大学物理中的光学若干问题

大学物理中光学若干问题
1.为什么两个独立的同频率的普通光源发出的光波叠加时不能得到干涉图样？
答：普通光源发光的特点是：包含大量断断续续的、长度有限的、相互独立的波列。

两个独立光源发出的光的振动方向、频率、初相位是完全随机的（不存在稳定的相位差），所以它们不可能是相干光。

即使它们的频率相同，有同方向的振动分量，但由于在叠加点相位差的完全随机性，也不能形成稳定的光振动加强和减弱现象，因而就不能得到光的干涉图样。

2.在杨氏双缝干涉实验中，如果一条缝稍稍加宽一些，屏上的干涉条纹有什么变化？如把其中一条狭缝遮住，将发生什么现象？
答：将杨氏双缝装置的一条缝稍稍加宽一些，通过两缝的光强是不同的，两缝各自的单缝衍射中央明区的宽度也不相同，在屏上叠加点两个光振动的振幅不同，干涉相消处（暗条纹）的光强不等于零，干涉条纹的可见度下降。

若把其中一条缝遮住，则成为单缝衍射装置，屏上将出现单缝衍射的条纹。

3.干涉与衍射有什么区别？
答：干涉是两束光或有限束光的相干叠加，而衍射是从同一波阵面上各点发出的无数个子波（球面波）的相干叠加，从这个角度看，衍射本质上也是干涉。

另外在纯干涉的情况下，不同级次干涉条纹的光强是一样的；而衍射条纹不同级次的光强是不同的，级次越高，光强越弱。

若将双缝干涉条纹与单缝衍射条纹比较，双缝干涉条纹是等间距的，单缝衍射条纹的中央明纹宽度是其他各级条纹宽度的两倍。

4.日光照射在窗玻璃上,也分别会在玻璃的两个界面上反射,为什么观察不到干涉现象?
答：由于每个原子的持续发光时间是有限的，原子发射的每一个波列有一定的长度。

如果在薄膜干涉中相干的两束光的光程差超过了波列的长度，那么由同一列波分解出来的两个分光束就不能相遇，而相遇的是不同波列分解出来的分光束，它们不是相干光，不会产生干涉。

其次，光源的单色性不好会使相干长度大大低于波列的长度，除激光器外，一般光源发射的单色光并非单一波长的光，总有一定的波长范围，当这样的光产生干涉时，干涉图样是这些不同波长的光各自干涉条纹的叠加，而不同波长的光的干涉条纹间距是不同的，有些不同波长的干涉条纹将连成一片，因而看不到干涉条纹。

窗玻璃的厚度一般为几毫米，远远超过白光的相干长度，所以观察不到干涉现象。

即使能产生干涉，由于干涉条纹的间距很小，实际上也分辨不清楚。

5.为什么刚吹起的肥皂泡（很小）看不到什么彩色？当肥皂泡吹大到一定程度时，会看到有彩色，而且这些彩色随着肥皂泡的增大而改变。

试解释此
现象。

当肥皂泡大到将要破裂时，将呈现什么颜色？为什么？
答：吹起的肥皂泡相当于空气中的薄膜，上下表面的反射光满足相干条件时，就形成干涉现象。

在日光照射下，对于一定厚度的薄膜，并非所有的波长都能被加强，因此在肥皂泡表面被反射的不同波长的、不同干涉加强的可见光成分的非相干叠加所形成的彩色。

这种彩色随着薄膜厚度的变化（被吹大）、观察角度的变化而改变。

刚吹起的肥皂泡由于膜的厚度太大，超过了日光的相干长度，不能发生干涉，看不到这种现象。

当肥皂泡大到将要破裂时，膜的厚度趋于零，对各种波长的光，反射时都满足干涉相消条件，因此从反射方向看什么颜色都没有，只能是黑色。

6. 牛顿环和迈克耳逊干涉仪实验中的圆条纹均是从中心向外由疏到密的明暗相间的同心圆，试说明这两种干涉条纹不同之处，若增加空气薄膜的厚度，这两种条纹将如何变化？为什么？
答：牛顿环为等厚干涉，实验装置中使用单色平行光垂直入射，观察反射光或透射光，干涉条纹的级次为内低外高，增加空气膜的厚度时，所有的干涉条纹均向内收缩。

呈同心圆分布的迈克耳逊干涉条纹为等倾干涉，实验装置中使用单色面光源，观察反射光，干涉条纹的级次为内高外低，增加空气膜的厚度时，所有的干涉条纹均向外扩展。

7.一人持一狭缝屏紧贴眼睛，通过狭缝注视遥远处的一平行于狭缝的线状白
光光源，这人看到的衍射图样是菲涅耳衍射还是夫琅禾费衍射？
答：遥远处的光源、狭缝屏和紧贴的眼睛构成了衍射装置，遥远处光源入射于狭缝屏的光可视为平行光，根据人眼的简化模型，晶状体是透镜，而视网膜则是透镜的焦平面，经瞳孔衍射的光波，其平行分量经晶状体后会聚于视网膜成衍射像，所以这人看到的是夫琅禾费衍射。

8.光盘表面的彩色图样是怎样形成的？为什么从某一方向看，表面上不同位置在灯光下显现笔筒的彩色？
答：光盘表面由外到内有保护层、铝反射层、刻槽磁道。

密集刻划的磁道间距小于1微米，这实际上形成了反射式光栅，会产生光的衍射现象。

另外光盘表面的保护层和铝反射层的结构，会产生光的薄膜干涉现象。

9.为什么光栅刻痕不但要多，而且各刻痕之间的距离也要相等？
答：因为光栅衍射主峰强度为2N倍的单缝衍射该处的光强，随着刻痕数N 的增加，衍射条纹也就越明亮，所以光栅刻痕数要多；刻痕之间距离相等，形成固定的周期性结构，都满足光栅方程()sin (0,1,2)
θλ
a b k k，干涉
+=±=⋅⋅⋅
叠加相互加强，形成均匀分布的明、暗条纹干涉场，所以各刻痕之间的距离也要相等。

10.光栅衍射和单缝衍射有何区别？为什么光栅衍射的明纹特别明亮？
答：光栅由很多缝构成，在空间形成周期性结构，每一条缝都发生衍射现象在屏幕上呈现衍射图样，各个单缝发生的衍射光又是彼此相干的，所以
单缝和单缝之间还会产生干涉效应，总体的光栅衍射条纹是单缝衍射和缝间干涉的总效果。

因为N 个单缝衍射场之间相干叠加形成一种多光束干涉，使光栅衍射主峰强度为倍于单缝衍射在该处的强度，所以光栅衍射的明纹特别明亮。

11.光栅衍射光谱和棱镜光谱有和不同？
答：光栅和棱镜都是可以产生色散现象的分光器件，光栅光谱由衍射现象产生，零级无色散，不能分光，每一级正负各有一级光谱线，所以光栅光谱的能量利用率较低；而棱镜色散形成光谱是由于波长不同的光在棱镜中传播速度不同而产生不同的折射角，波长长的折射角小，波长短的折射角大，形成一套色散光谱线，相对强度较大。

在低级次的光栅光谱中，波长为λ的衍射光与相应的衍射角θ有近似的正比关系，即低级次光栅光谱的角色散率
θλ∆∆近似为常数，这样的光谱称为匀排光谱。

棱镜的角色散率θλ
∆∆随波长的增加而降低，光谱中的λ与θ成非线性关系，不是匀排光谱，所以光栅光谱更易于实现自动化和计算机控制。

光栅的分辨本领=R kN ，k 为谱线级次，N 为光栅被入射光实际照射的缝数。

当光栅常数d 一定时，谱线的级次N 越高，或被入射光实际照射的光栅宽度Nd 越大，则光栅对谱线的分辨本领越高。

棱镜的色分辨本领d d λ=n R b 与材料的色散率d d λ
n 和棱镜底边宽度b 有关，对于被光照宽度为=Nd b 的光栅，其色分辨本领比底边宽度同为b 的棱镜大得多。

12.一束光可能是自然光或线偏振光或部分偏振光，如何用实验来判断是哪
一种光？
答：用偏振片迎着入射光，并以入射光为轴将偏振片旋转一周，若出射光强无变化，则入射光为自然光；若出射光强出现两次最强两次消光现象，则入射光为线偏振光；若出射光强出现两强两弱，但无消光现象，则入射光为部分偏振光。

13.在杨氏双缝干涉实验装置的双缝后面均放置偏振片，若两偏振片的偏振化方向互相平行，这时屏上干涉条纹的极大值有何变化？若两偏振片的偏振化方向互相垂直，干涉条纹又有何变化？
答：若两偏振片的偏振化方向互相平行，则通过两偏振片后的光强将减小，使得屏上干涉条纹的极大值减小。

若两偏振片的偏振化方向互相垂直，则通过两偏振片后的光不满足光的相干条件，因此，屏上的干涉条纹将消失。