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时间:2020-03-26
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1、普通高等教育“十二五”创新型规划教材物理主讲人:第十六章光的本性托马斯·杨的双缝干涉实验的成功、麦克斯韦的光的电磁说的提出、光电效应现象的发现和爱因斯坦光子说的建立,使人们逐步认识到光的本性——光具有波粒二象性.第一节光的干涉一、光程二、相干光从同一光源发出的单色光在不同介质中传播时,光的频率不变,其传播速度v=c/n(c为光在真空和介质中的传播速度,n为介质的折射率)随介质改变.两个同样的光源发的光,不能满足相干条件.即使同一光源,不同部分发出的光也不是相干光,因此,在一般情况下,无法看到光的干涉现象.要观察光的干涉现象,必须要获得
2、相干光.获得相干光的方法是将同一束光分成两束光.按分光的方法不同,可分为:(1)分割波阵面法,如杨氏双缝等;(2)分割振幅法,如薄膜的干涉等.三、杨氏双缝干涉英国物理学家托马斯·杨在1801年首次成功地观察到了光的干涉现象.他用单色光照射到遮光板的狭缝S上,从狭缝S通过光照射到两个相距很近的平行狭缝S1和S2上.从S1、S2发出的两束光是来自同一束光,它们是相干光(S1和S2为相干光源),在狭缝后面的屏上相遇,产生干涉现象,于是在屏MN上形成明暗相间的干涉条纹,如图16-1(b)所示,图16-1(a)为实验装置,图16-1(c)为干涉
3、条纹的光强分布情况.在图16-2中,双缝S1和S2相当于两个相干光源,O点为屏与两狭缝连线的垂直平分线相交点,r1和r2表示由光源S1、S2发出的两列光到屏上任一点P的路程(显然,r2>r1),x为P点到O点的距离.如果用δ表示由相干光源S1、S2发出的两列相干光到P点的光程差,由于空气的折射率n=1,所以δ=r2-r1.实验发现:当由相干光源S1、S2发出的两列相干光到P点的光程差δ等于波长的整数倍,即当由相干光源S1、S2发出的两列相干光到P点的光程差δ等于半波长的奇数倍,即从理论上可以证明:相邻两明亮条纹中心(或暗纹中心)间的距
4、离Δχ为四、薄膜干涉在日光照射下,肥皂泡、油薄膜或金属表面氧化层薄膜的表面会出现彩色的花纹,这就是薄膜干涉现象.由于各色光干涉后的条纹间距不同,肥皂液膜上就会出现彩色条纹.另外,利用薄膜干涉,可以制作增透膜和增反膜.因此,光的干涉现象证明光具有波动性.第二节光的衍射一、单缝衍射在不透明的遮光板上安装一个宽度可以调节的狭缝AB,缝后放一个屏心MN,用一束单色光线照射狭缝AB.当缝比较宽时,光沿直线传播,在MN上形成一条与缝宽一样的明亮区域ab,如图16-5所示.当狭缝AB变窄时,ab也随之变窄.但是,当狭缝的宽度与光的波长差不多或更小时
5、,尽管ab亮度有所减弱,但光照亮的范围反而变宽了,在屏MN上产生了图16-6所示的条纹.如果将缝换成小孔就会产生如图16-7所示的明暗相间的圆环.实验表明:当缩缝的宽度与光的波长差不多或更小时,光绕过缝或孔的边缘,进入几何阴影区,我们把光绕过障碍物进入几何阴影里的现象叫作光的衍射现象.如果用白光做衍射实验,得到彩色条纹的衍射现象也证明光具有波动性.二、衍射光栅由大量等宽等间距的平行狭缝做成的光学元件称为光栅.如果衍射条纹是由光栅的透射光形成,这种光栅称为透射光栅.如果衍射条纹是由光栅的反射光形成,这种光栅称为反射光栅.图16-8表示光
6、栅的一个截面,a表示每一狭缝的宽度,b表示两条狭缝之间的距离或刻痕的宽度,(a+b)叫作光栅常数.当平行单色光垂直入射于光栅后,经透镜L会聚于屏MN上,呈现各级衍射条纹.光栅的衍射条纹是单缝衍射多缝干涉的结果.第三节光的偏振一、波的偏振让绳上的横波穿过两个狭缝.横波在一定的条件下能够通过狭缝,在一定的条件下不能够通过狭缝的这种现象,叫作波的偏振.如果将这根绳换成细软的弹簧,前后推动弹簧形成纵波,则无论狭缝怎样放置,弹簧上的纵波都可以通过狭缝,如图16-10所示.实验表明:横波能产生偏振现象,而纵波不能产生偏振现象.二、光的偏振让太阳光
7、或灯光通过偏振片P,我们在P的另一侧观察,以光的传播方向为轴旋转偏振片P,透射光的强度不变,如图16-11(a)所示.若在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q,当Q与P的偏振化方向平行时,透射光的强度最大,如图16-11(b)所示.当Q与P的偏振化方向垂直时,透射光的强度最弱,几乎为零,如图16-11(c)所示.太阳、电灯等普通光源发出的光,在垂直于传播方向上各个方向振动的光机会均等,强度都相同,这种光叫作自然光,如图16-12所示.当自然光通过第一块偏振片P(称为起偏器)之后,只有振动方向跟偏振片的偏振化方向一致的光,才能通过偏振片P
8、.因此,通过偏振片P的光,在垂直于传播方向的平面上,只沿着一个特定的方向振动,这种光叫作偏振光,如图16-13所示.图16-11(c)证明了光是横波.第五节光的粒子性一、光电效应把一块擦得很亮的锌板连接在验电器上,用弧光
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