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.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.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

K

A

B

L C

A B

d

d

i q

L V V

t C

==

-

2

2

d1

d

q

q

t LC

=-

d

d

q

i

t

=

2

2

2

d

d

q

q o

t

ω

+=

2

1

LC

ω

=

其解为

无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化

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。 二、电磁波的发射

变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波。

不同时刻振荡电偶极子 振荡电偶极子附近的电磁场线

三、电磁波的传播

在一闭合式LC 振荡电路旁边耦合一个开放式振荡电路作为发射天线，当LC 振荡电路中有

振荡电流时，就在旁边开放式振荡电路激起交变电流，交变电流在自己周围激发交变的涡旋磁场，涡旋磁场在自己周围激发交变的涡旋电场，交变的涡旋磁场和电场相互激发，闭合的

0cos()

q Q ω t ϕ=+00d sin()d π

cos(2

q

i Q t t

I t ωωϕωϕ=

=-+=++2T =ν=

0cos p p t

ω=

磁感线就像链条一样一环一环的套联下去，在空间传播开来，形成电磁波。 电场、磁场的方向

磁场激发电场：左手定则 电场激发磁场：右手定则

四、平面简谐电磁波的波动方程

五、电磁波的特性

1 电磁波是横波

2 E 和H 同相位 ;

3 E 和H 数值成比例

4）电磁波传播速度

真空中的波速等于真空中的光速 六、光是电磁波 光是频率介于某一围之的电磁波

1 可见光的围

2 真空中电磁波的传播速度是一恒量，用c 表示

=2.99792458×108m ·s-1

E

H

x

o

u

B

E

u

0cos ()

x

E E t u

ω=-0cos ()

x

H H t u

ω=-1414:400~760nm :7.510~4.310Hz λν⨯⨯00

c u ε=E u

⊥B u ⊥B E

εμ

=u με

=800

2.99810m

u c s με===⨯B E

⊥

3 光在透明介质中传播时，光速、频率与波长的关系为

七、光矢量 光强

1 光矢量

在光波中，对人的眼睛或感光仪器(如照相机底片)起作用的主要是电场强度E ，因此，把电场强度E 称为光矢量。光矢量的振动称为光振动。用A 表示光矢量的振幅。 2光强

单位时间，通过垂直于光的传播方向单位面积上的平均光能，称为光强，用I 表示。

光强与光矢量的振幅的平方成正比

212I

=c n u =

==n u λν=n n

λλ=

第2课 相干光 氏双缝干涉实验

教学目标：1.了解获得相干光的方法；

2.能分析、确定氏双缝干涉条纹的特点（干涉加强、干涉减弱的条件及明、暗条

纹的分布规律）。

教学重点：氏双缝干涉条纹的特点 教学难点：相干条件

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： 一、相干光的获得

1、光矢量：E

2、光的相干条件： 同频率、同振动方向、相位差恒定 干光的获得（近代用激光光源） 分波阵面法 分振幅法

4、相干叠加和非相干叠加 非相干叠加和相干叠加

)

r t cos(E E λ

πϕω1

11012-

+=

)

r t cos(E E λ

πϕω2

22022-

+=

)]

r r cos[E E E E E 1212201022021022--

=（－＋＋λ

π

ϕϕ

相位差：)

r r 12122--=（－λπ

ϕϕϕ∆

非相干叠加：ϕ∆随机变化，

2

2021021E E I I I ＋＝＋= 相干叠加：ϕ∆恒定，

ϕ∆cos I I I I I 21212＋＋=

ππ

ϕ∆)k (k {

122+±±= 042212

121212121==−−→−==I I I I I I I I I I I I I I I ＝－＋＋＋

二、分割波面法产生的光的干涉 1、氏双缝实验（1807年） 实验目的：验证光的波动性； 实验装置：a D 2>>