大学物理：第8章 波动光学

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1、物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 1 1 相干光相干光物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 1 1 相干光相干光一、光学的研究内容一、光学的研究内容绪言绪言二、光的两种学说二、光的两种学说惠更斯的波动说惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质中传播。光是机械波，在弹性介质中传播。牛顿的微粒说牛顿的微粒说光是由发光物体发出的遵循力学规律光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。的粒子流。研究光的本性；研究光的本性；光的产生、传输与接收规律；光的产生、传输与接收规律； 光与物质的相互作用；光与物质的相互作用； 光学的应用。光学的应用。物理学教程物理学教程（第二版）（第二

2、版）14 14 1 1 相干光相干光四、光学的分类四、光学的分类几何光学几何光学以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。仪器成象规律。物理光学物理光学以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。波动光学波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科学科量子光学量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科其应用的学科三、光的本性三、光的本性光的电磁理论光的电磁理论波动性波动性：干涉、衍射

3、、偏振干涉、衍射、偏振光的量子理论光的量子理论粒子性粒子性：黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效应物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 1 1 相干光相干光 光是一种电磁波光是一种电磁波平面电磁波方程平面电磁波方程 真空中的光速真空中的光速可见光的范围可见光的范围 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量, 它在引起人眼视它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用觉和底片感光上起主要作用 .8-28-28-28-2 光的干光的干光的干光的干涉涉涉涉物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）“当当两两列列(或或几几列列)满满足足一一定定条条件件的的光光波波在

4、在某某区区域域叠叠加加时时,空空间间某某些些点点的的光光振振动动 始始终终加加强强； 某某些些点点的的光光振振动动 始始终终减减弱弱，在在空空间间形形成成一一幅幅稳稳定定的的光光强强分布图样分布图样”，称为，称为光的干涉现象。光的干涉现象。光波的叠加光波的叠加物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 1 1 相干光相干光P21一一 相干光相干光 普通光源发光特普通光源发光特点点： 原子发光是断续原子发光是断续的，每次发光形成一的，每次发光形成一长度有限的波列长度有限的波列, 各各原子各次发光相互独原子各次发光相互独立，各波列互不相干立，各波列互不相干.1）普通光源的发光机制）普通光源

5、的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 1 1 相干光相干光2）相干光的产生）相干光的产生波阵面分割法波阵面分割法*光源光源振幅分割法振幅分割法物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）二二 光的波动性的证实光的波动性的证实杨氏双缝干涉实验(托马斯杨)1.实验装置实验装置:物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）中央明纹中央明纹一级暗纹一级暗纹一级暗纹一级暗纹一级明纹一级明纹一级明纹一级明纹二级暗纹二级暗纹二级暗纹二级暗纹平面波平面波球面波球面波分波阵面法获得相干光分波阵面法获得相干光2.现象现

6、象:物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）实实 验验 装装 置置 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验波程差波程差物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 减弱减弱加强加强暗纹暗纹明纹明纹p物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）讨论讨论条纹间距条纹间距 明暗明暗条纹的位置条纹的位置暗纹暗纹明纹明纹1）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？ 一定时，一定时， 物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化将怎样变化？1）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）3）当用白光作为光源时，在零级白色中央条

7、纹两边当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹对称地排列着几条彩色条纹 2） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何的关系如何？ 一定时，一定时，物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）4 4）双缝与屏幕间距改变：）双缝与屏幕间距改变：当当d d/ / 减小时，减小时，x减小，零级明纹中心位置不变，减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。条纹变密。当当d d/ / 增大时，增大时， x增大，条纹变稀疏。增大，条纹变稀疏。5 5）光源）光源S S位置改变：位置改变：S S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；S S上移时，干涉

8、条纹整体向下平移，条纹间距不变。上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。d d/ /d d/ /物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 例例1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m. (1) 若屏上第一级干涉明若屏上第一级干涉明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明纹中的第四级明纹中 心间的距离为心间的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长; (2) 若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两暗纹中心间的求相邻两暗纹中心间的距离距离.解：解：（1）（2）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）三三

9、 光程和光程差光程和光程差 光在真空中的速度光在真空中的速度 光在介质中的速度光在介质中的速度 介质中的波长介质中的波长介质的介质的折射率折射率n真空真空物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）*P* 问问: 如图两相干光源振动如图两相干光源振动相位相同，置于右图的介质相位相同，置于右图的介质中中, P 点干涉加强还是减弱点干涉加强还是减弱 ? 两光源的光波在两光源的光波在 P 点的光振动方程点的光振动方程 相位差相位差 1) 光程光程: 媒质折射率与光的几何路程之积媒质折射率与光的几何路程之积 =物理意义物理意义 光程光程nr是一个折合量，在相位改变相同的条件下，是一个折合量，在相位改变相同

10、的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）2）光程差）光程差 (两光程之差两光程之差)光程差光程差 干涉干涉加强加强相位差相位差 干涉干涉减弱减弱*P*物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）由光程差计算由光程差计算相位差：相位差：多种介质光程多种介质光程 S2S1物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）例例 若将双缝装置浸入折射率为若将双缝装置浸入折射率为n n的水中，那么条纹的间的水中，那么条纹的间距增加还是减小？距增加还是减小？解：解：入射光在水中的波长变为入射光在水中的波

11、长变为所以相邻明条纹或暗条纹的间距为所以相邻明条纹或暗条纹的间距为间距减小间距减小物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）练习练习杨氏双缝实验中，杨氏双缝实验中，P P为屏上第五级亮纹所在位置。现将为屏上第五级亮纹所在位置。现将一玻璃片插入光源发出的光束途中，则一玻璃片插入光源发出的光束途中，则P P点变为中央亮条纹的点变为中央亮条纹的位置，求玻璃片的厚度。位置，求玻璃片的厚度。P解没插玻璃片之前二光束的光程差为解没插玻璃片之前二光束的光程差为已知已知: : 玻璃玻璃插玻璃片之后二光束的光程差为插玻璃片之后二光束的光程差为物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）P四四 劳埃德镜劳埃德镜ML（劳

12、埃德镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）（劳埃德镜实验结果与杨氏双缝干涉相似） 接触处接触处, , 屏上屏上L L点点出现暗条纹出现暗条纹 半波损失半波损失 相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）有半波损失有半波损失无半波损失无半波损失入射波入射波反射波反射波透射波透射波透射波透射波: : 没有半波损失没有半波损失反射波反射波: : 半波损失半波损失 ：光从光疏介质射向光密介质时，反：光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位较之入射光的相位跃变了射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反，相当于反射光

13、与入射光之间附加了半个波长的光程差，称为半射光与入射光之间附加了半个波长的光程差，称为半波损失波损失.物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）例例2 如图所示如图所示, 光源光源S发出波长为发出波长为 的单色光照射在对称的双缝的单色光照射在对称的双缝S1和和S2上上, 通过空气后在屏通过空气后在屏H上形成干涉条纹上形成干涉条纹. (1) 若点若点P处为第处为第3级明条纹级明条纹, 求光从求光从S1和和S2到点到点P的光程差的光程差. (2) 若将整个装置放于某种透明液体中若将整个装置放于某种透明液体中, 点点P处为第处为第4级明纹级明纹, 求该求该液体的折射率液体的折射率. (3) 装置仍在空

14、气中装置仍在空气中, 若若S2后面放一折射率为后面放一折射率为1.5的透明薄片的透明薄片, 则点则点P处为第处为第5级明纹级明纹, 求该透明薄片的厚度求该透明薄片的厚度.(4)若将缝若将缝S2盖住，在盖住，在S1和和S2对称轴上放一反射镜，则点对称轴上放一反射镜，则点P有无干有无干涉条纹，若有，是明纹还是暗纹？涉条纹，若有，是明纹还是暗纹？解：解： 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉水面上铺展的油膜肥皂泡上的彩色花纹紫色帝王蝶镜头上的花纹物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉PL一一

15、 薄膜干涉的光程差薄膜干涉的光程差DC34E5A1B2物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 反反射光的光程差射光的光程差加加 强强减减 弱弱PLDC34E5A1B2物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 透透射光的光程差射光的光程差 注意：注意：透射光和反透射光和反射光干涉具有互射光干涉具有互 补补 性性 ，符合能量守恒定律符合能量守恒定律.根据具体根据具体情况而定情况而定PLDC34E5A1B2物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 当光线垂直入射时当光线垂直入射时 当当 时时

16、当当 时时物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 例例1 在金属铝的表面，经常利用阳极氧化等方法形在金属铝的表面，经常利用阳极氧化等方法形成一层透明的氧化铝成一层透明的氧化铝 ( Al2 2 O3 3 ) 薄膜，其折射率薄膜，其折射率n = 1.80.设一磨光的铝片表面形成了厚度设一磨光的铝片表面形成了厚度d 250nm的透明氧化的透明氧化铝薄层，问在日光下观察，其表面呈现什么颜色？（设铝薄层，问在日光下观察，其表面呈现什么颜色？（设白光垂直照射到铝片上，铝的折射率小于氧化铝的折射白光垂直照射到铝片上，铝的折射率小于氧化铝的折射率）率）解解：12dn铝铝表

17、面呈橙红色表面呈橙红色物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉的应用薄膜干涉的应用(1)(1)增透膜增透膜干涉相消干涉相消, ,透射光加强透射光加强. .最小厚度最小厚度:应用应用:照相机镜头表面、太阳能电池表面镀有增透膜照相机镜头表面、太阳能电池表面镀有增透膜 ，隐形飞机，隐形飞机物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉(2)(2)增反膜增反膜干涉相长干涉相长, ,反射光加强反射光加强. .最小厚度最小厚度:12应用：珠应用：珠 宝表面，激光谐振腔宝表面，激光谐振腔物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 1

18、4 3 3 薄膜干涉薄膜干涉玻璃玻璃氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜 例例 2 为了增加透射率为了增加透射率 , 求氟化镁膜的最小厚度求氟化镁膜的最小厚度.已知空气已知空气 , 氟化镁氟化镁 , 23解解 减弱减弱取取则则（增强增强）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉SM劈尖角劈尖角二二 劈劈 尖尖现象：现象：一系列平行于交线的明一系列平行于交线的明暗相间的等间距直条纹（棱边暗相间的等间距直条纹（棱边是暗条纹）。是暗条纹）。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉2.光程差光程差:3.干涉条件：干涉条件：等厚干涉等厚干涉

19、明纹明纹暗纹暗纹物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）劈尖干涉劈尖干涉讨论讨论 1）劈尖）劈尖为暗纹为暗纹.物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉3）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉劈尖干涉物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 每一条每一条纹对应劈尖纹对应劈尖内的一个厚内的一个厚度，当此厚度，当此厚度位置改变度位置改变时，对应的时，对应的条纹随之移条纹随之移动动. . 4

20、 ）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 例例 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖 , 放在空气中放在空气中 , 劈尖夹劈尖夹角角 , 用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时 , 测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽度 , 求求 这这玻璃的玻璃的 折射率折射率.解解物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉空气空气 2）测细丝的直径）测细丝的直径1）测膜厚）测膜厚Si 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉

21、薄膜干涉 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉 例：例：用波长为用波长为 的单色光垂直照射到空气劈尖的单色光垂直照射到空气劈尖上，从反射光中观察干涉条纹，距顶点为上，从反射光中观察干涉条纹，距顶点为 L 处是暗处是暗纹，使劈尖角纹，使劈尖角 连续变大，直到该处再次出现暗连续变大，直到该处再次出现暗条纹为止，条纹为止，求求劈尖角的改变量劈尖角的改变量 。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉总结总结总结总结1）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚）干涉条纹为光程差相

22、同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹度相等的点的轨迹b物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）14 14 3 3 薄膜干涉薄膜干涉2）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距条纹不等间距3）条纹的动态变化分析（）条纹的动态变化分析（ 变化时）变化时） 4 ）半波损失需具体问题具体分析）半波损失需具体问题具体分析8-38-3 光的衍射光的衍射Diffraction of LightDiffraction of Light物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）( (一一) ) 光的衍射现象光的衍射现象圆孔衍射圆孔衍射*指缝衍射指缝衍射剃须刀片衍射剃

23、须刀片衍射 一一 光的衍射光的衍射物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）( (二二) ) 惠更斯惠更斯 菲涅尔原理菲涅尔原理 波在传播过程中，从同一波波在传播过程中，从同一波面面上的各上的各点发出的子波都是相干波，点发出的子波都是相干波，在传播到空间在传播到空间某点时，该点的波振幅由各子波相干叠加某点时，该点的波振幅由各子波相干叠加的结果决定的结果决定。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）问：问：如何实现夫琅禾费衍射如何实现夫琅禾费衍射 ？( (三三) ) 菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫夫 琅琅 禾禾 费费 衍衍 射射缝缝光源、

24、屏与缝相距无限远光源、屏与缝相距无限远在在实实验验中中实实现现夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射菲菲 涅涅 尔尔 衍衍 射射缝缝 光源、屏与缝相距有限远光源、屏与缝相距有限远物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 二二 夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射1. 1. 装置装置: :物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）2 2、单缝衍射图样的主要规律：、单缝衍射图样的主要规律：(4) 波长波长 越大，条纹越宽。越大，条纹越宽。 （即有色散现像（即有色散现像) )(1) 中央明纹最亮中央明纹最亮,也最宽也最宽,是各是各级明纹宽度的二倍级明纹宽度的二倍.(2) 各级明条纹的光强随级数各级明条纹的光强随级数的增

25、加而减小的增加而减小.(3) 单缝单缝 b 越小，条纹越宽，越小，条纹越宽，即衍射越明显即衍射越明显物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）夫夫 琅琅 禾禾 费费 单单 缝缝 衍衍 射射衍射角衍射角（衍射角（衍射角 ：向上为正，向下为负：向上为正，向下为负 . .）单缝的两条边缘光线到达单缝的两条边缘光线到达Q Q点的光程差为点的光程差为 3 3、光程差、光程差物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）3 半波带法半波带法缝长缝长物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）干涉相消（干涉相消（暗纹暗纹暗纹暗纹）干涉加强（干涉加强（明纹明纹明纹明纹）（介于（介于明明暗暗之间）之间）（ 个半波带）个半波

26、带） 个半波带个半波带 个半波带个半波带中央明纹中心中央明纹中心物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）干涉相消（干涉相消（暗纹暗纹暗纹暗纹）干涉加强（干涉加强（明纹明纹明纹明纹）讨讨 论论（1）第一暗纹距中心的距离第一暗纹距中心的距离第一暗纹的衍射角第一暗纹的衍射角物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 一定，一定， 越大，越大， 越大，衍射效应越明显越大，衍射效应越明显. .光直线传播光直线传播 增增大大， 减减小小 一定一定减减小小， 增增大大衍射最大衍射最大第一暗纹的衍射角第一暗纹的衍射角角范围角范围 线范围线范围中央明纹的宽度中央明纹的宽度（2）中央明纹中央明纹（ 的两暗纹间）的两

27、暗纹间）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 单缝实验单缝实验（缝宽度变化对条纹的影响）（缝宽度变化对条纹的影响）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 入射波长变化，衍射效应如何变化入射波长变化，衍射效应如何变化 ? ?越大，越大， 越大，衍射效应越明显越大，衍射效应越明显. .物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）（3）条纹宽度（相邻条纹间距）条纹宽度（相邻条纹间距）干涉相消（干涉相消（暗纹暗纹暗纹暗纹）干涉加强（干涉加强（明纹明纹明纹明纹）除了中央明纹外的其除了中央明

28、纹外的其它明纹、暗纹的宽度它明纹、暗纹的宽度物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 讨论：讨论：下面单缝衍射图中，各条入射光线间距相下面单缝衍射图中，各条入射光线间距相等，等，问：问：1）光线）光线 1 与与 3 在幕上在幕上 P 点相遇时点相遇时, 两光振两光振动的位相差是什么？动的位相差是什么？ 2）P 点是明还是暗？点是明还是暗？ 答答：1） 1，3光线光线在在P 点相遇时点相遇时, 两光振两光振动的位相差为动的位相差为 .2） P 点是点是暗暗点点.缝长缝长RP135135物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 例例1 1 一单色平行光垂直入射一单缝，其衍射第三一单色平行光垂直入射

29、一单缝，其衍射第三级明纹位置恰好与波长为级明纹位置恰好与波长为 600 600 nm nm 的单色光垂直入射的单色光垂直入射该缝时衍射的第二级明纹位置重合，试求该单色光的该缝时衍射的第二级明纹位置重合，试求该单色光的波长波长. .解解 物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）1 1 圆孔衍射圆孔衍射艾艾里里斑斑：艾里斑直径：艾里斑直径三三 圆孔衍射圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）可分辨可分辨恰可分辨恰可分辨不可分辨不可分辨2 2. .光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领 瑞利判据瑞利判据动画：分辨本领动画：分辨本领物理学教程物理学教程（第二

30、版）（第二版）物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）*2 2 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领最小分辨角最小分辨角（两光点刚好能分辨）（两光点刚好能分辨）光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器的通光孔径光学仪器的通光孔径物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）小孔径小孔径大孔径大孔径物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）提高光学仪器的分辨本领的途径提高光学仪器的分辨本领的途径: :(1)增加圆孔的直径增加圆孔的直径. 射电射电望远镜望远镜(2)减小波长减小波长. 荧光显微镜、电子荧光显微镜、电子显微镜显微镜光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领: :物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）

31、世界上最大的世界上最大的射电望远镜射电望远镜建在美国建在美国波多黎各岛的波多黎各岛的 Arecibo直径直径305m，能探测，能探测射到整个地球表面射到整个地球表面仅仅10-12W的功率，的功率，也可探测引力波。也可探测引力波。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）用电子显微镜用电子显微镜 观察一种观察一种 小蜘蛛小蜘蛛 的头部的头部物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）解（解（1）（2）（1）人眼的最小分辨角有多大？人眼的最小分辨角有多大？ （2）若教室黑板上写有一等于号若教室黑板上写有一等于号“”，在什么情，在什么情况下，距离黑板况下，距离黑板10m处的学生才不会因为衍射效应，将处的学

32、生才不会因为衍射效应，将等于号等于号“”看成减号看成减号“”? 例例1 设人眼在正常照度下的瞳孔直径约为设人眼在正常照度下的瞳孔直径约为 而在可见光中，对人眼最敏感的波长为而在可见光中，对人眼最敏感的波长为550nm，问问等号两横线间距不小于等号两横线间距不小于 2.2 mm物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8-48-48-48-4 光的偏振光的偏振光的偏振光的偏振物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）光的光的波动性波动性 光的干涉、衍射光的干涉、衍射 .光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振 .机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝物理学教程物理学教程（

33、第二版）（第二版）一自然光一自然光 偏振光偏振光 自然光自然光 ：一般光源发出的光中，包含着各个方向：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光称）这样的光叫自然光 . 自然光以两互相自然光以两互相垂直垂直的互为独的互为独立的（立的（无确定无确定的的相位相位关系）振幅相关系）振幅相等的光振动表示等的光振动表示 , 并各具有并各具有一半一半的的振动能量振动能量 .符号表示符号表示注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系 . 二互相垂直方向是任选的二互相垂直方向是任选的 .

34、物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 偏振光偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示 部分偏振光部分偏振光 ：某一方向的光振动比与之垂直方：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光向上的光振动占优势的光为部分偏振光 .光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光 .振动面振动面符号表示符号表示物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 起起 偏偏二偏振片二偏振片 起偏与检偏起偏与检偏 二向色性二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二这种性

35、质称二向色性向色性 . 偏振片偏振片 ： 涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片 . 偏振化方向偏振化方向 ： 当自然光照射在偏振片上时，它当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向偏振化方向 .偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）NM三马吕斯定律三马吕斯定律（1880 年）年）检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振

36、器后, 出射光的强度为出射光的强度为物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）自然光自然光I I0 0线偏振光线偏振光I I线偏振光线偏振光II起偏器起偏器检偏器检偏器偏振化方向偏振化方向物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）（1）若自然光入射到偏振片上，若自然光入射到偏振片上，则以入射光以入射光线为轴转动一周，一周，则透射光光透射光光强强不不变。（2）线偏振光入射到偏振片上后，偏振片旋转一周线偏振光入射到偏振片上后，偏振片旋转一周（以入射光线为轴）过程中，发现透射光两次最明（以入射光线为轴）过程中，发现透射光两次最明和两次消光。和两次消光。（3）若部分偏振光入射到偏振片上，）若部分偏振光入射

37、到偏振片上，则以入射光以入射光线为轴转动一周，一周，则透射光有两次最明和两次最暗透射光有两次最明和两次最暗（但不消光）。（但不消光）。讨论：讨论：自然光，偏振光，部分偏振光入射到旋转的偏振片上自然光，偏振光，部分偏振光入射到旋转的偏振片上15-5 偏振偏振物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）例例1. 如何用实验判断光束是如何用实验判断光束是(1)线偏振光；线偏振光；(2)部分偏振光；部分偏振光；(3)自然光自然光?答：使用偏振片可以分辨三种光束。答：使用偏振片可以分辨三种光束。 将偏振片以光的传播方向为轴转动，出射光将偏振片以光的传播方向为轴转动，出射光强不发生改变的是自然光；强不发生改变

38、的是自然光； 发生改变，当转一周后，若有两次光强最大，发生改变，当转一周后，若有两次光强最大，两次消光的是线偏振光；两次消光的是线偏振光； 若出射光强发生改变，但没有消光的是部分若出射光强发生改变，但没有消光的是部分偏振光。偏振光。物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 例例2 有两个偏振片有两个偏振片,一个用做起偏器一个用做起偏器, 一个用做一个用做检偏器检偏器. 当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时 , 一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们, 出射光强为出射光强为 ; 当它们偏振化当它们偏振化方向间的夹角为方向间的夹角为 时时, 另一束单色自然光穿过它们另一

39、束单色自然光穿过它们 , 出射光强为出射光强为 , 且且 . 求两束单色自然光的强求两束单色自然光的强度之比度之比 .解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 . 经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系 .讨论讨论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）若若 在在 间变化，间变

40、化， 如何变化如何变化？物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）空气空气 入射面入射面 入射光线和法入射光线和法线所成的平面线所成的平面 . 反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ，垂直于入射面的振动大于，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动平行于入射面的振动 . 折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动于垂直于入射面的振动 .理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关 .光反射与折射时的偏振光反射与折射时的偏振玻璃玻璃物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）空气空气布儒斯特定律布儒斯

41、特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。当当 时，时，1）反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直 .讨论讨论玻璃玻璃物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 2）根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角从角从 介介质入射于界面时，此质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角角即为布儒斯特角 .玻璃玻璃玻璃玻璃物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占反射光的强度约占入射光强度的入射光强度的 7.5% , 大部分

42、光将透过玻璃大部分光将透过玻璃 .利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰消除了反射光的干扰物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 讨论讨论 如图的装置如图的装置 为偏振片，为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？1）去掉）去掉 保留保留 2）去掉）去掉 保留保留 3）去掉）去掉 保留保留 4）

43、 都保留都保留 .无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（无恒定相位差）无（无恒定相位差）有有物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）动动 光光 学学双折射现象双折射现象波波 动动 光光 学学一一 双折射的寻常光和非寻常光双折射的寻常光和非寻常光恒量恒量玻璃玻璃折折 射射 定定 律律方解石晶体方解石晶体物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）光通过光通过双折射晶体双折射晶体物理学教程物理学教程（第二版）（第二版） 寻常光线（寻常光线（o o光）光）( (ordinary rays)ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinary rays) 非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明： O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.ACBoeDeo