大學(xué)物理第5版課件-第11章-光學(xué)

光學(xué)第十一章2本章目錄11-1相干光11-5邁克耳孫干涉儀11-4劈尖牛頓環(huán)11-3光程薄膜干涉11-2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)勞埃德鏡11-0教學(xué)基本要求11-6光的衍射11–7單縫衍射物理學(xué)第五版3本章目錄11-12雙折射偏振棱鏡11-11反射光和折射光的偏振11-10光的偏振性馬呂斯定律11-9衍射光柵11-8圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)*11-13液晶顯示物理學(xué)第五版*11-14幾何光學(xué)4

光的干涉

一

理解相干光的條件及獲得相干光的方法.

二

掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系，理解在什么情況下的反射光有相位躍變.11-0教學(xué)基本要求5

三

能分析楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉條紋的位置.

四了解邁克耳孫干涉儀的工作原理.11-0教學(xué)基本要求6

二了解用波帶法來分析單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射條紋分布規(guī)律的方法，會(huì)分析縫寬及波長(zhǎng)對(duì)衍射條紋分布的影響.

光的衍射一了解惠更斯－菲涅耳原理及它對(duì)光的衍射現(xiàn)象的定性解釋.11-0教學(xué)基本要求7

三理解光柵衍射公式,

會(huì)確定光柵衍射譜線的位置，會(huì)分析光柵常數(shù)及波長(zhǎng)對(duì)光柵衍射譜線分布的影響.

四了解衍射對(duì)光學(xué)儀器分辨率的影響.

五了解x

射線的衍射現(xiàn)象和布拉格公式的物理意義.11-0教學(xué)基本要求8光的偏振

一

理解自然光與偏振光的區(qū)別.二理解布儒斯特定律和馬呂斯定律.三了解雙折射現(xiàn)象.四了解線偏振光的獲得方法和檢驗(yàn)方法.

11-0教學(xué)基本要求END9一光是一種電磁波平面電磁波方程

光矢量E矢量能引起人眼視覺和底片感光，叫做光矢量.

真空中的光速10可見光的范圍二相干光1

普通光源的發(fā)光機(jī)制原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)11P21

普通光源發(fā)光特點(diǎn)：原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一個(gè)短短的波列,

各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互不相干.122

相干光的產(chǎn)生振幅分割法波陣面分割法*光源END13實(shí)驗(yàn)裝置p一楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波程差14實(shí)驗(yàn)裝置p加強(qiáng)

減弱15暗紋

明紋p16討論條紋間距

明、暗條紋的位置白光照射時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋暗紋

明紋17(1)

一定時(shí)，若變化,

則將怎樣變化？18(2)一定時(shí),條紋間距與的關(guān)系如何？19

例1

在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)

=589.3nm的納燈作光源，屏幕距雙縫的距離d’=800nm，問：

(1)當(dāng)雙縫間距１mm時(shí)，兩相鄰明條紋中心間距是多少？

(2)假設(shè)雙縫間距10mm，兩相鄰明條紋中心間距又是多少？20解(1)

d=1mm時(shí)

(2)

d=10mm時(shí)

已知

=589.3nmd’=800nm求(1)

d=1mm時(shí)

(2)

d=10mm時(shí)

21例2以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上，雙縫與屏幕的垂直距離為1m.

(1)從第一級(jí)明紋到同側(cè)的第四級(jí)明紋間的距離為7.5mm，求單色光的波長(zhǎng)；

(2)若入射光的波長(zhǎng)為600nm,中央明紋中心距離最鄰近的暗紋中心的距離是多少？22解(1)(2)

已知求(1)

(2)

23二縫寬對(duì)干涉條紋的影響空間相干性實(shí)驗(yàn)觀察到，隨縫寬的增大，干涉條紋變模糊，最后消失．

空間相干性24三勞埃德鏡

半波損失：光由光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時(shí)，反射光位相突變.PML25例2如圖離湖面h=0.5m處有一電磁波接收器位于C

，當(dāng)一射電星從地平面漸漸升起時(shí)，接收器斷續(xù)地檢測(cè)到一系列極大值.已知射電星所發(fā)射的電磁波的波長(zhǎng)為20.0cm,求第一次測(cè)到極大值時(shí)，射電星的方位與湖面所成的角度.ACB1226解計(jì)算波程差A(yù)CB12極大時(shí)27取

考慮半波損失時(shí)，附加波程差取均可，符號(hào)不同，取值不同，對(duì)問題實(shí)質(zhì)無影響.注意ACB12END28一光程光在真空中的速度光在介質(zhì)中的速度真空中的波長(zhǎng)介質(zhì)的折射率介質(zhì)中的波長(zhǎng)29*P*30

波程差

相位差

*P*介質(zhì)中的波長(zhǎng)31

物理意義：光程就是光在介質(zhì)中通過的幾何路程按相位差相等折合到真空中的路程.*P*

(1)光程:介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=32(2)光程差

(兩光程之差)光程差*P*相位差33

干涉加強(qiáng)

干涉減弱34AB二透鏡不引起附加的光程差A(yù)B焦平面35PL三薄膜干涉DC34E5A1B236PLDC34E5A1B237

反射光的光程差加強(qiáng)減弱PLDC34E5A1B238

透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互補(bǔ)性，符合能量守恒定律.根據(jù)具體情況而定PLDC34E5A1B239

當(dāng)光線垂直入射時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)40

例一油輪漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域,在海水(n2=1.30)表面形成一層薄薄的油污.

(1)如果太陽正位于海域上空，一直升飛機(jī)的駕駛員從機(jī)上向正下方觀察，他所正對(duì)的油層厚度為460nm,則他將觀察到油層呈什么顏色?

(2)如果一潛水員潛入該區(qū)域水下，并向正上方觀察，又將看到油層呈什么顏色？41解

(1)綠色已知n1=1.20n2=1.30d=460nm42(2)透射光的光程差紅光紫光紫紅色43

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光學(xué)器件的透光率.4423玻璃?。ㄔ鰪?qiáng)）氟化鎂為增透膜例為了增加透射率，求氟化鎂膜的最小厚度．已知空氣n1=1.00，氟化鎂n2=1.38

，

=550nm減弱解

則END45SM劈尖角一劈尖46明紋暗紋47劈尖干涉（明紋）（暗紋）討論

(1)棱邊處為暗紋.48(2)相鄰明紋（暗紋）間的厚度差劈尖干涉49劈尖干涉

(3)條紋間距50

(4)干涉條紋的移動(dòng)51

例1

波長(zhǎng)為680nm的平行光照射到L=12

cm長(zhǎng)的兩塊玻璃片上，兩玻璃片的一邊相互接觸，另一邊被厚度Ｄ=0.048mm的紙片隔開.試問在這12cm長(zhǎng)度內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)多少條暗條紋?解52共有142條暗紋53(2)測(cè)膜厚(1)干涉膨脹儀

劈尖干涉的應(yīng)用54(3)檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度55空氣(4)測(cè)細(xì)絲的直徑56二牛頓環(huán)由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成光程差57

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡TR明紋暗紋rd光程差Rrd暗環(huán)半徑明環(huán)半徑(1)從反射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？從透射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？(2)屬于等厚干涉，條紋間距不等，為什么？暗環(huán)半徑明環(huán)半徑討論(4)應(yīng)用例子:可以用來測(cè)量光波波長(zhǎng)，用于檢測(cè)透鏡質(zhì)量，曲率半徑等.(3)將牛頓環(huán)置于的液體中，條紋如何變？工件標(biāo)準(zhǔn)件62

測(cè)量透鏡的曲率半徑63SL

例2

如圖所示為測(cè)量油膜折射率的實(shí)驗(yàn)裝置，在平面玻璃片G上放一油滴，并展開成圓形油膜，在波長(zhǎng)的單色光垂直入射G下，從反射光中可觀察到油膜所形成的干涉條紋．已知玻璃的折射率為，油膜的折射率，問：當(dāng)油膜中心最高點(diǎn)與玻璃64SL片的上表面相距時(shí)，干涉條紋是如何分布的？可看到幾條明紋？明紋所在處的油膜厚度為多少?G解條紋為同心圓明紋65油膜邊緣由于故可觀察到四條明紋

.66討論油滴展開時(shí)，條紋間距變大，條紋數(shù)減少67總結(jié)

(1)干涉條紋為光程差相同的點(diǎn)的軌跡，即厚度相等的點(diǎn)的軌跡.68

(2)厚度線性增長(zhǎng)條紋等間距，厚度非線性增長(zhǎng)條紋不等間距.(3)條紋的動(dòng)態(tài)變化分析（變化時(shí)）69(4)半波損失需具體問題具體分析.END70一邁克耳孫干涉儀光路及結(jié)構(gòu)單色光源反射鏡反射鏡與成角補(bǔ)償板分光板

移動(dòng)導(dǎo)軌71反射鏡反射鏡單色光源光程差

的像72當(dāng)不垂直于時(shí)，可形成劈尖型等厚干涉條紋.反射鏡反射鏡單色光源73干涉條紋移動(dòng)數(shù)目二邁克耳孫干涉儀的主要特性(1)兩相干光束完全分開；

(2)兩光束的光程差可調(diào).移動(dòng)距離移動(dòng)反射鏡74

干涉條紋的移動(dòng)

當(dāng)與之間距離變大時(shí)，圓形干涉條紋從中心一個(gè)個(gè)長(zhǎng)出,并向外擴(kuò)張,

干涉條紋變密；距離變小時(shí)，圓形干涉條紋一個(gè)個(gè)向中心縮進(jìn),

干涉條紋變稀.75插入介質(zhì)片光程差光程差變化光程差76干涉條紋移動(dòng)數(shù)目介質(zhì)片厚度77

例

在邁克耳孫干涉儀的兩臂中，分別插入

長(zhǎng)的玻璃管，其中一個(gè)抽成真空，另一個(gè)則儲(chǔ)有壓強(qiáng)為的空氣,用以測(cè)量空氣的折射率.設(shè)所用光波波長(zhǎng)為546nm，實(shí)驗(yàn)時(shí)，向真空玻璃管中逐漸充入空氣，直至壓強(qiáng)達(dá)到為止.在此過程中，觀察到107.2條干涉條紋的移動(dòng)，試求空氣的折射率.78解已知END79一光的衍射現(xiàn)象

光在傳播過程中若遇到尺寸比光的波長(zhǎng)大得不多的障礙物時(shí)，光會(huì)傳到障礙物的陰影區(qū)并形成明暗變化的光強(qiáng)分布的現(xiàn)象80二惠更斯-菲涅耳原理：波陣面上面元

(子波波源)子波在點(diǎn)引起的振動(dòng)振幅并與有關(guān).：時(shí)刻波陣面*e81：波陣面上面元

(子波波源)：時(shí)刻波陣面*e

菲涅耳指出波場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定.82三菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射光源、屏與縫相距無限遠(yuǎn)縫菲涅耳衍射縫光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)83在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍射END84夫瑯禾費(fèi)單縫衍射（衍射角：向上為正，向下為負(fù)）菲涅耳波帶法衍射角85一半波帶法縫長(zhǎng)86干涉相消(暗紋)干涉加強(qiáng)(明紋)（介于明暗之間）

個(gè)半波帶

個(gè)半波帶中央明紋中心（個(gè)半波帶）87二光強(qiáng)分布干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）88當(dāng)較小時(shí)，89干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）討論90(1)第一暗紋距中心的距離第一暗紋的衍射角91

一定，越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.光直線傳播

增大，減小

一定減小，增大衍射最大第一暗紋的衍射角92角范圍線范圍中央明紋的寬度(2)中央明紋（的兩暗紋間）93

單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？94越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.

入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化?95(3)條紋寬度（相鄰條紋間距）除了中央明紋外其它明紋的寬度干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）96(4)單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化單縫上移，零級(jí)明紋仍在透鏡光軸上.

單縫上下移動(dòng)，根據(jù)透鏡成像原理衍射圖不變.97(5)入射光非垂直入射時(shí)光程差的計(jì)算（中央明紋向下移動(dòng)）98（中央明紋向上移動(dòng)）99

例1

一單縫，寬為b=0.1mm，縫后放有一焦距為50cm的會(huì)聚透鏡，用波長(zhǎng)

=546.1nm的平行光垂直照射單縫，試求位于透鏡焦平面處的屏幕上中央明紋的寬度和中央明紋兩側(cè)任意兩相鄰暗紋中心之間的距離．如將單縫位置作上下小距離移動(dòng)，屏上衍射條紋有何變化？解中央明紋寬度其它明紋寬度100如將單縫位置作上下小距離移動(dòng)，屏上衍射條紋不變101

例2

如圖，一雷達(dá)位于路邊15m

處，它的射束與公路成角.

假如發(fā)射天線的輸出口寬度，發(fā)射的微波波長(zhǎng)是18mm

，則在它監(jiān)視范圍內(nèi)的公路長(zhǎng)度大約是多少？102

解將雷達(dá)天線輸出口看成是發(fā)出衍射波的單縫，衍射波能量主要集中在中央明紋范圍內(nèi).103根據(jù)暗紋條件END104一圓孔衍射艾里斑：艾里斑直徑105二瑞利判據(jù)106

對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的不相干的點(diǎn)光源（物點(diǎn)），一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的主極大剛好和另一點(diǎn)光源衍射圖樣的第一極小相重合，這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源（或物點(diǎn)）恰為這一光學(xué)儀器所分辨.107三光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)**光學(xué)儀器的通光孔徑108最小分辨角光學(xué)儀器分辨率1091101990

年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角在大氣層外615km

高空繞地運(yùn)行,可觀察130億光年遠(yuǎn)的太空深處，發(fā)現(xiàn)了500億個(gè)星系.

111

例1

設(shè)人眼在正常照度下的瞳孔直徑約為3mm，而在可見光中，人眼最敏感的波長(zhǎng)為550nm，問

(1)人眼的最小分辨角有多大？

(2)若物體放在距人眼25cm（明視距離）處，則兩物點(diǎn)間距為多大時(shí)才能被分辨？112解(1)(2)113

例2

毫米波雷達(dá)發(fā)出的波束比常用的雷達(dá)波束窄，這使得毫米波雷達(dá)不易受到反雷達(dá)導(dǎo)彈的襲擊.

(1)有一毫米波雷達(dá)，其圓形天線直徑為55cm，發(fā)射頻率為220GHz的毫米波，計(jì)算其波束的角寬度；

(2)將此結(jié)果與普通船用雷達(dá)發(fā)射的波束的角寬度進(jìn)行比較，設(shè)船用雷達(dá)波長(zhǎng)為1.57cm，圓形天線直徑為2.33m

.114解(1)(2)END115一光柵等寬度、等距離的狹縫排列起來的光學(xué)元件.衍射角116二光柵衍射條紋的形成光柵常數(shù)：光柵常數(shù)衍射角b：透光部分的寬度b’：不透光部分的寬度117明紋位置相鄰兩縫間的光程差：

光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果118討論

光強(qiáng)分布119

條紋最高級(jí)數(shù)120

光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越細(xì).(a)1條縫(f)20條縫(e)6條縫(c)3條縫(b)2條縫(d)5條縫121一定，減少，增大．一定，增大，增大．光柵常數(shù)越小，明紋越窄，明紋間相隔越遠(yuǎn).

入射光波長(zhǎng)越大，明紋間相隔越遠(yuǎn).122入射光為白光時(shí)，形成彩色光譜.三衍射光譜一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜123例如二級(jí)光譜重疊部分光譜范圍二級(jí)光譜重疊部分：124連續(xù)光譜：熾熱物體光譜線狀光譜：放電管中氣體放電帶狀光譜：分子光譜衍射光譜分類125光譜分析由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光譜，所以由譜線的成分，可分析出發(fā)光物質(zhì)所含的元素或化合物；還可從譜線的強(qiáng)度定量分析出元素的含量.126

例1

用白光垂直照射在每厘米有6500條刻痕的平面光柵上，求第三級(jí)光譜的張角.解紅光紫光不可見127第三級(jí)光譜的張角第三級(jí)光譜所能出現(xiàn)的最大波長(zhǎng)綠光1281885年倫琴發(fā)現(xiàn)，受高速電子撞擊的金屬會(huì)發(fā)射一種穿透性很強(qiáng)的射線稱Ｘ射線.X射線冷卻水<三X

射線的衍射129勞厄斑點(diǎn)鉛板單晶片

照像底片

單晶片的衍射1912年勞厄?qū)嶒?yàn)130

1913年英國(guó)布拉格父子提出了一種解釋Ｘ射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于1915年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng).布拉格反射入射波散射波131掠射角晶格常數(shù)

相鄰兩個(gè)晶面反射的兩X射線干涉加強(qiáng)的條件

布拉格公式布拉格反射入射波散射波132

用途測(cè)量射線的波長(zhǎng)研究X射線譜，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)；研究晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究材料性能.例如對(duì)大分子DNA晶體的成千張的X射線衍射照片的分析，顯示出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu).

布拉格公式133DNA

晶體的X衍射照片DNA

分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)END134光的波動(dòng)性光的干涉、衍射.光波是橫波光的偏振.機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫135符號(hào)表示一自然光偏振光

自然光：一般光源發(fā)出的光，包含各個(gè)方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等.注意

各光矢量間無固定的相位關(guān)系.

二互相垂直方向是任選的

.136振動(dòng)面

偏振光（線偏振光）符號(hào)表示光振動(dòng)只沿某一固定方向的光.137

部分偏振光：某一方向的光振動(dòng)比與之垂直方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的光為部分偏振光.符號(hào)表示138二偏振片起偏與檢偏

二向色性

:某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動(dòng),

而只讓與這個(gè)方向垂直的光振動(dòng)通過,

這種性質(zhì)稱二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.139

起偏

偏振化方向：當(dāng)自然光照射在偏振片上時(shí)，它只讓某一特定方向的光通過，這個(gè)方向叫此偏振片的偏振化方向.偏振化方向起偏器140檢偏器

檢偏起偏器141NM三馬呂斯定律（1880

年）檢偏器起偏器NM

馬呂斯定律142

例有兩個(gè)偏振片,一個(gè)用作起偏器,一個(gè)用作檢偏器．當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為時(shí),

一束單色自然光穿過它們,出射光強(qiáng)為；當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為時(shí)，另一束單色自然光穿過它們,

出射光強(qiáng)為

,

且.求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比.143

解設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為I10

和I20.經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)分別為和經(jīng)過檢偏器后144

在兩塊正交偏振片p1,p3

之間插入另一塊偏振片p2

，光強(qiáng)為I0

的自然光垂直入射于偏振片p1

，討論轉(zhuǎn)動(dòng)p2

透過p3

的光強(qiáng)I與轉(zhuǎn)角的關(guān)系.討論145146147若

在間變化，如何變化？END148

入射面入射光線和法線所成的平面.

反射光部分偏振光，垂直于入射面的振動(dòng)大于平行于入射面的振動(dòng).光反射與折射時(shí)的偏振空氣玻璃149

折射光

部分偏振光，平行于入射面的振動(dòng)大于垂直于入射面的振動(dòng).

理論和實(shí)驗(yàn)證明：反射光的偏振化程度與入射角有關(guān).150布儒斯特定律（1812年）反射光為完全偏振光，且振動(dòng)面垂直入射面，折射光為部分偏振光．當(dāng)時(shí)，玻璃空氣151(1)反射光和折射光互相垂直.討論152

(2)根據(jù)光的可逆性，當(dāng)入射光以角從介質(zhì)入射于界面時(shí)，此角即為布儒斯特角.玻璃玻璃153注意

對(duì)于一般的光學(xué)玻璃,

反射光的強(qiáng)度約占入射光強(qiáng)度的7.5%

,

大部分光將透過玻璃.利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光154討論討論光線的反射和折射(起偏角)155

討論如圖的裝置為偏振片，問下列四種情況，屏上有無干涉條紋？156無（兩振動(dòng)互相垂直）(1)去掉保留(2)去掉保留(3)去掉保留(4)

都保留無（兩振動(dòng)互相垂直）無（無恒定相位差）有15