运过程提要思考题习题第8章热力学基础8.1 热力学第一定律8.2 几个典型过程的分析8.3 循环过程8.4 热力学第二定律8.5 熵、熵增加原理提要思考题习题第9章振动与波动9.1 简谐振动9.2 两个简谐振动的合成9.3 阻尼振动受迫振动共振9.4 简谐波9.5 惠更斯原理9.6 波的叠加干涉驻波9.7 多普勒效应9.8 波动方程和波速提要思考题习题第10章波动光学10.1 光源发光机理和获得相干光的方法10.2 光的干涉10.3 双缝干涉10.4 半波损失的实验验证10.5 厚度均匀薄膜干涉——等倾干涉10.6 劈尖干涉——等厚干涉10.7 光的衍射10.8 夫琅禾费单缝衍射10.9 夫琅禾费圆孔衍射10.10 光栅和光栅衍射10.11 光的偏振10.12 偏振光的干涉提要思考题习题第11章狭义相对论基础11.1 狭义相对论的基本假设11.2 洛伦兹变换11.3 时间延缓和长度收缩11.4 相对论速度变换11.5 相对论动力学基础提要思考题习题第12章量子物理基础12.1 能量子假设12.2 光的粒子性12.3 粒子的波动性和波函数12.4 薛定谔方程粒子的波动性和波函数12.5氢原子理论。
第10章-波动光学
a 的影响
sin 1
a
x 1
a
缝越狭, 衍射越显著, 条纹间距越宽。
当a
,且
a
1 时，
1
π， 2
I 只存在中央明文, 屏
幕是一片亮。
0 sin
33
当a且
a
0时，
x
0 ，k
0，
只显出单一的明条纹 单缝的几何光学像
∴几何光学是波动光学在a >> 时的极限情形。
34
•*单缝衍射条纹亮度分布
n1
18
当光线垂直入射时 i 0
当 n2 n1 时
Δr
2dn2
2
当 n3 n2 n1 时
Δr 2dn2
n1 n2 n1
n1 n2
n3
19
二、增透膜与增反膜
镜头颜色为什么发紫? 增透膜: 利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合 相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。 增反膜: 利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足 相长干涉，因此反射光因干涉而加强。
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二、单缝夫琅禾费衍射
1.单缝衍射实验
L1
K L2
屏幕
S
单缝衍射图样的主要规律: (1)中央亮纹最亮,宽度是其他亮纹宽度的两倍;
其他亮纹的宽度相同,亮度逐级下降。 (2) 缝a越小，条纹越宽。(即衍射越厉害) (3)波长 越大，条纹越宽。(即有色散现象)
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2.半波带法
只须考虑各子波源所发出的沿同一方向的平行 衍射光, 衍射光与原入射光方向的夹角（衍射角 ) 变化范围为 0→± /2
第10章 波动光学
§10.1 杨氏双缝干涉 §10.2 薄膜干涉 §10.3 光的衍射 §10.4 光栅衍射 §10.5 光的偏振
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
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分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
2024年大学物理波动光学-(带目录)
大学物理波动光学-(带目录)大学物理波动光学摘要：波动光学是大学物理课程中重要的组成部分，主要研究光的波动性质及其在介质中的传播规律。
本文主要介绍了波动光学的基本概念、波动方程、干涉现象、衍射现象、偏振现象以及光学仪器等，旨在为读者提供系统的波动光学知识，为进一步学习和研究打下基础。
一、引言波动光学是研究光波在传播过程中所表现出的波动性质的科学。
光波是一种电磁波，具有波动性、粒子性和量子性。
波动光学主要关注光的波动性质，研究光波在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。
波动光学在科学技术、工程应用、日常生活等领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光技术、光学仪器等。
二、波动方程波动方程是描述波动现象的基本方程。
光波在真空中的传播速度为c，介质中的传播速度为v。
波动方程可以表示为：∇^2E(1/c^2)∂^2E/∂t^2=0其中，E表示电场强度，∇^2表示拉普拉斯算子，t表示时间。
该方程描述了光波在空间和时间上的传播规律。
三、干涉现象1.极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向相同，相互加强，形成明条纹；当电场矢量方向相反，相互抵消，形成暗条纹。
2.非极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向垂直，相互叠加，形成干涉条纹。
四、衍射现象衍射现象是光波传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时产生的现象。
衍射现象的本质是光波的传播方向发生改变，使得光波在空间中形成干涉图样。
衍射现象可以分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种：1.菲涅耳衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较小的情况下发生的衍射现象。
菲涅耳衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
2.夫琅禾费衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较大的情况下发生的衍射现象。
夫琅禾费衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
五、偏振现象偏振现象是光波在传播过程中，电场矢量在空间某一方向上振动的现象。
大学物理课程标准
《大学物理》课程标准课程代码：课程名称 : 大学物理英文名称： College Physics课程类型：专业必修课总学时： 144授课学时：108实践学时:36学分： 8适用对象：机械类及相近专业本科学生一、课程概述大学物理是高等院校非物理类理工科本科各专业学生一门重要的通识性必修基础课。
物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学。
它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是其他自然科学和工程技术的基础。
课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。
该课程在培养学生的探索精神和创新意识等方面，具有其他课程不能替代的重要作用。
二、课程目标通过本课程的学习，使学生逐步掌握物理学研究问题的思路和方法，在获取知识的同时，学生建立物理模型的能力，定性分析，估算与定量计算的能力，独立获取知识的能力，理论联系实际的能力获得同步提高与发展。
开阔思路，激发探索和创新精神，增强适应能力，提升其科学技术的整体素养。
同时，使学生掌握科学的学习方法和形成良好的学习习惯，养成辩证唯物主义的世界观和方法论。
三、课程的内容与要求（一）教学基本要求与内容第一部分力学.第1章运动学1.1 质点运动的描述1.2 加速度为恒矢量时的质点运动1.3 圆周运动1.4 相对运动基本要求：1.深入地理解质点、位移、速度和加速度等重要概念，深入理解质点的运动。
2.分析加速度为恒矢量时的质点运动方程。
3.明确圆周运动中角位移、角速度、切向加速度、法向加速度的关系。
重点与难点 :1.加速度为恒矢量时质点运动方程的描写。
2.质点圆周运动的分析。
第2章牛顿定律2.1 牛顿定律2.2 物理量的单位和量纲2.3 几种常见的力2.4 惯性参考系力学相对性原理基本要求：1.清晰的理解牛顿第一定律、牛顿第二定律和牛顿第三定律。
2.熟练掌握几种常见力。
3.掌握物理量的单位和量纲。
波动光学
p O
§2.单缝衍射 单缝衍射 一.实验装置 二.衍射条纹 衍射条纹 明纹等间距
I
2.平行光会聚在 的焦平 平行光会聚在L的焦平 平行光会聚在 面上.平行于主光轴的光 面上 平行于主光轴的光 会聚在O点 平行于副光轴 会聚在 点,平行于副光轴 的光会聚于P点 的光会聚于 点. 3.各子波在 点光程相 各子波在O点光程相 各子波在 点为亮条纹(中 同,故O点为亮条纹 中 故 点为亮条纹 央明纹). 央明纹
a sinθ = 0
(3)暗纹条件 暗纹条件: 暗纹条件 a sinθ = ±kλ，k = 1,2,3… 明纹中心条件: 明纹中心条件 λ a sinθ = ±(2k′ +1) ， 2 k′ =1 2,3… , 中央明纹中心: 中央明纹中心
a sinθ = 0
注:上述暗纹和中央明纹 中心)位置是准确的， (中心)位置是准确的， 其余明纹中心的位置较 上稍有偏离. 上稍有偏离. (4)中央明纹的角宽度 两 中央明纹的角宽度(两 中央明纹的角宽度 旁第一暗纹对应的角度) 旁第一暗纹对应的角度
1 2 1′ ′ 2′ ′
半波带 半波带
θ
a B 半波带 半波带 A
1 2 1′ ′ 2′ ′
把光程差δ分为的半波长 把光程差 分为的半波长 λ/2倍数进行分析 倍数进行分析. 倍数进行分析 a a sinθ = λ 时，可将缝分 两个“半波带” 为两个“半波带”
λ/2
两个“ 半波带” 两个 “ 半波带 ” 上发的 光在 P处干涉相消形成暗 3 . 当 a sinθ = 2 λ 可将缝分成三个“ 时 ， 可将缝分成三个 “ 半波带” 半波带”
缝较大时， 缝较大时，光是直线传 播的
惠更斯——菲涅耳原理 二. 惠更斯 菲涅耳原理 表述: 表述 : 波传到的任何一点 都可看作发射子波的波源, 都可看作发射子波的波源, 从同一波阵面上各点发射 的子波在空间某点相遇而 的子波在空间某点相遇而 相干叠加, 相干叠加,决定该点波的光强 . n
大学物理波动光学PPT课件
例2：例11-2
n3 n2 n1
23
n1
氟化镁 n2
玻璃
d
n3 n2
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11.2 光的衍射
衍射现象： 只有当波长与障碍物的线度可比拟 时，才能观察到明显的衍射现象。
惠更斯-菲涅尔原理 子波干涉 夫琅和费单缝衍射：光源、单缝、屏幕距离无穷远 缝宽a、波长λ、焦距f、衍射角φ
S
L1 R
入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。折射光 没有半波损失。
第7页/共44页
光程
真空中: C、 介质中: C' 、 '
同一束光在不同的介质中频率不变。
C C' '
n C C' '
'
n
2 r 2 nr '
即光在介质中传播r的波程与其在真空中
传播nr的波程产生的相位差相同.
l
dl
I I0
ln I l
I0
I I 0 e l
dl
I0
I
c I I0e cl
朗伯-比尔定律
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令透射比 吸收度 消光系数
T I e cl I0
A logT cl loge
loge
比色计 分光光度计 光谱分析
A cl
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本章小结
➢ 干涉：杨氏双缝干涉 薄膜干涉、半波损失、光程
I
0
一级光谱
ab
三级光谱 二级光谱
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sin
光谱分析
由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成 分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分 析出元素的含量．
基础物理学下册【韩可芳】第10章习题答案
第十章第十章第十章第十章 波动光学波动光学波动光学波动光学思考题思考题思考题思考题10-1 普通光源中原子发光有何特征？答答答：答：：：因为普通光源是大量不同原子在不同时刻发的光，是自然光，因此不满足干涉条件，所以一 般普通光源观察不到干涉现象。
10-2 如何用实验检验一束光是线偏振光、部分偏振光还是自然光？答答答：答：：：拿一块偏振片迎着这束光，转动偏振片，观察透射光。
（1）视场中光强有变化且有消光现象 的为线偏振光；（2）光强有变化但无消光现象的为部分偏振光；（3）光强无变化的为自然光。
10-3 自然光可以用两个独立的、相互垂直的、振幅相等的光振动表示。
那么线偏振光是否也可以用两个相互垂直的光振动表示？如果可以，则这两个相互垂直的光振动之间关系如 何？10-4 如何用实验测定不透明媒质的折射率？答答答：答：：：光线入射到不透明的媒介上，改变入射角i ，并同时用偏振片测定反射光线的偏振化程度。
当反射光线为完全偏振光时，此时入射角i0 即为布儒斯特角，满足tan 可求得不透明介质的折射率n 。
10-5 如图(a)所示，一束自然光入射在方解石晶体的表面上，入射光线与光轴成一定角度；问将有几条光线从方解石透射 出来？如果把方解石切割成等厚的A 、B 两块，并平行地移 开很短一段距离，如图(b)所示，此时光线通过这两块方解石后有多少条光线射出来？如果把B 块沿沿沿沿光线转过一个角度， 此时将有几条光线从B 块射出来？为什么？i 0n ，测得 i0 即考思考思考思考题题题题10-5图图图图10-6 从普通光源获得两束相干光的一般方法是什么？在光的干涉中决定相遇点产生明纹或暗纹的因素是什么？答答答：答：：：分波阵面法和分振幅法。
波源的相位差和波源到相遇点的光程差决定相遇点产生明纹或暗纹。
10-7 如图所示，设光线a 、b 从周相相同的A 、B 点传至P 点，试讨论：（1）在图中的三种情况下，光线a 、b 在相遇处P 是 否存在光程差？为什么？（2）若a 、b 为相干光，那么在相遇处的干涉情况怎 样？考题思考题思考题思考题 10-7 图图图图10-8 在杨氏双缝实验中，当作如下调节时，屏幕上的干涉条纹将如何变化？（要说明理由）（1）使两缝之间的距离逐渐减小；（2）保持双缝的间距不变，使双缝与屏幕的距离逐渐减小；（3）如图所示，把双缝中的一条狭缝遮住，并在两缝的垂直平分线上放置一块平面反射镜。
医用物理学答案(第二版)
第1章 刚体力学基础 物体的弹性1.1 （1）n=))(1(54013--⋅-s r e(2) )(10802160)1(54036026r e dt e dt N t --+=-==⎰⎰ω(3) )(27022--⋅==s r e dtdntβ 1.4 A 对物体：Mg-T=Ma 对滑轮：β221mR TR =βR a = 联立求解，得：MRmR Mg22+=βB 对滑轮：β221mR MgR =得：mRMg2=β 1.6 对物体：a m g m f T 22sin =--α αμsin 2g m f =对滑轮：β2121R m TR M z =- βR a =解得：[]Rm R m R u g m M m g m T Z 1222221)cos (sin )cos (sin ++-++=αααμα2122221)cos (sin R m R m Rg m M Z ++-=αμαβ由角量的运动方程：βθω22=[]2122221)cos (sin 2Rm R m R g m M Z ++-=αμαθω1.8 人和转盘组成的系统角动量守恒ωω)21(2122202t mu MR MR +=222022tmu MR MR +=ωω RutM m u R m M dt t mu MR MR dt tt 2arctan 220222020ωωωθ=+==⎰⎰1.12 解：（1）成人股骨断裂的压力)(1002.11061017547N S F ⨯=⨯⨯⨯=⋅=-σ（2）股骨断裂的线应变2107109.1109.01017-⨯=⨯⨯==E σε （3）长度的改变量)(105.95.0109.132m l l --⨯=⨯⨯=⋅=∆ε第2章 流体力学基础2.1 解：（1）主动脉血液流量)/(104.833.0)109(14.335231211s m V r V S Q --⨯=⨯⨯⨯=⋅==π (2)大动脉血液的平均流速)/(102.4222s m S QV -⨯==（3）毛细血管内血液的最大流速)/(1036.3433s m S QV -⨯==2.4 解：（1）)/(1s m S QV ==粗粗 （2）)/(4s m S QV ==细细 （3）2222112121v P v P 水水ρρ+=+=-=-2122212121v v P P 水水ρρgh 银ρ cm gv v h 5.5)212122=-=∴银水（ρρ2.8 解：（1）毛细血管两端血压降)10410214.3101100.3866.010214.381246-3326-4a P R l Q P （）（）（细⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∆-πη （2）毛细血管内血液的流量)/103.8312s m SV Q （细-⨯==（3）流阻)/(108.485234m Ns Rl⨯==πηβ 2.9根据伯努利方程，可得单位体积的油损耗的能量w=)(2121h h g p P -+-ρ 代入数值得：Jw 43310*29.45*8.9*10*9.010*2.1=+-=那么 35m 的油流过损失的能量为5*J 410*29.4J 510*145.2=第3章 振动与波 声波 超声和超声成像3.1解：矢量图略 画旋转矢量图可得1）)cos(πω+=t A x 2）)2/cos(πω+=t A x 3）)3/cos(πω+=t A x ； 4）)4/cos(πω+=t A x ；3.2 解：由图示可知 A v v m x ma ω-== T=0时， 6/,210πϕ==据此可以求得初相位m v v3.6解： )cos()cos(221πωω+==t A x t Ax ，该质点的合振动为)cos(2π+=wt Ax3.7 解：（1）因为p 1点振动方程为)2cos(1ϕπν+=t A y ，而p 2点落后p 1点的距离为L 1+ L 2， 所以p 2点的振动方程为])(2cos[212ϕλνπ++-=L L t A y（2）与p 1点相距λk ±的点与p 1点的振动状态相同。
第10章波动光学
棱边处为暗纹.
1 1 （2） l sin (k 1) k 2 2 2
对一定波长的单色光入射，劈尖的干涉条
纹间隔仅与楔角θ有关.
32
（3）干涉条纹的移动 每一条 纹对应劈尖 内的一个厚 度，当此厚 度位置改变 时，对应的 条纹随之移 动.
33
2.牛顿环
将一曲率半径相当大的平凸透镜叠放在一平板玻璃上
dM
r1
D
P
r2
x
s2
r2 r1
k
o
E
(2k 1)
2
干涉加强 干涉减弱 明纹
k 0,1, 2,
x
D (2k 1) d 2
D k d
k 0,1,2,
暗纹
7
白光照射时，出现彩色条纹。
条纹间距
讨论
D x xk 1 xk d
可使这种波长的黄绿光在两界面上的反射光干涉减 弱.
30
三、劈尖干涉 1.劈尖干涉
T
L
n1 n1
2e
e
e
S
劈尖角
M
2
l
k , k 1,2, 明条纹
(2k 1) , k 0,1, 暗条纹 2
31
讨论
2e
2
2
（1） e 0 时，
可见牛顿环中充以液体后，干涉条纹变密.
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四、迈克耳孙干涉仪 反射镜 M1
迈克耳孙干涉仪
M1 M2
反 射 镜
M1 移动导轨
单 色 光 源 分光板 G1 补偿片 G 2
M2
G1//G 2 ，且与 M1 , M2 成 45 0 角
第10章波动光学大学物理资料
在屏上中央明纹的一侧，如果从点o到k+1级最短波长λ1的明
纹的距离，恰好大于k第级最长波长λ2=λ1+△λ的明纹距离时， 第k级光谱是独立而不重叠的。所以发生不重叠的级次k应满足
的光程差为
(k 1)1 k2 k(1 )
即
k 1 400 1.1 760 400
所以可见光入射于双缝时，只有 第一级光谱是独立的，第二级光
10.3.3、增透膜与增反膜：
1、定义：增透膜：增加透射率的薄膜叫做增透膜。 增反膜：增加反射率的薄膜叫做增反膜。
2、条件：（ i = 0 ）
2n2e(
)
2
(2k
k
1) 2
干涉减弱 干涉加强
增透 增反
注意增：透（反）膜只对某一波长的光效果最好。一定厚度e 的薄膜对波长λ1 为增透膜，对波长λ2 可能为增反膜。
0, (2k 1) 2
I 4I0
光
强
分 布
4 3 2 0 2 3 4 5
图
例题1 单色光照射到两个相距2×10-4的狭缝上。双缝和屏之
间为空气n=1,距离为1m。在缝后处的屏上，从第一级明条纹
到第四级明条纹的距离为7.5×10-3，求此单色光的波长。
解:由明条纹中心位置为 x D k
nd x
D
讨论
1、明暗条纹以O点为中心对称分布于屏上。
当 n d x k 时，产生明纹
D
明纹位置:
x k D
nd
k = 0,1,2,... ox
当k = 0 时，对应O点 — 中央明纹中心的位置
当 nd x (2k 1) 时产生暗条纹
D
2
暗纹位置: x (2k 1) D
2nd
大学物理 物理学 课件 波动光学
为定域干涉。
应用：
•测定薄膜的厚度； •测定光的波长；
例8－3．如图所示，在折射率为1.50的 平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折 射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂 直射向油膜，问：
1)哪些波长的可见光在反射光中产生 相长干涉? 2)若要使反射光中λ=550nm的光产生相 消干涉，油膜的最小厚度为多少?
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
四、光学的分类
• 几何光学
以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪 器成象规律。
• 物理光学
以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。
• 波动光学——光的波动性：研究光的传输规律及其应用的 学科
• 量子光学——光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及 其应用的学科
*②若把整个实验装置置于折射率为n的介质中，
明条纹： =条纹： =n(r2-r1)=±(2k+1)λ/2 k=0,1,2,3,…
或 明条纹：r2-r1=2ax/D=±kλ/n=±kλ’ k=0,1,2,…
暗条纹：r2-r1=2ax/D=±(2k+1)λ/2n
本章学习内容：
波动光学：光的干涉、衍射、偏振
光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量 E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。
§8－1 光波及其相干条件
6、讨论
Δx=Dλ/2a
*（1）波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化
①光源S位置改变： •S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移； •S上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。
第九章波动光学
研究光与
波动光学和量子光学，统称为物理光学。
波动光学时期
• 1801年，托马斯· 杨做出了光的双缝干涉实验 • 1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。
托马斯· 杨
惠更斯
牛顿
• 1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理 • 1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转， 揭 示了光现象和电磁现象的内在联系。 1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波 通过以上研究，人们确信光是一种波动。 3
S2
L 光屏
暗
明 暗
S
S1和S2（在同一波振面上，同相） 1.实验装置：
2.实验现象：
S1 S2
明 暗
明 暗
13
暗 明
S1
暗
S
单色光：
明
S2
暗 明 暗
复色光：
白光入射时，中央亮纹是白色的，其他各级明 条纹为从紫色到红色错开排列，关于中点对称 的彩色条纹。
14
x r2 r1 d sin d 3.干涉条件： L （1）光程差： 2 r r 2 2 1 2 1 （2）位相差： k 0,1,2, （3）干涉条件： k k 0,1,2, (2k 1) P 2
a
P
f
中央亮纹宽度（即：两第一暗纹间的距离）
可得：
x0 2 f tan 0 2 f
a
中央明纹角、线宽度是其他各级明纹宽度的2倍。
37
②暗、明条纹：半波带法分析
•暗纹 θ≠0°时, 以k=1为例
B 半波带 a 半波带
A
Δ a sin k , k 1, 2,
波动光学_精品文档
波动光学第一节 光的干涉一、光波的相干叠加1、光波叠加原理：每一点的光矢量等于各列波单独传播时在该点的光矢量的矢量和。
2、光波与机械波相干性比较：（1)相同点：相干条件、光强分布。
（2)不同点：发光机制不同。
3、从普通光获得相干光的方法：(1)分波阵面法：将同一波面上不同部分作为相干光源。
(2)分振幅法：将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源。
4、光程与光程差：（1）光程：即等效真空程：Δ=几何路程×介质折射率。
（2）光程差：即等效真空程之差。
5、光程差引起的相位差：Δφ=φ2-φ1+λ∆∏2，Δ为光程差，λ为真空中波长。
（1）Δφ=2k ∏时，为明纹。
（2）Δφ=（2k+1)∏时，为暗纹。
6、常见情况：（1）真空中加入厚d 的介质，增加（n-1)d 光程。
（2）光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加λ/2光程。
（3）薄透镜不引起附加光程。
二、分波面两束光的干涉1、杨氏双缝实验：（1）Δ=±k λ时，（k=0,1,2,3……）为明纹。
Δ=±（2k-1)2λ时，（k=1,2,3……）为暗纹。
（2）x=λdD k ±时，为明纹。
x=2)12(λd D k -±时，为暗纹。
(k=0,1,2,……) （3）条纹形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹。
（4）条纹亮度：Imax=4I1,Imin=0.（5）条纹宽度：λdD x =∆. 2、其他分波阵面干涉：菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜。
三、分振幅干涉1、薄膜干涉：2sin 222122λ+-=i n n e Δ反（2λ项：涉及反射，考虑有无半波损失） 透Δi n n e 22122sin 2-=（无2λ项） 讨论：（1）反Δ/透Δ=k λ时，(k=1,2,3……）为明纹，（2k+1)2λ时，（k=0,1,2……）为暗纹。
（2）等倾干涉：e 一定，Δ随入射角i 变化。
（3）等厚干涉：i 一定，Δ随薄膜厚度e 变化。
第10章波动光学10[1].13
![第10章波动光学10[1].13](https://img.taocdn.com/s3/m/c60dea6825c52cc58bd6be74.png)
n2 tgiB = 布儒斯特定律 iB 称起偏角或布儒斯特角 n1
6
n2 tgiB = n1
自然光
n1 n2
iB
r
线偏振光
求玻璃的起偏角？ 例2. 求玻璃的起偏角？ 设 n1 = 1 n2 = 1.5 玻璃 则 iB = tg −1 n2 = tg −1 1.5 = 56.3°
n1
部分偏振光
讨论：当光以 iB入射时，无反射光， 入射时，无反射光， 讨论： 你能对入射光作出什么结论？ 你能对入射光作出什么结论？ r 线偏振光， 入射面。 线偏振光，且 E 入射面。
8
（3）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。 ）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。
iB
• • • •
• • •
9
§11.9 双折射 1. 现象
玻璃
自然光
自然光
o
e
晶体（方解石） 晶体（方解石）
Caco3
通过方解石晶体观察物体， 定义 ：通过方解石晶体观察物体，会看到两个物体的 像。 这种现象叫双折射 自然光入射到晶体上一般产生两条折射光： 自然光入射到晶体上一般产生两条折射光： 一条遵守折射定律，称寻常光（ 光 一条遵守折射定律，称寻常光（o光） 一条不遵守折射定律，称非寻常光（ 光 一条不遵守折射定律，称非寻常光（e光） 它们都是线偏振光，且振动方向互相垂直。 它们都是线偏振光，且振动方向互相垂直。 10
大学物理波动光学
第十章 波动光学第1课 电磁波 光的电磁本性教学目标：1.了解电磁场和电磁波的一般概念2.了解电磁波的性质及电磁波谱。
教学重点：光的电磁性 教学难点：物质发光的原理教学资源：网络视频、图片、多媒体设备 教学方法：讲授法、演示法、练习法 课 时：2 教学过程：引入课题：人们对光（这里主要指可见光）的规律和本性的认识经历了漫长的过程。
最早也是最容易观察到达规律是光的直线传播。
在机械观的基础上，人们认为光是一些微粒组成的，光线就是这些微粒的运动路径。
但人们已觉察到许多光现象可能需要用波动来解释，如牛顿环。
与牛顿同时代的惠更斯明确提出光是一种波动，直到进入19世纪，才由托马斯.杨和菲涅尔从实验和理论上建立起一套比较完整的光的波动理论。
19世纪中叶光的电磁理论的建立使人们对光波的认识更深入了一步，19世纪末麦克耳孙的实验及爱因斯坦的相对论更完善了光的波动理论。
本书关于光的波动规律基本上还是近200年前托马斯.杨和菲涅尔的理论。
但许多应用实例是现代化的。
正确的基本理论是不会过时的，而且它的应用将随时代的前进而不断翻新，现代的许多高新技术中的精密测量与控制就应用了光的干涉和衍射原理。
激光的发明也是40年前的事情。
人们对光的理论的认识也没有停止，20世纪初从理论和实验上证实了光具有粒子性，波动光学本身也在不断发展，光孤子就是一例。
本章主要光的波动理论及一些应用。
讲授新课： 一、电磁波的产生 1 无阻尼自由电磁振荡在电路中，电荷和电流以及与之相伴的电场和磁场的振动，称为电磁振荡。
LC 电磁振荡电路就是一种无阻尼的电磁振荡。
开关K 板向右边，使电源对电容器C 充电。
开关K 板向左边，使电容器C 和自感线圈L 相连接。
设某一时刻电路中的电流为i ，此时刻的自感电动势 由于 则令 则有 其解为无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化KAB LCA B d d i qL V V t C ==-22d 1d q q t LC =-d d q i t=222d d q q o tω+=0cos()q Q ω t ϕ=+在LC 振荡电路中，电荷和电流都随时间作周期性变化，相应的电场和磁场能量也都作周期性的变化。
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2
L
2
nL'
2） 费马原理 光在两点之间是沿光程为最小的路径传播。 13
3. 透镜物像之间等光程
透镜的一些概念: 焦点, 焦距，主轴, 焦平面
由费马原理,透镜物像之间等光程。 S S1
透镜物像之间等光程还包含以下含义。 a b c
亮点
d
例11.3 如图11.5所示，波长为500nm的光垂直通过两块 紧贴在一起的平行介质板，折射率n1=1.3，n2=1.5， 厚度e1=2.0*10-6m,e2=3.0*10-6m,求光通过两块介质后 的相位滞后。 例11.4 如图11.6所示，两条平行的相干光经透镜会聚 到焦平面上P点。直线N垂直于光线，与两光线交点分 别为 A和B。已知光线1在A点的相位为3π/2，光线2在 B点的相位为π/2。说明P点的干涉情况。
§21—4 迈克耳逊干涉
仪
M1M 2
Δd
d
M2
' M1
M2
' M1
则 M M2
' 1
d2
M1
空气薄膜厚 d d 2 d1
2 1
s
2 1
s 点光源形成圆环形等倾条纹。
d 条纹外冒 d 条纹内缩
d1
条纹移动一条，光程差改变多少？ M 2移动多少？
27
M2 条纹移动一条，光程差改变一个 ，
760 nm
7600 A 4000 A ) ( 1nm 109 m 10A
y
E
z
H
x
波动光学研究光的干涉、衍射和偏振现象。
1
§11.1
光源发光机理
杨氏双缝干涉
一. 光源发光机理
1. 光源发光机理
l
光源中许多原子、分子能级跃迁各自独立，产生的 光波在频率、振动方向、位相上各不相同，故两个独立
3.增透膜 n1 n2 >n1 n2
1）光线垂直入射到均匀薄膜的上表面，入射角 i 0 。 光程差为
2en2
若：2en2 若：2en2
2 2
k
2
加强，处处亮 减弱，处处暗
k 1, 2,3
2k 1
2
k 0,1, 2
20
2）、增透膜与增反膜
4
二. 杨氏双缝干涉
1. 实验仪器：
S
s1
d
s2
D
o
4
2. 现象： 屏上出现与缝平行的明暗相间条纹 P S
s1
r1
d
s2
D
r2
x
o
屏上为什么出现明暗相间条纹？ 1）S1,S2发出的是相干光 2）S1,S2发出的两列相干光在屏幕上相遇，明纹 是相干加强的区域，暗纹是相干减弱的区域。 屏上哪些区域是明纹，哪些区域是暗纹？
相邻两明纹（或暗纹）间距 D
x d
p
x
s1
d s2
r1
r2
x
o
k0
D
讨论：A. Δ x 与
k 无关 ，平行等间距条纹.
B. Δx 1
d C. Δ x D
D. Δ x
6
Δ x 白光照出彩条。
k 3
k 2
k 1 k 1
k 1
k2
k 3
7
A. 把一条缝加宽，条纹如何变化？ 若 d不变，则条纹位置不变。
4
P
S
s1
r1
D
d
s2
r2
x
o
干涉条件：
k L r2 r1 2k 1 2
k 0, 1, 2, k 0, 1, 2,
明纹 暗纹
4
3. 明暗条纹在屏幕上的分布
x
D d
s1
d
r1
p
r2
o
D
2
x
s2
2 2 1
d d 2 2 r x D r2 x D 2 2 2 2 2 r2 r1 r2 r1 r2 r1 2dx
例题11.8
例题11.8 在两块玻璃板夹一细金属丝形成一空气劈尖，金属丝 与棱边的距离L=2.888*10-2 m。用波长λ=589.3nm的钠 黄光垂直照射，测得30条明纹的总距离为4.295*10-3 m。 求出金属丝的直径D。
2、牛顿环（光线垂直入射） n 1 空气薄膜 k 明 k 1, 2, 2e k 0 ,1,2 , 暗 ( 2 k 1 ) 2
第11章
第十章 波动光学
§11.1 §11.2 *§11.3 §11.4 §11.5 §11.6 §11.7 §11.8 光源发光机理 杨氏双缝干涉 相位差和光程 厚度均匀薄膜干涉—等倾干涉 厚度不均匀薄膜干涉—等厚干涉 单缝衍射和半波带法 圆孔衍射和光学仪器的分辨率 光栅和光栅衍射 光的偏振
光是电磁波。可见光波长 400 nm
迈克尔逊的另一项重要贡献是对光速的测定。他多次并持续进 行光速的测定工作，其中最精确的测定值是在1924～1926年， 其值为（299796±4）km／s。
阿尔伯特· 亚伯拉罕· 迈克尔逊 （Albert Abrahan Michelson）
迈克尔逊的名字是和迈克尔逊干涉仪及迈克尔 逊－莫雷实验联系在一起的，实际上这也是迈 克尔逊一生中最重要的贡献。 按照经典物理学理论，光乃至一切电磁波必须借助静止的以太 来传播。地球的公转产生相对于以太的运动，因而在地球上两 个垂直的方向上，光通过同一距离的时间应当不同，这一差异 在迈克尔逊干涉仪上应产生0.04个干涉条纹移动。1881年，迈 克耳孙在实验中未观察到这种条纹移动 。这一实验引起科学家 的震惊和关注，与热辐射中的“紫外灾难”并称为“科学史上 的两朵乌云”。
x
I
B. 若把S向上移，条纹如何变化？
s s
s1
s2
10
4. 光源对干涉条纹的影响 （1）时间相干性
l
l
光源辐射出一列光波的时间越长，则光波的长度越 长，就容易发生干涉，这种与波列持续时间有关的 相干性叫时间相干性。 光波单色性愈好，相干长度愈长，时间相干性愈好， 越容易发生干涉。 11
（2）空间相干性 设光源线度 b 较大， 各点发出的光干涉条纹错开
s1
x1
s2
p
x2
r2 r1
k
加强
2 k 0,1,2,
2k 1
减弱
32
阿尔伯特· 亚伯拉罕· 迈克尔逊 （Albert Abrahan Michelson）
因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱 学和度量学的研究工作中所做出的贡献，被 授予了1907年度诺贝尔物理学奖。
*§5 薄膜干涉 1. 实现光的干涉的分振幅法
p
n1 n2
i
D
r d
C
A
B
d
13
2. 干涉条件
光程差
n1 1
i
p
D
r e
C
n2 ( AB BC ) n1 AD 2
A
n2
e
2e n n sin i
2 2 2 1 2
B
2
( k 1,2 , )
)
明纹
暗纹
k2
k0
暗纹k 1
同一级条纹对应同一膜厚 故称等厚条纹或等厚干涉。
明纹
k1
ek
k0
21
两相邻明纹（或暗纹）对应的膜厚度差
e
2n
两相邻明纹（或暗纹）对应的条纹间距
l e sin 2n sin 2n
k0
暗纹
k
k 1
ek
动画
ek 1
动画 22
14
例11.5 如图，在双缝干涉实验中，用一云母片遮住其中 一条缝，光屏上原来是第七级明纹位置成为遮住后的中央 明纹 位置。 已知： n云 1.58 550 nm 求：云母片厚度 l ?
s1
r1 r2
k 7 k 0
s2
解： 光程差改变 nl l
7
7 7 550 10 9 l 6.6 10 6 m 6.6 m n1 1.58 1
光源产生的光不会发生干涉现象。
2. 相干光条件： 两列光波频率相同、振动方向相同、位相差恒定。 2
3. 获得相干光的方法 原则：将同一波列的光分成两束，经不同路径后相遇， 产生干涉。 （1）分波面法
s1
S* p
s
s2
s'
洛埃镜干涉
双缝干涉
典型代表
双缝干涉。
3
（2）分振幅法 透明薄膜
典型代表
薄膜干涉
2
3
例题11.2：
如图，S1到平面镜的垂直距离h=2.0*10-3m，S1到光屏 的距离为D=0.5m，从S1发出光的波长为7.2*10-7m，光 屏与平面镜右端相接触，求光屏上离接触点最近的一 条明纹到接触点的距离。
s1
h
D
s2光在相遇处点位相差 两列光波在某点相遇的位相差有以下3种因素构成
很小， r2 r1 2D
5
因此
p
x
k 1 k0 k 1
dx r2 r1 D
D k d
s1
d s2 δ
r1
r2
x
o
D
xk
明纹 暗纹
D (2k 1) 2d
k 0, 1, 2,
K为级数 K=0,+1,-1明纹的坐标？ K=0,+1,-1暗纹的坐标？ 6