双缝干涉课件

《双缝干涉课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双缝干涉课件（46页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、大学物大学物理学理学光学（光学（Optics）2【本节讲授目录本节讲授目录】?掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系.?理解相干光的条件及获得相干光的方法理解相干光的条件及获得相干光的方法.?理解、掌握杨氏双缝干涉特征及条纹分布理解、掌握杨氏双缝干涉特征及条纹分布.【教学基本要求教学基本要求】1 1 光学发展简介光学发展简介2 2 光学基本概念光学基本概念 相干光相干光3 3 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜劳埃德镜*双镜干涉实验双镜干涉实验*光学（光学（Optics），是物理学的分支，主），是物理学的分支，主要是研究光的现象、性质与应用，包括光

2、与要是研究光的现象、性质与应用，包括光与物质之间的相互作用、光学仪器的制作。物质之间的相互作用、光学仪器的制作。光学通常研究红外线、紫外线及可见光光学通常研究红外线、紫外线及可见光的物理行为。的物理行为。英文术语英文术语“optics”源自古希腊字，意为源自古希腊字，意为名词名词“看见看见”、“视见视见”。光学（光学（optics)，是研究光（电磁波）的，是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种已扩展到对全波段电磁波的研究。光

3、是一种电磁波，在物理学中，电磁波由麦克斯韦方电磁波，在物理学中，电磁波由麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。用量子力学表达。神舟九号与天宫一号自动对接神舟九号与天宫一号自动对接光学既是古老基础学科，又是科学领域中最活跃的前沿阵地之一。光学既是古老基础学科，又是科学领域中最活跃的前沿阵地之一。萌芽时期萌芽时期:春秋战国春秋战国墨经墨经中有关光的直线传播，镜面反射等现象，比中有关光的直线传播，镜面反射等现象，比 墨经墨经晚一百年的古希腊欧几里的德晚一百年的古希腊欧几里的德光学光学中有平面镜成像的研究。中有平面镜成像的研究。几何光学时

4、期几何光学时期:公元公元17世纪，光学发展史上的转折点，建立了折射和反射定律。世纪，光学发展史上的转折点，建立了折射和反射定律。奠定了几何光学的基础。出现了光学仪器，望远镜、显微镜等。奠定了几何光学的基础。出现了光学仪器，望远镜、显微镜等。对光的本质提出对光的本质提出 了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。波动光学时期波动光学时期:19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证 明光是电磁波。明光是电磁波。Maxwell

5、电磁理论说明光一种电磁波。电磁理论说明光一种电磁波。波动光学时期波动光学时期:20世纪初研究光和物质相互作用后又发现光具有粒子世纪初研究光和物质相互作用后又发现光具有粒子 性，人们性，人们 在在 深入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性，深入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性，M.Born 提出波粒二象性提出波粒二象性 的几率解释。的几率解释。现代光学时期现代光学时期:20世纪六十年代激光器问世后光学又焕发了青春，成为现代世纪六十年代激光器问世后光学又焕发了青春，成为现代 物理和现代技术的重要前沿阵地。在医疗、通讯、军事、娱乐等物理和现代技术的重要前沿阵地。在医疗、通讯、军事、娱乐等

6、 领域无所不在。领域无所不在。光学发展简介光学发展简介光光 学学 分分 支支以直线传播为基础折射、反射定律以直线传播为基础折射、反射定律物理光学：物理光学：波动光学：波动光学：以麦克斯韦电磁理论为基础，以麦克斯韦电磁理论为基础，光的光的干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振量子光学：量子光学：以量子力学为基础，以量子力学为基础，光与物质作用光与物质作用非线性光学非线性光学激光光谱学激光光谱学信息光学信息光学全息术全息术光纤通讯光纤通讯集成光学集成光学统计光学统计光学.几何光学：几何光学：经经典典光光学学现现代代光光学学1 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)(cos0urtEE

7、)(cos0urtHH 光矢量光矢量：E 矢量矢量能引起人眼视觉和底片感光能引起人眼视觉和底片感光.因因此，人们通常将电场强度此，人们通常将电场强度 E 称作光矢量。称作光矢量。001c 真空中的光速真空中的光速一一 光学几个基本概念光学几个基本概念光是一种电磁波光是一种电磁波9中微子超光速事件中微子超光速事件 意科学家发现超光速中微子意科学家发现超光速中微子 每秒每秒多多“跑跑”6公里公里2011年年09月月24日日新实验证实中微子未超光速新实验证实中微子未超光速 爱因斯坦爱因斯坦相对论正确相对论正确 2012年年03月月19这回爱因斯坦错了这回爱因斯坦错了？爱因斯坦可以安心了爱因斯坦可以安

8、心了！光波光波:特定波段的电磁波特定波段的电磁波 普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子同一原子先后发的光先后发的光)普通光源是观察不到干涉现象的。普通光源是观察不到干涉现象的。2 相干光相干光-两束满足相干条件的光称为相干光两束满足相干条件的光称为相干光P21 普通光源发光普通光源发光特点特点：原子发光是断续的，每次原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列发光形成一个短短的波列,各原子各次发光相互独各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.相干光源：激光相干光源：激光(Laser)受激辐射受激辐射 激光的发现使光学这

9、一门古老学科激光的发现使光学这一门古老学科在在2020世纪取得了极大的发展。世纪取得了极大的发展。3 3 产生相干光的方法产生相干光的方法 在同一波面上两固定在同一波面上两固定点光源，发出的光产生干点光源，发出的光产生干涉的方法为分波面法。如涉的方法为分波面法。如杨氏双缝干涉实验。杨氏双缝干涉实验。分波面法分波面法 一束光线经过介质薄膜一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振光线产生干涉的方法为分振幅法。如薄膜干涉。幅法。如薄膜干涉。分振幅法分振幅法干涉现象决定于两束相干光的位相差，干涉现象决定于两束相干光的位相差，两束相干光通过不同的介质时

10、，位相差不能单纯两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定。由几何路程差决定。un ncu nn 光在介质中传播几何路程为光在介质中传播几何路程为r r，相应的位相变化为，相应的位相变化为 22nrnr4 4 光程、光程差和位相光程、光程差和位相 c 真空中真空中光的波长：光的波长：介质中波长：介质中波长：SnrP光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程算为光在真空中的路程cnrrctuS1n1r2r2n光程定义为光程定义为1

11、12 2i in rn rn r由由可知可知引入光程差引入光程差2 21 1()n rn r 1S2S1n1r2r2nP 2 若两相干光源初位相是同位相的，则若两相干光源初位相是同位相的，则相位差相位差1S2S1n1r2r2nP)rnrn(rrnn22112122221 干涉干涉加强加强,2,1,0,kk,2,1,02,kk 干涉干涉减弱减弱,2,1,0,2)12(kk,2,1,0,)12(kk 二二 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验英国物理学家、医生和考古学英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一家，光的波动说的奠基人之一波动光学：波动光学：1801年首先用实验的方年首先用实验的

12、方 法研究了光的干涉现象，为光的波法研究了光的干涉现象，为光的波动理论确定了实验基础。动理论确定了实验基础。生理光学：生理光学：三原色原理三原色原理材料力学：材料力学：杨氏弹性模量杨氏弹性模量考考 古古 学：学：破译古埃及石碑上的文字破译古埃及石碑上的文字托马斯托马斯杨（杨（Thomas Young）1 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验192 2 杨氏双缝干涉实验示模拟图杨氏双缝干涉实验示模拟图20ooB实实 验验 装装 置置1s2sspDd3 3 杨氏双缝干涉实验光路杨氏双缝干涉实验光路rx1r2rDd4 4 杨氏干涉条纹分析杨氏干涉条纹分析D D d d光程差：光程差：21sinrrd S

13、1S2SD xd1r2rpo tanxddDkxdD加强加强,2,1,0k2)12(k 减弱减弱 讨讨 论论IO1.明纹位置明纹位置aDkxkk=0时：时：00 x0明纹明纹 零级明纹位于屏幕中央，只零级明纹位于屏幕中央，只有一条。有一条。k=1时：时：aDx1 1 级明纹有两条，对称分级明纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。布在屏幕中央两侧。其它各级明纹都有两条，其它各级明纹都有两条，且对称分布。且对称分布。12341234IO0明纹明纹暗纹暗纹00aDkxk2)12(k=0时：时：aDx20零级暗纹有两条，对称分布零级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。在屏幕中央两侧。IO012341234

14、明纹明纹2.暗纹位置暗纹位置k=1时：时：aDx231 1 级暗纹有两条，对称分级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。布在屏幕中央两侧。其它各级暗纹都有两条，其它各级暗纹都有两条，且对称分布。且对称分布。12341234暗纹暗纹00IO012341234明纹明纹3.条纹间距条纹间距a.相邻明纹间距：相邻明纹间距：kkxxx1aDkaDkx)1(b.相邻暗纹间距：相邻暗纹间距：kkxxx1aDkaDkx2)12(21)1(2可以看出相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条可以看出相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条纹明暗相间平行等距。纹明暗相间平行等距。aDaD(1)一定时，若一定时，若 变化变

15、化,则则 将怎样变化？将怎样变化？dD、x4.条纹间距与各量之间的关系条纹间距与各量之间的关系(2)一定时一定时,条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xdD、例例1 在双缝干涉实验中，若单色光源在双缝干涉实验中，若单色光源 S 到两缝到两缝 S1S2 距距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中 O 处，现将处，现将光源光源 S 向下移动到示意图中的向下移动到示意图中的 S 位置，则：位置，则：（A）中央明条纹也向下移动，且条）中央明条纹也向下移动，且条纹间距不变纹间距不变；（B）中央明条纹向上移动，且条纹）中央明条纹向上移动，且条纹间距增大间距增大

16、；（C）中央明条纹向下移动，且条纹）中央明条纹向下移动，且条纹间距增大间距增大；（D）中央明条纹向上移动，且条纹）中央明条纹向上移动，且条纹间距不变间距不变。S1S2SSO D 练习练习 在杨氏双缝干涉实验中，用波长在杨氏双缝干涉实验中，用波长=589.3 nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离距离D=800 mm，问：问：(1)当双缝间距当双缝间距mm时，两相邻明条纹时，两相邻明条纹中心间距是多少？中心间距是多少？(2)假设双缝间距假设双缝间距10 mm，两相邻明条纹，两相邻明条纹中心间距又是多少？中心间距又是多少？0.47 mmDxd 解解(1)d=1 mm时 (2)

17、d=10 mm时 0.047 mmDxd 已知已知=589.3 nmD=800 mm求求(1)d=1 mm时 (2)d=10 mm时?x?x例例3 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2 mm的双的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1 m.(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为的距离为7.5 mm，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600 nm,中央明纹中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？解解(1)(2),0,1,2,kDxkkd1441

18、41Dxxxkkd1441500 nmxdD kk115 mm2Dx.d已知已知求求(1)?(2)mm5714.xnm 600?xmm 20.d 1 mD【例例4】用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d，缝面，缝面与屏距离为与屏距离为 D。求能观察到的清晰可见光谱的级次。求能观察到的清晰可见光谱的级次。xdkD (1)k k红紫 4001.1 760400k紫红紫解解:最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光 清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级 明纹条件为明纹条件为例例2：在双缝干涉实验中

19、，用波长为在双缝干涉实验中，用波长为 632.8 nm 的激的激光照射一双缝，将一折射率为光照射一双缝，将一折射率为 n=1.4 的透明的介质的透明的介质薄片插入一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了薄片插入一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了 3.5个条纹，求介质薄片的厚度个条纹，求介质薄片的厚度 d。oDS1S2Sdr1r2Ioo t解：解：由于中央明纹移动了由于中央明纹移动了 3.5 个条纹，则插入的介质个条纹，则插入的介质薄片所增加的光程差为薄片所增加的光程差为 3.5 个波长，对应原屏幕中央个波长，对应原屏幕中央 o 点两条光线的光程差也为点两条光线的光程差也为 3.5。放入放入 t 后，

20、在原屏幕中央后，在原屏幕中央o点两光线的光程差为：点两光线的光程差为：5.3对于对于O点：点：021rr(1)3.5nt12()rtntr 3.51tn14.1108.6325.39m105.56-S1S2M劳埃德镜实验示意图劳埃德镜实验示意图若将屏放到与镜面相接触的若将屏放到与镜面相接触的P P L L处，似乎应出现明纹处，似乎应出现明纹（从（从S1和和S2发出的光到达发出的光到达L L处的光程相等）。处的光程相等）。PPL但实验事实是，在但实验事实是，在L L处为一处为一暗纹暗纹，原因是反射光的相，原因是反射光的相位跃变了位跃变了（半波损失）（半波损失）。二二 劳埃德镜劳埃德镜0rdP0P

21、掠入射，产生了掠入射，产生了 相位变化（相位变化（半波损失半波损失）劳埃德镜劳埃德镜201 yrdSPPS光程差：光程差：例例5 如图如图 离湖面离湖面 h=0.5 m处有一电磁波接处有一电磁波接收器位于收器位于 C，当一射电星从地平面渐渐升，当一射电星从地平面渐渐升起时，起时，接收器断续地检测到一系列极大接收器断续地检测到一系列极大值值.已知射电星所发射的电磁波的波长为已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0 cm,求第一次测到极大值时，射电星求第一次测到极大值时，射电星的方位与湖面所成角度的方位与湖面所成角度.AChB212解解 计算波程差计算波程差BCACr22)2cos1(ACsinh

22、AC 2)2cos1(sinhr极大极大时时kr AChB212AChB212hk4)12(sinh4arcsin1745m 504 m 10020arcsin21.-1k取取 注意注意2/考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，符号不同，均可，符号不同，k 取值不同，对问题实取值不同，对问题实质无影响质无影响.双镜干涉实验示意图双镜干涉实验示意图SL遮光板PCM2M1S1S2dD干干涉涉条条纹纹三三 双镜双镜运用几何的方法可以求出运用几何的方法可以求出S1、S2 2之间的距离之间的距离d以及到屏以及到屏的距离的距离 D 并进而对干涉条纹作出计算。并进而对干涉条纹作出计

23、算。例例6 在杨氏双缝干涉的实验装置中，入射光的波长为在杨氏双缝干涉的实验装置中，入射光的波长为。若在缝若在缝S2与屏之间放置一片厚度为与屏之间放置一片厚度为d0、折射率为、折射率为n的透明的透明介质介质,试问原来的零级亮纹将如何移动？如果观测到零级试问原来的零级亮纹将如何移动？如果观测到零级亮纹移到了原来的亮纹移到了原来的 j 级亮纹处，求该透明介质的厚度。级亮纹处，求该透明介质的厚度。解：解：在缝在缝S2与屏幕之间放置了透明介质片之后，从与屏幕之间放置了透明介质片之后，从S1和和S2到屏幕上的观测点到屏幕上的观测点P的光程差为的光程差为 1002rnddr 零级亮纹相应于零级亮纹相应于0，

24、其位置应满足，其位置应满足01012dnrr(1)S1S2r1r2d0nPP0与原来零级亮纹位置所满足的与原来零级亮纹位置所满足的 r2-r1=0 相比可以看出，相比可以看出，在放置介质片之后，零级亮纹应该下移。在放置介质片之后，零级亮纹应该下移。在没有放置介质片时，在没有放置介质片时，0 级亮纹的位置满足级亮纹的位置满足210rr ,2,1,0j(2)按题意，在放置了介质片之后，观测到零级亮纹移到按题意，在放置了介质片之后，观测到零级亮纹移到了原来的了原来的 j 级亮纹处。因此式级亮纹处。因此式(1)和式和式(2)必须同时得到必须同时得到满足，由此可解得满足，由此可解得10njd上式也可以理

25、解为，透明介质片的插入使屏幕上的上式也可以理解为，透明介质片的插入使屏幕上的杨氏干涉条纹移动了杨氏干涉条纹移动了|j|=(n-1)d0/条，这提供了一种条，这提供了一种测量透明介质折射率的方法。测量透明介质折射率的方法。2001=rdndr j其中，其中，j 为负整数。为负整数。【例例7】在双缝干涉实验中，波长在双缝干涉实验中，波长l550 nm的单色平行光垂直入的单色平行光垂直入射到缝间距射到缝间距a210-4 m的双缝上，屏到双缝的距离的双缝上，屏到双缝的距离D2 m求求 (1)中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第10级明纹中心的间距；级明纹中心的间距；(2)用一厚度为用一厚度为e6.610-5 m、折射率为、折射率为n1.58的玻璃片覆盖的玻璃片覆盖一缝后，零级明纹将移到原来的第几级明纹处？一缝后，零级明纹将移到原来的第几级明纹处？(1 nm=10-9 m)解：解：(1)mdDdDkx11.0202(2)覆盖玻璃片后，零级明纹应满足覆盖玻璃片后，零级明纹应满足21)1(rren设不覆盖玻璃片时，此点为设不覆盖玻璃片时，此点为k级明纹，则应有级明纹，则应有krr12ken)1(enk)1(