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

K A B

L C A B d d i q

L V V t C ==-22d 1d q q t LC =-d d q i t =222d d q q o t ω+=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。

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

0Q + 0

Q C

L - + 振荡电偶极子

+

-

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

光是频率介于某一范围之内的电磁波 1 可见光的范围

2 真空中电磁波的传播速度是一恒量，用c 表示

×108m·s -1

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

单位时间内，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 =1414:400~760nm

:7.510~4.310Hz λν⨯⨯E u ⊥B u ⊥B E ε=B E

⊥

第2课 相干光 杨氏双缝干涉实验

教学目标：1.了解获得相干光的方法；

2.能分析、确定杨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：杨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 相位差：)r r 12122--=（－λπϕϕϕ∆

非相干叠加：ϕ∆随机变化，

22021021E E I I I ＋＝＋= 相干叠加：ϕ∆恒定，ϕ∆cos I I I I I 21212＋＋=

二、分割波面法产生的光的干涉

1、杨氏双缝实验（1807年）

实验目的：验证光的波动性；

实验装置：a D 2>>

干涉条纹是以0P 点为对称点，明暗相间分布的，0P 处为中央明纹，相邻明纹间及相邻暗纹间间距相等；

对不同的波长，相邻条纹间距不等，λ大，x ∆大，条纹疏；λ小，x ∆小，条纹密；

用白光做光源，则中央明纹白色，两侧某一级条纹为由紫而红的彩条带。 缺点：要使1S 、2S 处有相同的相位，S 、1S 、2S 都必须很窄，通过狭缝的光强太弱，条纹不够清晰。

理论计算：

① 明暗纹位置：

② 干涉条纹的间距 ： )a /(D x 2λ∆=

讨论：当白光照射时，白光照射时各种波长的光在0x =处均是零级明纹中心，所以中央明纹仍为白光。两侧各级明纹由于各种单色光波长不同，将会形成内紫外红的彩色光谱。