大学物理物理学课件波动光学

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1、大学物理学电子教案信息学院教学课件第八章波动光学一、光学的研究内容研究光的本性；光的产生、传输与接收规律；光与物质的相互作用；光学的应用。绪言二、光的两种学说牛顿的微粒说光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。四、光学的分类几何光学以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。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。波动光学——光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科量子光学——光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科三、光的本性光的电磁理论——波动性：干涉、衍射、偏振光的量子理论——粒子

2、性：黑体辐射、光电效应、康普顿效应本章学习内容：波动光学：光的干涉、衍射、偏振光的干涉和衍射现象表明了光的波动性，而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量，把E振动称为光振动。一、光波1．光波的概念：§8－1光波及其相干条件2．光的颜色：单色光——只含单一波长的光：激光复色光——不同波长单色光的混合：白光红外光：λ>0.76μm可见光：0.40μm与0.76μm之间紫外光：λ<0.40μm光波也可用上面的平面简谐波的波函数来表示3．光矢量电场强度E的振动称为光振动

3、，电场强度称为光矢量。4．光强光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光的能量在一个周期内的平均值I=E02二、光程波长为λ的光在真空中传播了l的路程其相位的变化为Δφ＝2πl/λ，如果同样的光在折射率为n的介质中传播了x的路程，其相位的变化正好也为Δφ，则有Δφ＝2πx/λ’，其中λ’是光在这种介质中的波长。于是可以得到：由于介质的折射率可以表示为n=c/v，而对于光波有f=c/λ=v/λ’，所以介质的折射率又可表示为：n=λ/λ’因此可以得到光程即光在折射率为n的介质中传播x的路程所引起的相位的变化，与在真空中传播nx的路程所引起的相位的变化是相同的。三、光

4、的干涉现象1．什么是光的干涉现象两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布。即由光波的叠加而引起的光强重新分布的现象称为光的干涉。2．相干条件①振动方向相同②振动频率相同③相位相同或相位差保持恒定3．相干光与相干光源两束满足相干条件的光称为相干光相应的光源称为相干光源表示：当光在多种介质中传播时，总的光程L等于光所经过的介质的光程之和。光经过相同的光程所需要的时间是相等的。因此，物点和像点之间各光线的光程都相等。物像之间的等光程性4．明暗条纹条件明条纹：=±kλk=0,1,2,…暗条纹：=±(2k+1)λ/2k=0,1,2,3,…用相位差表示：明条纹：Δ=±2kk=0,1

5、,2,…暗条纹：Δ=±(2k+1)k=0,1,2,3,…用光程差表示根据光程差与相位差的关系若02-01=0，则有四、相干光的获得1．普通光源的发光机理光波列长度：m结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。特点：同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性。2．获得相干光源的方法原理：将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，它们是相干光。方法：分波前法：利用波场中的任一个波前分离出两列波。分振幅法：利用两个反射面产生两束反射光。分振动面法：利用某些晶体的双折射性质，将

6、一束光分解为振动面垂直的两束光。SE§8－2分波前干涉一、杨氏双缝干涉托马斯·杨（ThomasYoung）英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动光学：杨氏双缝干涉实验生理光学：三原色原理材料力学：杨氏弹性模量考古学：破译古埃及石碑上的文字1、杨氏简介2、杨氏双缝干涉实验装置1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。3、双缝干涉的光程差两光波在P点的光程差为=r2-r1r12=D2+(x-a)2r22=D2

7、+(x+a)2所以r22-r12=4ax即(r2-r1)(r2+r1)=4ax采用近似r2+r1≈2D光程差为=r2-r1=2ax/Dr2r1OPx2aS2S1D4、干涉条纹的位置（1）明条纹：=2ax/D=±kλ中心位置：x=±（D/2a)2k(λ/2)k=0,1,2,…（2）暗条纹：=2ax/D=±(2k+1)λ/2中心位置：x=±(D/2a)(2k+1)(λ/2)k=0,1,2,…（3）条纹间距：相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹间距Δx