大学物理光的干涉和衍射共53页
第53讲 光的干涉、衍射和偏振 电磁波与相对论
第53讲光的干涉、衍射和偏振电磁波与相对论知识点一光的干涉1．产生条件两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样．2．两种典型的干涉(1)杨氏双缝干涉．①原理如图所示．②明、暗条纹的条件(Ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹．a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0、1、2，…)，光屏上出现明条纹．b．光的路程差Δr＝r2－r1＝(2k＋1)λ2(k＝0、1、2，…)，光屏上出现暗条纹．(Ⅱ)白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)．③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝ldλ.(2)薄膜干涉．①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波．②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等．单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹．知识点二光的衍射偏振1．光的衍射(1)发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显．(2)衍射条纹的特点：①单缝衍射和圆孔衍射图样的比较.②泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照到不透明(选填“透明”或“不透明”)的半径很小的小圆盘上时，在圆盘的阴影中心出现亮斑(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)．2．光的偏振现象(1)偏振光波只沿某一特定的方向的振动．(2)自然光太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光．(3)偏振光在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光．光的偏振证明光是横波．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光．知识点三电磁波与相对论1．电磁波的产生(1)麦克斯韦电磁场理论变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．(2)电磁场变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场．(3)电磁波电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波．①电磁波是横波，在空间传播不需要介质；②真空中电磁波的速度为3.0×108 m/s；③v＝λf对电磁波同样适用；④由磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．2．电磁波的发射和接收(1)发射电磁波的条件①要有足够高的振荡频率；②电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间．(2)调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程．(3)电磁波谱①定义：按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱．②电磁波谱的特性、应用3.狭义相对论(1)狭义相对论的两个基本假设①狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．②光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系．(2)相对论的质速关系①物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系：m＝m01－(v c)2.②物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0.4．相对论质能关系用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：E＝mc2.(1)光的干涉和衍射现象说明了光是波，也能说明光是横波．(×)(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使一束光变成两束完全相同的相干光．(√)(3)阳光在水面的反射光是偏振光．(√)(4)电磁波以一定的速度在空间传播，在传播过程中满足v＝λf.(√)(5)波长不同的电磁波在本质上不相同．(×)(6)电磁波同机械波一样能发生干涉、衍射、反射、折射等现象．(√)1．(多选)关于以下几种电磁波的作用，说法正确的是(ABD)A．用红外线热像仪检测发热病人，利用了物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同B．刑侦上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短，分辨率高C．红外遥感技术利用了红外线的显著热效应D．验钞机之所以利用紫外线验钞是因为紫外线具有荧光效应E．阴极射线是一种频率极高的电磁波解析：物体的温度越高，它辐射的红外线越强，波长越短，红外线热像仪利用物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同检测发热病人，选项A正确；因为紫外线波长短，用紫外线拍摄指纹照片，分辨率高，选项B正确；红外遥感技术利用灵敏的红外线探测仪接收的物体发射的红外线探知物体的特征，选项C错误；紫外线具有荧光效应，可使钞票上的荧光物质发光，选项D正确；阴极射线实际是高速电子流，E错误．2．(多选)下面有关光纤及光纤通信的说法正确的是(ABE) A．光纤由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大B．光在光纤中传输利用了全反射的原理C．光纤通信是一种以光波为传输介质的通信方式，光波按其波长长短，依次可分为红外线、可见光和紫外线，但红外线和紫外线属不可见光，它们都不可用来传输信息D．光波和无线电波同属电磁波，光波的频率比无线电波的频率低，波长比无线电波的波长长，在真空中传播的速度大小都约为3.0×108 m/sE．光纤通信的主要优点是容量大，此外，光纤传输还有衰减小、抗干扰性强等优点解析：发生全反射的条件是光必须从光密介质射入光疏介质，即从折射率大的介质射入折射率小的介质，且入射角大于临界角，当内芯的折射率比外套的折射率大时，光在界面上才能发生全反射，选项A、B正确；只要是光波，就能够在光导纤维中传播，不管是可见光还是不可见光，都可以用来传输信息，选项C错误；光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短，选项D错误；光纤通信的优点有容量大、衰减小、抗干扰性强等，选项E正确．3．(多选)下列说法正确的是(ACE)A．用光导纤维束传输图像和信息，利用了光的全反射原理B．紫外线比红外线更容易发生明显的衍射现象C．经过同一装置所得的干涉条纹，红光比绿光的条纹宽度大D．光的色散现象都是由于光的干涉现象引起的E．光的偏振现象说明光是一种横波解析：用光导纤维束传输图像和信息，利用了光的全反射原理，A正确；紫外线的频率比红外线的大，故波长比红外线的小，所以二者相比，红外线更容易发生明显的衍射现象，B错误；根据干涉条纹间距公式Δx＝ldλ知，波长越长，条纹间距越大，因为红光的波长大于绿光的波长，所以经过同一装置所得的干涉条纹，红光比绿光的条纹宽度大，C正确；光的折射、干涉都能引起光的色散，D错误；偏振是横波特有的，光的偏振现象说明光是横波，E正确．4．(多选)关于振动和波动，下列说法不可能的是(ACE)A．太阳光通过三棱镜形成彩色光谱是光的干涉现象B．在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物，可使景象更清晰C．无线电波的发射能力与频率有关，频率越高发射能力越弱D．一个单摆在海平面上的振动周期为T，那么将其放在某高山之巅，其振动周期一定变大E．根据单摆的周期公式T＝2πlg，在地面附近，如果l→∞，则其周期T→∞解析：太阳光通过三棱镜形成彩色光谱是光的折射现象，选项A错误；在照相机镜头前装上一个偏振滤光片，利用了光的偏振原理，当偏振片的方向与偏振光的方向平行时，允许偏振光通过，当它们相互垂直时，偏振光不能通过，在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物，可以减弱反射光，使照片清楚，选项B正确；无线电波的发射能力与频率有关，频率越高发射能力越强，选项C错误；单摆的周期公式T＝2πlg，当其放在某高山之巅时，因重力加速度变小，故其振动周期一定变大，选项D正确；根据单摆的周期公式T＝2πlg，在地面附近，如果l→∞，则重力加速度变化，故选项E错误．知识点一光的干涉、衍射及偏振1．光的干涉(1)明暗条纹的判断方法①单色光a．如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上P点的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)时，光屏上出现亮条纹．b．光的路程差r2－r1＝(2k＋1)λ2(k＝0,1,2，…)时，光屏上出现暗条纹．②白光：光屏上出现彩色条纹．③中央条纹为亮条纹．(2)双缝干涉条纹是等间距的相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离与波长成正比(装置已确定的情况下)．利用双缝干涉实验可测量光波的波长．(3)薄膜干涉①如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．②光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加．③原理分析单色光a．在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹．b．在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)λ2(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹．白光：薄膜上出现水平彩色条纹．(4)薄膜干涉的应用干涉法检查平面如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．2．光的干涉和衍射的比较(1)干涉和衍射的比较(2)对光的衍射的理解①干涉和衍射是波的特征，波长越长，干涉和衍射现象越明显．在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别．②衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看做是沿直线传播的．3．自然光与偏振光1．[光的干涉](多选)关于光的干涉，下列说法中正确的是(ABC)A．在双缝干涉现象里，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的B．在双缝干涉现象里，入射光波长变短，相邻两个明条纹间距将变窄C．只有频率相同的两列光波才能产生干涉D．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定E．频率不同的光不可能叠加解析：在双缝干涉现象中，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，入射光的波长越长，相邻两个明条纹的间距越大；两列波产生干涉时，频率必须相同，任何两列光波都能叠加．2．[衍射的应用] (多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同．观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是(AD)A．这里应用的是光的衍射现象B．这里应用的是光的干涉现象C．如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变粗D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细解析：由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，A、D正确．3．[光的偏振现象](多选)光的偏振现象说明光是横波．下列现象中能反映光的偏振特性的是(ABC)A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹解析：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特征，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象．知识点二实验：用双缝干涉测光的波长1．实验装置2．实验方法(1)根据公式Δx＝ldλ得λ＝dlΔx.(2)用刻度尺测出双缝到光屏的距离l，用测量头调节清晰的干涉条纹，测出n个亮纹间的距离a，则Δx＝an－1.双缝间距d是已知的，这样就可以计算出波长λ.3．实验步骤(1)将光源、单缝、遮光筒、毛玻璃屏依次安装在光具座上．(2)接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．(3)调节各器材的高度，使光源灯丝发出的一束光，能沿轴线到达光屏．(4)安装双缝，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5～10 cm，观察白光的干涉条纹．(5)在单缝和双缝间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹，安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．(6)使分划板中心刻线对齐某明(或暗)条纹的中央，记下手轮上的读数a1，转动手轮使分划板中心刻线移动，记下干涉条纹的条数n和移动后手轮的读数a2，a1与a2的差即为n条亮纹的间距．(7)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)．(8)重复测量、计算，求平均值作为波长的测量结果．(9)换用不同的滤光片，重复实验．4．注意事项(1)实验时应调整光源、单缝、双缝和光屏、测量头共轴，单缝和双缝安装时应竖直且相互平行，遮光筒的轴线要与光具座导轨平行．若不共轴或单缝与双缝不平行则会引起干涉条纹亮度小，不清晰，不便于观察和测量．(2)分划板上的刻线应与干涉条纹的亮(暗)线平行，否则会增大测量的误差．(3)双缝、测量头安装到遮光筒上时要装到底，使各部件的定位面紧密吻合，否则会影响测量结果．(4)双缝干涉演示仪的测量头有两种，一种相当于螺旋测微器，一种相当于游标卡尺，具体应用时要加以区别．(5)测量双缝至屏的距离l，要多次测量取平均值，同时要固定好双缝及屏，切勿松动．典例现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长．(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________、A.(2)本实验的实验步骤有：①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；③用米尺测量双缝到屏的距离；④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离．在操作步骤②时还应注意________和________．(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图甲所示．然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数________mm，求得相邻亮纹的间距Δx为________mm.(4)已知双缝间距d为2.0×10－4m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算公式λ＝________，求得所测红光波长为________mm.【解析】(1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、屏，因此应填：E、D、B.(2)单缝与双缝的间距为5～10 cm，使单缝与双缝相互平行．(3)甲图的读数为2.320 mm.乙图的读数为13.870 mmΔx ＝13.870－2.3206－1mm ＝2.310 mm (4)由Δx ＝l d λ可得：λ＝d l Δx可求出λ＝2.0×10－40.700×2.310 mm ＝6.6×10－4 mm. 【答案】 (1)E 、D 、B (2)单缝与双缝的间距为5～10 cm 使单缝与双缝相互平行(3)13.870 2.310 (4)d l Δx 6.6×10－4【突破攻略】 本题考查了实验仪器的安装、实验步骤及注意的问题．Δx 的测量和光的波长的计算．安装实验仪器要注意各种元件的安放顺序，实验步骤中需要牢记应注意的问题，另外还要准确掌握Δx 的测量方法和λ的计算方法．4．在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δx 1与绿光的干涉条纹间距Δx 2相比，Δx 1>Δx 2(填“>”“＝”或“<”)．若实验中红光的波长为630 nm ，双缝与屏幕的距离为1.00 m ，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5 mm ，则双缝之间的距离为0.3 mm.解析：双缝干涉条纹间距Δx ＝l d λ，红光波长长，所以红光的双缝干涉条纹间距较大，即Δx 1>Δx 2，相邻条纹间距Δx ＝10.5 mm 5＝2.1 mm ＝2.1×10－3 m ，根据Δx ＝l d λ可得d ＝lλΔx＝0.3 mm.5．(2019·湖北八校联考)在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，请按照题目要求回答下列问题．(1)图中甲、乙两图都是光的条纹形状示意图，其中干涉图样是甲．(2)将下表中的光学元件放在图丙所示的光具座上组装成用双缝干涉测光的波长的实验装置，并用此装置测量红光的波长．左至右，表示各光学元件的排列顺序应为CEDBA.(填写元件代号)(3)已知该装置中双缝间距d＝0.50 mm，双缝到光屏的距离L＝0.50 m，在光屏上得到的干涉图样如图甲所示，分划板在图中A位置时游标卡尺如图乙所示，则其示数为111.10 mm；在B位置时游标卡尺如图丙所示．由以上所测数据可以得出形成此干涉图样的单色光的波长为6.2×10－7 m.解析：(1)图甲中的条纹间距和宽度相同，是干涉图样，图乙是衍射图样．(2)光源发出的白光，各种频率都有，加上E后通过的只有红光了，变成单色光，加上D和B，就得到两列频率相同、步调一致的相干光，最后放置光屏，干涉条纹呈现在光屏上，所以顺序为CEDBA.(3)A位置的示数为111.10 mm，B位置的示数为115.45 mm，图甲中AB之间的距离为(115.45－111.10) mm＝4.35 mm，则相邻条纹的间距为Δx＝4.357 mm，再根据公式Δx＝Ldλ，代入数据得波长为6.2×10－7 m.6．用双缝干涉测光的波长．实验装置如图甲所示，已知单缝与双缝间的距离L1＝100 mm，双缝与屏的距离L2＝600 mm，单缝宽d1＝0.10 mm，双缝间距d2＝0.20 mm.用测量头来测量光屏上干涉亮条纹到中心的距离．测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准屏上亮纹的中心(如图乙所示)，记下此时手轮上的读数为0.640 mm，转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮纹的中心(如图丙所示)，记下此时手轮上的读数10.295 mm.由此可以计算出这次实验中所测得的单色光的波长 5.4×10－7 m(结果保留两位有效数字)．在本实验中如果增大双缝与屏的距离，则光屏上得到的条纹间距增大(选填“增大”“减小”或“不变”)．解析：图丙中螺旋测微器的固定刻度读数为10.0 mm ，可动刻度读数为0.01×29.5 mm ＝0.295 mm ，所以最终读数为(10.0＋0.295) mm ＝10.295 mm.根据双缝干涉条纹的间距公式Δx ＝L d λ得，λ＝Δxd L ＝d (x 2－x 1)(7－1)L＝0.2×10－3×(10.295－0.640)×10－36×600×10－3m ＝5.4×10－7 m. 若将双缝到屏的距离增大，即L 增大，则条纹间距变大．知识点三 电磁场和电磁波1．对麦克斯韦电磁场理论的理解2．对电磁波的理解(1)电磁波是横波．电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示．(2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度只与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关．3．电磁波谱分析及应用特别提醒：(1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性．其中波长较长的无线电波和红外线等，易发生干涉、衍射现象；波长较短的紫外线、X射线、γ射线等，穿透能力较强．(2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠，但它们产生的机理不同．7．(多选)下列说法正确的是(BCD)A．根据麦克斯韦的电磁场理论，在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场B．发射电磁波的两个重要条件是采用高频和开放性LC电路C．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象D．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播E．电磁波只能在真空中传播，因此当电磁波遇到介质时，会被介质挡住解析：在均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，在均匀变化的磁场周围产生恒定的电场，选项A错误；发射电磁波时必须采用高能量且要有尽可能大的空间传播电磁波，所以选项B正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，这些特性都具有，选项C正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远地传播形成的，所以电磁波传播不需要介质，选项D正确；电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，选项E错误．8．(多选)关于电磁波谱，下列说法不正确的是(BDE)A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波B．紫外线的频率比可见光的低，长时间照射可以促进钙的吸收，改善身体健康C．X射线和γ射线的波长比较短，穿透力比较强D．红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线E．频率越高的电磁波在真空中传播的速度越快解析：无线电波的波长长，易发生衍射现象，A正确．紫外线的频率比可见光的高，B错误．X射线和γ射线的波长比较短，其穿透力强，常用于人体拍片和检查金属零件缺陷，故C正确．任何物体都能辐射红外线，D错误．不同频率的电磁波在真空中传播速度相同，E错误．9．(2016·全国卷Ⅱ)(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(ABC)A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失解析：电磁波在真空中传播速度不变，与频率无关，选项A正确；电磁波由周期性变化的电场和变化的磁场互相激发得到，选项B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，选项C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，选项D错误；电磁波具有能量，电磁振荡停止后，已形成的电磁波仍会在介质或真空中继续传播，选项E错误．知识点四狭义相对论的简单应用1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系．相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．2．光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件．3．狭义相对论认为物体的质量m与物体的速度v有关，其关系式为m＝m01－(v c)2.4．对“长度的相对性”的理解：狭义相对论中的长度公式：l＝l01－(vc)2中，l是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可认为杆沿杆的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测出的杆的长度，还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v 运动时测出的杆的长度．5．对“时间间隔的相对性”的理解：时间间隔的相对性公式Δt＝Δτ1－(vc)2中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt则是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔．也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这就是狭义相对论中的时间膨胀．(动钟变慢)10．(2019·成都模拟)(多选)对于公式m＝m01－(vc)2，下列说法中正确的是(CD)A．公式中的m0是物体以速度v运动时的质量B．当物体运动速度为v0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用C．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微弱，经典力。
光的干涉-大学物理课件
相干长度—
M
kM
2
：中心波 长
c1 S
S1 b1
aa·12P
c1 S
b1 S1
a1·P a2
b2
c2 S b2
c2 S2
只有同一波列 分成的两部分， 经过不同的路 程再相遇时，
2
能干涉
不能干涉
才能发生干涉。
上图表明，波列长度就是相干长度。 21
普通单色光：
：103 — 101 nm M ：103 — 101 m
（可用来定0级位置），其余级明纹构成彩带，
第2级开始出现重叠（为什么？）
13
红光入射的杨氏双缝干涉照片 白光入射的杨氏双缝干涉照片
14
二 . 光强公式
I I1 I2 2 I1I2 cos ， 若 I1 = I2 = I0 ，
则
I
4I0
cos2
2
I
光强曲线
4I0
( d sin 2 )
-4 -2 0 2 4
1.22 570109 2 103 rad 0.047
d0
3.07
31
§3.5 光程（optical path）
一. 光程 为方便计算光经过不同介质时引起的相差，
引入光程的概念。
真空中：a
·
b·
r
b
a
r
2
─真空中波长
介质中： a· b· n
b
a
r
2
r 介质 ─ 介质中波长
u c / n c / nn
光的干涉、衍射、偏振
1
光学是研究光的传播以及它和物质相互作用 问题的学科。
光学通常分为以下三个部分： ▲ 几 何 光 学 ：以光的直线传播规律为基础，主要
大学物理第3章光的干涉精品PPT课件
sin
2
解 计算波程差
r AC BC
2 AC(1 cos 2)
2
AC h sin 极大时 r k
2 1
BC
2
h
A
sin (2k 1)
4h
取 k 1
1
arcsin
4h
注意
1
arcsin
20.010-2 m 4 0.5 m
5.74
考虑半波损失时，附加波程差取 / 2
均可，符号不同，k 取值不同，对问题实
此时
V Imax Imin 1 I max I min
条纹明暗对比鲜明
•当I1=I2时,
Imin 0
条纹明暗对比差
I Imin
I 4I0
2I0
-4 -2 0 2 4
-4 -2 0 2 4
•若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。
在屏幕上x=0处各种波长的波程 差均为零，各种波长的零级条纹发生 重叠，形成白色明纹。由于各色光的 波长不同，其极大所出现的位置错开 而变成彩色的，且各种颜色级次稍高 的条纹将发生重叠而模糊不清。
u
★光程
★光程差
一、光程 光程差
• 真空中 • 媒质中
真
b
a
2
d
─真空中波长
媒
b
a
2 n
d
n─媒质中波长
a· λ b·
d
a· λn
n
b·
d
媒质
由波的折射定律
n21
u1 u2
c u2
u2
c n
n
即：n
c nv
nv
n
媒
2
nd
【高等教育】大学物理光的干涉与衍射课件
设 入射光垂直入射， d << D ，x << D
r2 r1 d sin
( θ 称为 衍射角 )
x
S1 do
r1
p
r2 x
o
sin
tg
x D
S2
D
2k
明纹
r2
r1
d
x D
2
(2k 1) 暗纹
2
Chapter 11作者光：杨的茂干田涉与衍射
明纹位置： xk
二、普通光源的时间相干性与空间相干性
时间相干性：因波列长度短即原子发光间歇性引起的。
空间相干性：因各原子
发光的独立性，光源上
p S1
各部分发出的光子具有
S S
不同的特性，使得p点
S2
干涉特性不定。
Chapter 11作者光：杨的茂干田涉与衍射
三、相干光的获得方法
1. 分波阵面法： ▲ 相干波源S1、S2位于
d
o
I1 I2 I0
Ip
4I0
cos2 (
2
)
S2
D
2
(r2
r1 )
Ipmin 0 Ip Ipmax 4I0
与p点位置有关！
Chapter 11作者光：杨的茂干田涉与衍射
2k
Ip Ipmax 干涉加强
(2k 1) Ip Ipmin 干涉减弱
明纹 暗纹
( k 0, 1, 2, )
3. 光程 L 及光程差 δ : L nr
4.
光程差与位相差间的关系：
2 0
( 请看录像 )
Chapter 11作者光：杨的茂干田涉与衍射
2 杨氏双缝干涉
光的衍射与干涉现象
应用实例分析
通过双缝干涉的应用 实例分析，可以更深 入地理解光的衍射与 干涉现象，进一步推 动光学领域的发展。
● 04
第四章 多缝衍射与干涉
多缝衍射现象
多缝衍射是指光波通 过多个狭缝后产生的 衍射效应。其特点包 括更为复杂的衍射图 样以及更细密的衍射 条纹，这种现象在光 学领域中具有重要意 义。
夫琅禾费方程
数学模型描述 角度计算应用
器件应用
光栅 夹杂镜 衍射光栅
单缝衍射总结
单缝衍射作为光学现象的重要分支，研究其特性 与应用具有重要意义。探索衍射背后的物理规律， 可推动光学领域的发展与创新，对光学器件设计 与实验具有指导意义。
● 03
第三章 双缝干涉
杨氏双缝实验
杨氏双缝实验是用来观察双缝干涉现象的经典实 验。实验中通过双缝产生的干涉条纹可以证明光 的波动性。
波导光子学器件
光电调制器 件
实现光信号的调 制
波导阵列
用于光通信中的 阵列传输
波导耦合器
实现波导之间的 耦合传输
传感器件
用于光学传感应 用
光子晶体
01 光子晶体结构
具有周期性的光学结构
02 光子带隙
在光子晶体中的能带结构
03 光子晶体应用
在光通信、光子计算中的应用场景
衍射与干涉在波导光子学中的作用
光学器件自 适应性
提升器件适应多 变光学环境
Hale Waihona Puke 非均匀介质 中的干涉效应
问题：光波传播 难点
展望未来
01 光子计算
推动量子计算发展
02 光学传感
实现高精度环境监测
03 光通信
提升信息传输速度
感谢致辞
感谢各位专家学者的 指导和支持，让我们 能够深入了解光的衍 射与干涉现象。希望 通过不懈的努力，我 们能共同推动光学领 域的发展和进步。在 这个光明的未来里， 光学技术必将发挥更 加重要的作用，创造 更加美好的世界。
《大学物理课件光的衍射与干涉实验》
衍射和干涉有什么区别
衍射是单一光源通过孔径后的现象，产生光的自然弯曲。而干涉则是两个或 多个光源产生的波面叠加现象，形成明暗相间的条纹。
光的波粒二象性
光既表现出波动性，如干涉和衍射，又表现出粒子性，如光电效应。这种波 粒二象性为解释光的行为提供了全新的视角。
杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉实验是展示光的干涉现象的经典实验。通过两个缝隙让光通过， 观察干涉条纹的产生和分布。
干涉色
干涉色是光的干涉现象中产生的彩色条纹。干涉色出现的原因是不同波长的光在叠加时出现相位差。
米氏干涉仪的结构和原理
米氏干涉仪通过两个半透明镜片制作，可以产生干涉条纹，并用于测量光的 波长和薄膜的厚度。
米氏干涉仪的应用
米氏干涉仪广泛应用于光学测量、干涉仪器、精密加工等领域，用于测量光 的相位差及物体表面形貌。
薄膜干涉和牛顿环实验
薄膜干涉和牛顿环实验是观察干涉色和薄膜特性的实验。光在薄膜表面反射和透射时产生干涉，形成明亮和暗 的环状条纹。
马赫-曾德干涉仪的原理和应用
马赫-曾德干涉仪是一种能测量物体形貌和光波前差的实验装置。通过两束光 线的干涉，可以观察到波前干涉条纹。
量子力学中的双缝实验
量子力学中的双缝实验是用于研究量子粒子行为的经典实验之一。通过分子 束的双缝干涉，观测到粒子的波动性。
双缝干涉实验的现象和解释
双缝干涉实验中光线通过双缝产生干涉，形成一系列交替明暗的干涉条纹。 这一现象可以通过波动理论进行解释。
单缝衍射实验
单缝衍射实验是研究光的衍射特性的经典实验。将光通过一个狭缝后，观察 到光的扩散和形成衍射图案。
单缝衍射的现象和解释
单缝衍射实验中光线通过单一狭缝产生衍射，形成中央明亮，周围暗的衍射图案。这一现象也可由波动理论解 释。
光的干涉、衍射和偏振现象ppt课件
•
自然光通过偏振片后就变成了偏振光，这是偏振光产生的一 个方法，答案A正确；立体电影是两偏振光同时放出，属于光的 偏振现象，答案B正确；在拍摄日落时水面、池中的鱼等景象时， 可在镜头前装一偏振滤光片，这样做可以减少反射光的干扰，使 图像清晰，答案C正确；D选项中反射与折射光都是偏振的，但 偏振方向不同.选D.
A.这是光的干涉现象 B.这是光的折射现象 C.如果屏上条纹变宽， 表明抽制的丝变粗 D.如果屏上条纹变宽， 表明抽制的丝变细
图12-2-5
这是光的衍射现象产生的，在屏上产生的条纹的宽度与抽制 的丝的粗细有关，由衍射现象的特点可知，抽制的丝越细，则屏 上条纹越宽，本题的正确答案是选项D. • 这种细丝的衍射现象与单狭缝的衍射相似，可以借鉴其结论 进行解释. •
点评
• 变式训练1：如图12-2-4所示是研究光的双缝干涉的示意图， 挡板上有两条狭缝S1、S2，由S1和S2发出的两列波到达屏上时 会产生干涉条纹，已知入射激光的波长为λ ，屏上的P点到两缝 S1和S2的距离相等，如果把P处的亮条纹记作第0号亮纹，由P 向上数，与0号亮纹相邻的亮纹为1号亮纹，与1号亮纹相邻的 亮纹为2号亮纹，则P1处的亮纹恰好是10号亮纹.设直线S1P1的 长度为r1，S2P1的长度为r2，
电磁波
• (2) 用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播 赫兹 ，并且证明了电磁波也能产生反射、 速度确实等于 折射、干涉、衍射等现象，这就从实验上证实了光是一 种 . 光速 • (3)光的电磁说的重要意义是确定了光的电磁本质 . • 6.光的偏振 • (1)只有 波才能发生偏振现象，光的偏振现象表明光是一 电磁波 种 波.
• 由光的频率ν =6.0×1014Hz，知光的波长λ =c/ν =5×10-7m • P点到双缝S1、S2的距离之差Δ s1=0.75μ m=7.5×10-7m=1.5λ • Q点到双缝S1、S2的距离之差Δ s2=1.5μ m=15×10-7m=3λ ，因此， P点出现暗纹，Q点出现亮纹，本题的正确答案是选项B. • 在两相干波相遇的区域中，判断各点的明暗情况是通过该点 到两缝的路程差的大小与波长的关系进行判断的.
光的干涉和衍射 ppt课件
ppt课件
13
干涉法检查表面的平整程度：
ppt课件
14
光的干涉
薄膜干涉
增透膜：在透镜表面涂上一层薄膜，当薄膜的厚 度等于入射光的在薄膜中的波长的1/4时，从薄 膜前后两表面反射回来的光的路程差恰好等于半 个波长，它们干涉相消，减小了反射光的能量， 增强了透射光的能量，称为增透膜。
ppt课件
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1、下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是 A．单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源 B．双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源 C．光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出 现暗条纹 D．在光屏上能看到光的干涉图样，但在双缝与光屏 之间的空间却没有干涉发生
ppt课件
36
防伪
• 利用光的衍射现象制作出来的全息衍射防伪标 记。由于防伪标记利用了全息摄像技术，所以 制作成本和难度都较高，能有力的保护消费者 不买到假冒伪劣商品。
干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。
白光的干涉图样：
ppt课件
11
光的干涉
薄膜干涉
让一束光经薄膜的两个表面反射 后，形成的两束反射光产生的干涉 现象叫薄膜干涉．
实验演示
ppt课件
12
请问（1）薄膜干涉中的相干光源来自于 哪里？
薄膜的前后两个反射面
（2）怎样观察才能看到干涉图样？
人与火焰同侧（入射光侧） 薄膜干涉在生产技术中的应用： 用干涉法检查表面是否平整 、增透膜
ppt课件
18
光的衍射
ppt课件
19
机械波的衍射
水波、声波都会发生衍射现象，它ppt们课件发生衍射的现象特征是什么？
20
光的衍射
光可以绕过障碍物继续传播的现象叫光的衍射
大学物理-光的干涉和衍射
(k = 0,1,2,......) 1 ± (k + )λ 暗纹 2
± kλ
明纹
12
r1
s1 s
x p
K=2 K=1 K=0 K=-1
x
*
d s2
r2
L
o
图20-4
K=-2
建立坐标系,将条纹位置用坐标x来表达最方便. 来表达最方便. 建立坐标系,将条纹位置用坐标 来表达最方便 r12=L2+(x-d/2)2, r22=L2+(x+d/2)2 考虑到Ld, r1+r2≈2L,于是明暗纹条件可写为 考虑到 于是明暗纹条件可写为
例题20-1 双缝间的距离 双缝间的距离d=0.25mm,双缝到屏幕的 例题 双缝到屏幕的 距离L=50cm,用波长 用波长4000~7000的白光照射双缝, 的白光照射双缝, 距离 用波长 的白光照射双缝 求第2级明纹彩色带 级明纹彩色带(第 级光谱 的宽度. 级光谱)的宽度 求第 级明纹彩色带 第2级光谱 的宽度. 所求第2级明纹彩色带 级明纹彩色带(光 解 所求第 级明纹彩色带 光 k=2 x 的宽度实际上是7000的第 级 的第2级 谱)的宽度实际上是 的宽度实际上是 的第 亮纹和4000的的第 级亮纹之间 的的第2级亮纹之间 亮纹和 的的第 k=1 的距离d. 的距离 . k=0 Lλ Lλ 明纹坐标为 x = k k=-1 d 代入:d=0.25mm, L=500mm, λ2=7×10-4mm , 代入: × 得 λ1= 4 ×10-4mm得: x =1.2mm
光程差
δ=
± kλ
1 ± (k + )λ 2
明纹 暗纹
(k = 0,1,2,......)
9
4.薄透镜不产生附加程差
光的干涉和衍射课件
定量分析和研究衍射现象，并了解最小分辨角的概念。
应用和发展
光学仪器中的应用
探讨干涉和衍射在光学仪器中 的应用，如干涉仪、衍射光栅 和激光技术。
光的快速信号处理
了解干涉和衍射在光的快速信 号处理中的重要性和应用领域。
大规模光电集成技术
研究光电集成技术中干涉和衍 射的创新应用，如光子芯片和 光学通信。
光的干涉和衍射
光的干涉和衍射是光学中重要的现象，影响着现代科技的发展。本课件将介 绍干涉和衍射的基本概念和原理，以及它们在光学仪器和光电集成技术中的 应用。
介绍
光的干涉和衍射的基本概念
了解光的干涉和衍射是什么，以及它们是如何 发生的。
为什么会产生干涉和衍射现象
探索干涉和衍射现象产生的原因和背后的物理 学原理。
结论
1 本课程的主要内容回顾和总结
回顾本课程涵盖的主要内容，对光的干涉和衍射进行总结。
2 干涉和衍射在现代科技中的应用前景
展望干涉和衍射在现代科技中的应干涉
探索通过单色光引起的干涉现象，如条纹、等倾干涉和等厚干涉。
2 多色光的干涉
了解多色光在干涉中的表现，包括纵向色散和横向色散。
光的衍射
1
衍射的基本原理和公式
了解衍射现象的基本原理和数学公式，并将其应用于衍射实验。
2
衍射实验
探索如何进行衍射实验，观察衍射光的特性。
3
衍射光的性质
大学物理：20光的干涉和衍射
§20-3 薄膜的等倾干涉
42
§20-3 薄膜的等倾干涉
43
§20-3 薄膜的等倾干涉
一、光程差
P Q
2、3间光程差：
1
2
n2 (ab bc) n1ad n1
其中： n2
i
a
d
i
c
3 e
ad ac sin i 2e tan sin i n2 > n1
b
ab bc e
cos
间有附加位相差。
2e
2 d
3
a
c
e
b
n22
n12
sin 2
i
2
48
二、薄膜干涉条件
I 2I0 (1 cos )
1、干涉加强
2e n22
n12
sin 2
i
2
2、干涉减弱
k
k 1,2,
2π
2e
n22
n12
sin 2
i
2
(2k
1)
2
k 0,1,2,
2e
n22
n12
sin 2
(xd / 2)2 2D
d
x D
r2,1
D2
(xd / 2)2
1/2
D1
(x
d / 2)2 2D2
I I1 I2 2 I1I2 cos
20 10 k (r2 r1)
25
二、双缝干涉图案计算
r 1
·p x x
单色光入射
d
r2
x o x0
x
I
D >> d , x (d 10-4m, D 1 m) D
到在水面反射时存在