《大学物理课件：12-2,3 光源 单色光 相干光》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理课件：12-2,3 光源 单色光 相干光（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1一一光的干涉光的干涉12-2 12-2 12-2 12-2 光源光源光源光源 单色光单色光单色光单色光 相干光相干光相干光相干光12-3 12-3 12-3 12-3 双缝干涉双缝干涉双缝干涉双缝干涉12-4 12-4 12-4 12-4 光程与光程差光程与光程差光程与光程差光程与光程差12-5 12-5 12-5 12-5 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉12-6 12-6 12-6 12-6 迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪212-2 12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光1.1.光源，相干光源光源，相干光源发射光波的物体称为发射光波的物体称为光源光源。光
2、源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子. . = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L = c光源的发光机理：光源的发光机理： 原子原子原子原子原子原子吸收外界能量后吸收外界能量后吸收外界能量后吸收外界能量后吸收外界能量后吸收外界能量后处于不稳定的激发态，它在回到处于不稳定的激发态，它在回到处于不稳定的激发态，它在回到处于不稳定的激发态，它在回到处于不稳定的激发态，它在回到处于不稳定的激发态，它在回到低激发态或基态的过程中向外发射光波。发射的光波是一低激发态或基态的过程中向外发射光波。发射的光波是一低激发态或基态的过程中向外发射光波
3、。发射的光波是一低激发态或基态的过程中向外发射光波。发射的光波是一低激发态或基态的过程中向外发射光波。发射的光波是一低激发态或基态的过程中向外发射光波。发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列段频率一定、振动方向一定、有限长度的光波列. . . . . .3位相、振动方向位相、振动方向独立独立（同一原子不同时刻发的光）（同一原子不同时刻发的光）频频率率、位位相相、振振动动方方向向独独立立 ( (不同原子同一时刻发
4、的光不同原子同一时刻发的光) )激光光源：激光光源：受激辐射受激辐射E1E2 发射与外来光子完全一发射与外来光子完全一样样( (频率、位相、振动方频率、位相、振动方向、传播方向向、传播方向) )的光子的光子 = (E2-E1)/h 普通光源普通光源：自发辐射自发辐射，即发光物质中各原子自发地、即发光物质中各原子自发地、独立地辐射，各辐射光子的频率、独立地辐射，各辐射光子的频率、位相、振动方向、传播位相、振动方向、传播方向没有确定关系，是不相干光方向没有确定关系，是不相干光.42. 可见光与单色光可见光与单色光5单色光单色光: :具有单一频率的光波具有单一频率的光波光是电磁波光是电磁波, ,可见
5、光是能引起人的视觉的那部分电磁波可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波准单色光准单色光: :光波中只包含波长光波中只包含波长（频率）范围很窄的成分的光。（频率）范围很窄的成分的光。谱线宽度谱线宽度光谱曲线光谱曲线强强度度4000紫紫7600红红7.5107.5101414HzHz3.9103.9101414HzHz复色光复色光: :不同频率单色光的混合光不同频率单色光的混合光任何光源发出的光都有一定的频任何光源发出的光都有一定的频率范围率范围, , 越小越小, , 单色性越好单色性越好63.1 3.1 任任意意两两列列频频率率相相同同振振动动方方向向相相同同的的单色光波叠加单色光波叠加p12r1
6、r2设在设在相遇点相遇点P的振动表达式为：的振动表达式为：3.3.相干光相干光其中：其中：光波中的电振动矢量光波中的电振动矢量 称为光矢量。称为光矢量。E0E1E27v 非相干光源非相干光源 I = I 1 + I 2 非相干叠加非相干叠加 v 相干光源相干光源: : 即：即：在观测的时间内，平均光强：在观测的时间内，平均光强：频率相同，振动方向相同，相位差恒定。频率相同，振动方向相同，相位差恒定。 满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后, 合成光的光强不仅合成光的光强不仅取决于两束光的光强，还与它们的相位差有关。取决于两束光的光强，还与它们的相位差有关。8 (k = 0,1,2
7、,3) 相长干涉（明）相长干涉（明）干涉图干涉图3.2 3.2 干涉现象的光强分布干涉现象的光强分布 相消干涉（暗）相消干涉（暗） (k = 0,1,2,3) 空间不同位置相遇的两束相干光，空间不同位置相遇的两束相干光，其位相差不同。因此光强在空间重新分其位相差不同。因此光强在空间重新分布，出现干涉现象。布，出现干涉现象。910 原则是原则是“一分为二一分为二” ：把光源上同一点发出的光：把光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分的光叠加起来。设法分成两部分，然后再使这两部分的光叠加起来。由于这两部分光实际上来自同一发光原子的同一次发由于这两部分光实际上来自同一发光原子的同一次发光
8、，是相干光。通常采用如下两种方法获得相干光：光，是相干光。通常采用如下两种方法获得相干光：4. 4. 普通光源相干光的获得方法普通光源相干光的获得方法(1) 分波阵面法分波阵面法杨氏双缝干涉装置杨氏双缝干涉装置 从狭缝从狭缝 S1S2发出的光是从发出的光是从S的同一波阵面分出的的同一波阵面分出的两束光两束光. 11(2) 分振幅法分振幅法123反射光束反射光束2和和3是由光束是由光束1分出分出来的，是相干光来的，是相干光薄膜干涉薄膜干涉 光能量与振幅有关，所以称为分振幅法。薄膜干涉就光能量与振幅有关，所以称为分振幅法。薄膜干涉就是采用这种方法是采用这种方法 121. 1. 杨氏双缝实验杨氏双缝
9、实验12-3 12-3 双缝干涉双缝干涉托马斯托马斯 杨杨 1801年，英国人托马斯年，英国人托马斯 . 杨成功地进杨成功地进行了一个判别光的性质的关键性实验。行了一个判别光的性质的关键性实验。在观察屏上有与双缝在观察屏上有与双缝平行、明暗相间的等平行、明暗相间的等间距条纹，这只能用间距条纹，这只能用光是一种波来解释光是一种波来解释.13 杨氏干涉的相干光来自同一列波面的两部分，是杨氏干涉的相干光来自同一列波面的两部分，是分波分波阵面法获得的阵面法获得的。杨氏双缝原理图：杨氏双缝原理图：缝缝S，S1， S2很窄才能在屏上出现清晰的条纹很窄才能在屏上出现清晰的条纹14pr1 r2 xx0xI x
10、xDdod ，D d (d 10-4m, D m)杨氏双缝光路图：杨氏双缝光路图：152. 2. 干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置2.1 2.1 波程差的计算波程差的计算设实验在真空（或空气）中进行，则波程差为：设实验在真空（或空气）中进行，则波程差为：相位差转换为相位差转换为波程差波程差来确定干涉条纹位置来确定干涉条纹位置 162.2 2.2 干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置相邻明纹间距为：相邻明纹间距为：如果：如果： 干干涉涉相相长长，则则P点点处处为为明明纹纹。k=0 对对应应 x=0 点点，为为中中央央明明纹纹， 依依次次为为一一级级、二二级级 明明纹纹，各各级明纹关于中央亮纹
11、对称级明纹关于中央亮纹对称。各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为各级明纹中心离中央明纹中心点的距离为：17若若: 干涉相消，则干涉相消，则P点为暗条纹。各级暗条纹中心离点为暗条纹。各级暗条纹中心离O点的距离为：点的距离为：相邻暗纹间距与明纹相同：相邻暗纹间距与明纹相同： 18(1) (1) 一系列平行的明暗相间的条纹；一系列平行的明暗相间的条纹； 2.3 2.3 条纹特点：条纹特点：(3) 条纹宽度条纹宽度 x=D d，单色光条纹间距，单色光条纹间距(
12、宽度宽度)相等；相等；可利用可利用 x、D和和 d 求得光波长求得光波长 (2) 当平行光垂直照射双缝时，屏幕中央（当平行光垂直照射双缝时，屏幕中央（x=0=0）为）为 明条纹，向两侧分布明暗相间的条纹；明条纹，向两侧分布明暗相间的条纹；白白光光入入射射时时，0 0级级明明纹纹中中心心为为白白色色( (可可用用来来定定0 0级级明明纹纹的的位位置置) )，其其余余级级明明纹纹构构成成彩彩带带。同同一一级级彩彩带带内内侧侧紫紫，外外侧红；如下图中侧红；如下图中第第2 2级开始出现重叠。级开始出现重叠。(4)(4) x，可见对于复色光，可见对于复色光，x0时明条纹有色散。时明条纹有色散。 193.
13、 3. 菲涅耳双棱镜干涉实验菲涅耳双棱镜干涉实验EEMNss1s2dBCp 杨氏双缝实验中，只有缝杨氏双缝实验中，只有缝S，S1， S2很窄才能在屏上很窄才能在屏上出现清晰的条纹。但光太弱，出现清晰的条纹。但光太弱，条纹不够明亮。条纹不够明亮。在在两两波波交交叠叠区区域域出出现现干干涉涉图图样样20ABCM1M2s点光源点光源4. 菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验屏屏平面镜平面镜光源光源S发出的波阵面被两块夹角发出的波阵面被两块夹角 很小的平面镜很小的平面镜M1、M2反反射，分成两部分，在射，分成两部分，在AB屏上相遇，发生干涉屏上相遇，发生干涉.21ABCM1M2s点光源点光源屏屏s
14、1s2虚光源平面镜平面镜22ABCM1M2s点光源点光源11屏屏s1s223ABCM1M2s点光源点光源22屏屏s1s224ABCM1M2s点光源点光源1122屏屏s1s2把相位相同的虚光源把相位相同的虚光源S1、S2比作杨氏双缝装置中的两条比作杨氏双缝装置中的两条狭缝，那么，杨氏双缝干涉公式就可以用于菲涅耳双面狭缝，那么，杨氏双缝干涉公式就可以用于菲涅耳双面镜干涉，镜干涉，25ABCM1M2s点光源点光源1122屏屏s1s2rlD在两波交叠的阴影区域出现干涉图样在两波交叠的阴影区域出现干涉图样26MAB屏屏P问题：问题： 5.5.洛埃德镜实验洛埃德镜实验.BAs1s2虚光源虚光源反射镜反射镜
15、点光源点光源 当屏移到当屏移到 位置时，在屏上的位置时，在屏上的P 点应该点应该出现暗条纹还是明条纹？出现暗条纹还是明条纹？ 27MABBA屏屏P.s1s2 当屏移到当屏移到 位置时，在屏上的位置时，在屏上的P 点出现暗点出现暗条纹。这一结论证实，光在平面镜表面反射时有条纹。这一结论证实，光在平面镜表面反射时有相位相位 突变。突变。 洛埃镜实验证明光在相对较密的介质表面反射时洛埃镜实验证明光在相对较密的介质表面反射时有半波损失。上述均属于分波阵面法干涉。有半波损失。上述均属于分波阵面法干涉。28介质介质1 光疏介质光疏介质介质介质2 光密介质光密介质n1n2折射波折射波反射波反射波入射波入射波
16、 光在垂直入射（光在垂直入射（i =0 ）或者掠入射（）或者掠入射（i 90）的）的情况情况下，如果光是从光疏介质传向光密介质，在其分界面下，如果光是从光疏介质传向光密介质，在其分界面上反射时将发生上反射时将发生半波损失半波损失。即反射光的相位与入射光。即反射光的相位与入射光的相位相比有的相位相比有 的突变，即反射光的波程附加了半个波的突变，即反射光的波程附加了半个波长。长。 折射波无半波损失。折射波无半波损失。半波损失半波损失若若 n10)满足：满足：因此因此: x1=0.225mm OB,将将OA=3mm代入明纹条件代入明纹条件, 得到得到k=7.17, 可见最高可见最高可见的条纹级次为可见的条纹级次为k=7。因此。因此, 在屏幕上可观察到对在屏幕上可观察到对应于应于k=2、3、4、5、6、7的六条明纹的六条明纹在干涉区内在干涉区内, 屏幕上出现条纹屏幕上出现条纹MNES1S2 dOBAC38课后作业课后作业习题：习题： P203-204 12 - 9, 10
