大学物理课件 光的干涉

光学是物质结构分析、天文观测、精密测量、 信息传递等方面的重要学科基础
托马斯•杨
科学史上最漂亮的10个物理实验
1.单电子双缝干涉实验（Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons） 2.伽利略的落体实验（Galileo's experiment on falling bodies），1600s 3.密立根油滴实验（Millikan's oil-drop experiment），1910s 4.牛顿三棱镜分光实验（Newton's decomposition of sunlight with a prism），1665-1666 5.杨氏干涉实验（Young's light-interference experiment），1801 6.卡文迪什扭摆实验测量万有引力常数（Cavendish's torsion-bar experiment），1798 7.厄拉多塞测量地球的直径（Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference），公元前三世纪 8.伽利略斜面实验（Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes），1600s 9.卢瑟福散射实验（Rutherford's discovery of the nucleus），1911 10.傅科摆（Foucault's pendulum），1851
• 干涉条纹位置推导
➢ S1、S2 相对于 S
等距，故初相相同
➢屏上任一点P，
波程差为 r2 r1
D d
r1
S1
r
X
P
r2
x
➢任意时刻P点
d
O
振动的相位差为
2 2 r2 r1
S2
D
2 2 r2 r1
根据干涉相长和相消条件，有
(1) 2k，k 1，2，3...
D d
亮条纹位置： x k D k 0,1,2,3...
d
暗条纹位置： x (2k 1) D k 0,1,2,3...
d2
（1）屏中央 x 0 (k 0) 处为0级亮纹
（2）0级亮纹两侧对称交替分布各级亮纹和暗纹
（3）任意相邻亮（暗）条纹间距相等：x
xk 1
xk
D d
➢波长 一定时，缝宽 d越小，条纹间距越宽
xd
D
X P
x
O
亮纹位置
k
x k D
d
xd
D k 0,1,2,3...
D d
r1
S1
r
r2
d
S2
D
暗纹位置
(2k 1)
2
x (2k 1) D
d2
k 0,1,2,3...
XX P
2级明纹
x
1级暗纹 1级明纹
I O
0级暗纹
0级明纹 -0级暗纹
-1级明纹 -1级暗纹
-2级明纹
由于小（0.4m ~ 0.76m),只有d小，D大，
x才较大，才能被眼睛分辨，否则不可分辨。
x
xk 1
xk
D d
➢缝宽 d一定时，波长 越长，条纹间距越宽
对同一装置，不同，x不同，不同颜色光的干涉条
纹不重合，但中央明纹仍在中心。
用复合光（白光)照射，会出现彩色条纹
2红 3紫 2绿 2紫 1红 1绿 1紫 中央明纹 (白色） -1紫 --11红绿 -2紫 -2绿 -3紫 -2红
本章难点： 光程，薄膜上下表面反射光程差.
内容
§10.1 光的相干性
§10.3.1 光程
§10.2 分波前干涉
§10.3.2 薄膜干涉
§10.2.1 双缝干涉实验
§10.3.3 等厚干涉
§10.2.2 双缝干涉的光强分布 §10.3.4 牛顿环
§10.2.3 其他分波前干涉方法 §10.3.5 增透膜与增反膜
§10.3 分振幅干涉
§10.4 迈克尔逊干涉仪
§10.1 光的相干性
Baidu Nhomakorabea
热光源——白炽灯、太阳
普通光源
光源
冷光源——日光灯、荧光灯、萤火虫
激光光源
S
t
激
En 普通光源的光波：
发
态
➢同时刻大量原子发光的总和
基态 原子能级及发光跃迁
➢各原子简谐性独立发光 ➢两次发光之间没有固定相差
• 普通光源的相干性
r1
S1 r
X P
r2
x
即 k时，干涉相长， d
O
形成明条纹。
(2) (2k 1)，k 1，2，3... S2
D
即 (2k 1) 时，干涉相消，形成暗条纹。
2
(3) 屏中央O点是亮点，此时 0。
D d
r1
S1
r
X
P
r2
x
d
O
S2
D
下面推导OP（即x）与条纹位置关系
由图有：
r12
D2
第三篇 波动光学
概述
• 光学——研究光的本性、光的传播、光与物质相 互作用规律的学科
几何光学：光的传播及成像 光学 波动光学：光作为电磁波的性质
量子光学：光量子的行为
• 波动光学的发展
光的微粒说 光的波动说 双缝干涉实验 波动光学 惠—菲原理
精密测量
光谱学
光的电磁 波理论
量子光学 信息光学 激光 非线性光学
——《物理学世界》 2002.9.
本章教学要求： ➢理解获得相干光的方法。 ➢掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。 ➢能分析、确定杨氏双缝干涉条纹，及薄膜等厚干涉条 纹的位置。 ➢了解迈克耳孙干涉仪的工作原理。
本章重点： 相干光。光程的概念以及光程差和相位差的关系。杨氏 双缝干涉，薄膜等厚干涉。
波的相干条件： 振动方向相同
S1 4 3 2
1
频率相同 相位相同或相位差恒定
S2 4′
3′
2′
P 1′
波的相干现象：合振动强度在空间周期性变化
相应波列1-1’,2-2’,3-3’,4-4’…
相差不能保持恒定 其振动方向也可能不同
P点的光强瞬时万变，因 而看不到干涉现象，只 有平均光强，I=I1+I2
x
d 2
2
r22
D2
x
d 2
2
r22
D2
x
d 2
2
r12
D2
x
d 2
2
两式相减，有
D d
S1
r1
r
r2
d
r22 r12
x
d 2
2
x
d 2
2
2xd
S2
D
即 (r2 r1 )(r2 r1 ) (r2 r1 ) 2xd
令D d，有r2 r1 2D,从而有：
• 相干光的获得 将非相干光变为相干光的原则是：
“同出一源，分之为二”
波阵面分割法
振幅分割法
s1
光源*
s2
§10.2 分波前干涉
§10.2.1 双缝干涉实验 • 光是波吗？如果是——干涉现象
r1
S1
S
r2
S2
单
缝双
缝
屏
X ➢从 S1, S2射出
的是相干光
I ➢若光是波，在 屏上会观察到干 涉条纹