大学物理D：第四章_光和电磁波

1、第第四章章 光和电磁波光和电磁波 水波水波 谐振动谐振动 简谐振动简谐振动: : 机械振动与机械波机械振动与机械波 x 是描述物体离开平衡位置的物理量是描述物体离开平衡位置的物理量。 ) cos()(tAtx m xO 振动的特征：振动的特征：描述物质运动状态的物理量在某一数值附近来描述物质运动状态的物理量在某一数值附近来 回往复变化。回往复变化。 机械振动：机械振动：物体在某位置附近的往复机械运动。物体在某位置附近的往复机械运动。 波浪起伏波浪起伏 m 单摆单摆 弹簧振子弹簧振子谐振动的典型模型谐振动的典型模型 物体振动时，若决定其位置的坐标按余弦（或正弦）物体振动时，若决定其位置的坐标按余

2、弦（或正弦） 函数规律随时间变化，这样的振动称为函数规律随时间变化，这样的振动称为简谐振动。简谐振动。 特点特点: (1)等幅振动等幅振动 (2)周期振动周期振动)()(Ttxtx ) cos()(tAtx v = 1/T (Hz) (3) 相位和初相位相位和初相位 ( t + + ) 是是 t 时刻的相位时刻的相位 是是 t =0 时刻的相位时刻的相位 初相初相位位 我们把作谐振动的物体离开平衡位置的最大位移的绝我们把作谐振动的物体离开平衡位置的最大位移的绝 对值称为对值称为振幅。振幅。 (2) 周期周期 T 、频率频率v和角频率和角频率 谐振动具有周期性，物体作一次完整振动所经历的时间谐振

3、动具有周期性，物体作一次完整振动所经历的时间 称为称为周期周期。振动周期的倒数称为。振动周期的倒数称为频率。频率。 = 2 v 相位相位是决定物体运动状态的物理量。是决定物体运动状态的物理量。 描述谐振动的基本物理量描述谐振动的基本物理量 (1) 振幅振幅 A ) cos()(tAtx 机械波机械波 机械波的产生和传播机械波的产生和传播 条件条件 波源：波源：作机械振动的物体作机械振动的物体 机械波机械波: : 机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远地机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远地 传播出去，就形成传播出去，就形成机械波机械波。 弹性介质：弹性介质：具有弹性和惯性的连续介质具有弹性和

4、惯性的连续介质 波是振动的传播 描述波动过程的物理量描述波动过程的物理量 振动状态在媒质中的传播速度。振动状态在媒质中的传播速度。波速与波长、周波速与波长、周 期和频率的关系为期和频率的关系为 u T :）波速（波速（u 单位时间内，波前进距离中完整波的数目。单位时间内，波前进距离中完整波的数目。频率频率 与周期的关系为与周期的关系为 T 1 :）频率（频率（ 同一波线上相邻两个相位差为同一波线上相邻两个相位差为 2 的质点的质点之间的之间的 距离距离；即；即波源作一次完全振动，波前进的距离。波源作一次完全振动，波前进的距离。 :）波长（波长（ 波长波长反映了波的反映了波的空间周期性空间周期性

5、。 周期周期T 反映了波的反映了波的时间周期性时间周期性。 注意：注意： 1、波速 u 由介质决定，与波源无关； 频率 （周期T ）由波源的振动决定，与介质无关。 2、当波由一种介质传播到另一种介质时，波的频率不变， 波速和波长发生变化。 声波：频率在20赫兹到20000赫兹之间 的声波能引起人的听觉，称为声波。 次声波：频率低于20赫兹称为次声波。 超声波：频率高于20000赫兹称为 超声波。 蝙蝠：发出超声波，声波遇到障碍物会反 射，蝙蝠判断回声的方向和回传时间，便 知环境的精确图像。 声纳探测器：测量水深，得到整个海床的 面貌。 胎儿影像：检验胎儿是否正常 眼镜公司：高频波具有强大的振动

6、能，将 超声波入射载满水的容器，放入清洗物件， 水的振动会去处物件上的污垢。 胆结石手术：将高能超声波聚焦，能量足 以震碎石块。 介质质点的振动方向与波传播方向介质质点的振动方向与波传播方向相互垂直相互垂直的波，的波， 如柔绳上传播的波。如柔绳上传播的波。 (细绳波、电磁波) 介质质点的介质质点的振动方向和波传播方向振动方向和波传播方向相互平行相互平行的波，的波， 如空气中传播的声波。如空气中传播的声波。 (声波、疏密波) 纵波：纵波： 横波：横波： 基本波型: 横波、纵波 复杂波型: 水波、地震波 波的分类（波的分类（1） 机械波：机械波：机械振动在介质中的传播。 如 水波、声波、地震波等。

7、介质：介质： 传播振动的物质。如传播水波的介 质是水，传播绳波的是绳子。 电磁波：电磁波：变化的电场和变化的磁场 在空间的传播。如无线电波、光波、 x射线等。 波的分类（波的分类（2） 4-1 光的微粒说 早在公元前早在公元前4 4世纪世纪-17-17世纪中叶：世纪中叶： 光与影、光的直光与影、光的直 线传播、小孔成像、光的反射现象、平面镜、凹凸面镜等线传播、小孔成像、光的反射现象、平面镜、凹凸面镜等 等。等。 望远镜、显微镜的诞生，光的反射、折射定律的建望远镜、显微镜的诞生，光的反射、折射定律的建 立，标志着几何光学体系的基本形成。立，标志着几何光学体系的基本形成。 与此同时，人们也开始探索

8、光的本质，存在着以牛顿为与此同时，人们也开始探索光的本质，存在着以牛顿为 代表的代表的 “ ” ” （认为光是按照惯性定律沿直线传播（认为光是按照惯性定律沿直线传播 的微粒流）的微粒流）和以惠更斯为代表的和以惠更斯为代表的 “ “ ”（认为光是（认为光是 在一种特殊弹性介质中传播的机械波）。在一种特殊弹性介质中传播的机械波）。 由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数 学基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。学基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。 随波长随波长变化，光的颜色不同。变化，光的颜色不同。 例：例： 红光红

9、光 630nm 6.310-7 m 绿光绿光 550nm 5.510 -7 m 1 nm= 10 -9 m 400760 (nm) I（光强度光强度） 白色光白色光 400760 (nm) I 绿光绿光 400760 (nm) I 蓝光蓝光 例：例：物体颜色的解释物体颜色的解释 若物体不吸收若物体不吸收（即反射）某波长的光，（即反射）某波长的光， 就呈现该波长光的颜色。就呈现该波长光的颜色。 波的反射、折射波的反射、折射（以光波为例）（以光波为例） 光的反射光的反射：光到达两种物质分：光到达两种物质分 界面上改变传播方向返回原界面上改变传播方向返回原 物质中的现象。物质中的现象。 光的折射光的

10、折射：光在两种物质分界：光在两种物质分界 面上传播方向发生改变进入另面上传播方向发生改变进入另 一种物质中的现象。一种物质中的现象。 4-2 光的波动说光的波动说 光纤的全反射 波的叠加原理波的叠加原理 波的干涉波的干涉 1. 波的叠加原理波的叠加原理 (1) 波传播的独立性波传播的独立性 (2) 叠加原理叠加原理 当几列波在传播过程中在某一区域相遇后再分开，各当几列波在传播过程中在某一区域相遇后再分开，各 波的传播情况与未相遇一样，仍保持它们各自的频率、波波的传播情况与未相遇一样，仍保持它们各自的频率、波 长、振动方向等特性继续沿原来的传播方向前进。长、振动方向等特性继续沿原来的传播方向前进

11、。 在波相遇区域内，任一质在波相遇区域内，任一质 点的振动，为各波单独存在时点的振动，为各波单独存在时 所引起的振动的合振动。所引起的振动的合振动。 21 yyy 4-3 光的干涉光的干涉 衍射衍射 偏振偏振 2. 波的干涉波的干涉 干涉现象干涉现象 相干条件相干条件 (1) 频率相同频率相同 (2) 振动方向相同振动方向相同 (3) 相位差恒定相位差恒定 当两列（或多列）相干波叠加，其合振幅当两列（或多列）相干波叠加，其合振幅 A 和合强度和合强度 I 将将 在空间形成一种稳定的分布，即某些点上的振动始终加强，在空间形成一种稳定的分布，即某些点上的振动始终加强， 某些点上的振动始终减弱。某些

12、点上的振动始终减弱。 2 IA 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称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。地排列着几条彩色条纹。 1 s 2 s 明条纹位置明条纹位置 明条纹位置明条纹位置 明条纹位置明条纹位置 S 杨氏双缝实验的意义：首先由它确定了光的波动性杨氏双缝实验的意义：首先由它确定了光的波动性 应用：应用： * 照相机镜头表面的增透膜照相机镜头表面的增透膜 * 人造宝石表面的高反膜人造宝石表面的高反膜 1 2 惠更斯原理惠更斯原理 波的衍射波的衍射 1. 惠更斯原理惠更斯原理 (1) 行进中的波面上任意一点都

13、行进中的波面上任意一点都 可看作是可看作是 新的子波源；新的子波源； (3) 各个子波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。各个子波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。 (2) 所有子波源各自向外发出许多子波；所有子波源各自向外发出许多子波； 已知某一时刻波前，可用几何方法决定下一时刻波前；已知某一时刻波前，可用几何方法决定下一时刻波前； R1 R2 S1 S2 O 1 S 2 S t tt tur 惠更斯原理可以解决波的传播方向问题。波的反射、折射定理。惠更斯原理可以解决波的传播方向问题。波的反射、折射定理。 平面波球面波 2. 波的衍射波的衍射 a 衍

14、射：衍射：波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变， 能绕过障碍物继续前进的现象。能绕过障碍物继续前进的现象。 惠更斯原理可以解释波的衍射现象。惠更斯原理可以解释波的衍射现象。 衍射现象衍射现象: : 所有子波的相干叠加。所有子波的相干叠加。 只闻其声，不见其影只闻其声，不见其影 a a 衍射现象是否明显与波长衍射现象是否明显与波长 和障碍物的大小和障碍物的大小a有关；有关； 当当 a 时，衍射现象不明显；时，衍射现象不明显； 当当 a 时，衍射现象明显时，衍射现象明显； 当当 a 时，衍射现象非常明显。时，衍射现象非常明显。 半波相消半波

15、相消:子波叠加效应很弱子波叠加效应很弱 子波叠加效应明显子波叠加效应明显 为什么在日常生活中声波的衍射比光波的衍射更加明显？为什么在日常生活中声波的衍射比光波的衍射更加明显？ 可见光波长为可见光波长为400 nm 400 nm 760nm 760nm ； 大多数光源为扩展光源而非点光源；大多数光源为扩展光源而非点光源； 通常小孔的衍射光很弱，在明亮环境下不易观察。通常小孔的衍射光很弱，在明亮环境下不易观察。 只闻其声，不见其影只闻其声，不见其影 衍射现象是否明显与波长衍射现象是否明显与波长 和障碍物的大小和障碍物的大小a有关；有关； 当当 a时，衍射现象非常明显。时，衍射现象非常明显。 a 小

16、孔衍射、细缝衍射小孔衍射、细缝衍射 光的衍射光的衍射 衍射屏衍射屏 观察屏观察屏 光源光源 剃须刀边缘衍射剃须刀边缘衍射 L L 单缝衍射图样单缝衍射图样 圆孔衍射图样圆孔衍射图样 光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象 1. 单缝衍射单缝衍射 O D 1 r 2 r a y 暗纹条件暗纹条件karrsin 12 明纹条件明纹条件 2 ) 12(sin 12 karr 相对光强曲线相对光强曲线 0 . 1 I/I0 圆孔衍射 椭圆小孔衍射 方孔衍射 矩孔衍射 直角三角形小孔衍射 等边三角形小孔衍射 菱形小孔衍射 正 n 边 形 小

17、孔 衍 射 n=4 n=6 n=10 n=8 正 n 边 形 小 孔 衍 射 n=3 n=5 n=9 n=7 衍射振幅 Aaib 22 IA A 衍射光强 旋转180o , 衍射图象相同 Aaib 衍射振幅 正 n 边 形 小 孔 衍 射 n=11 n=22 n=12 2. 光栅衍射光栅衍射 大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝( (或反射面或反射面) )构成的光学元件构成的光学元件 称为称为光栅。光栅。 反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅 光栅衍射是光栅衍射是单缝衍射和缝间干涉的共同结果。单缝衍射和缝间干涉的共同结果。 2N 3N 4N 6N 10N 20N 光栅衍射 1 N 20

18、 N 6 N 5 N 3 N 2 N 几种缝的光栅衍射几种缝的光栅衍射 0级级 1级级2级级-2级级-1级级 3级级-3级级 白光的光栅光谱白光的光栅光谱 光的偏振现象光的偏振现象 面对光的传播方向观察面对光的传播方向观察，光矢量始终沿一个固定方向振动，光矢量始终沿一个固定方向振动 线偏振光可以分解成两个相互垂直的分量线偏振光可以分解成两个相互垂直的分量 EExcos EEysin x E y E E 1. 线偏振光线偏振光 2. 自然光自然光 面对光的传播方向观察面对光的传播方向观察 自然光可用两个相互独立、自然光可用两个相互独立、 没有固定相位关系、等振没有固定相位关系、等振 幅且振动方向

19、相互垂直的幅且振动方向相互垂直的 线偏振光表示线偏振光表示。 每个原子发出的波列都是线偏振光，每个原子发出的波列都是线偏振光， 但大量原子发出的波列不再是线偏光，但大量原子发出的波列不再是线偏光， 沿各个方向的振动矢量轴对称分布。沿各个方向的振动矢量轴对称分布。 金属反射不改变偏振态 光是电磁波光是电磁波 三棱镜使光色散三棱镜使光色散 麦克斯韦麦克斯韦 (1831-1879) 建立建立麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 电磁波电磁波 1.1.电磁波发现的历史电磁波发现的历史 法拉第法拉第 1.1.电磁感应电磁感应 现象现象 2.2.提出场的概念提出场的概念 奥斯特发现电流的磁效应奥斯特发现电流的磁效

20、应 c 8 3.0 10 m/sc 光只是电磁波这个光只是电磁波这个“巨大王国巨大王国”（赫兹的话）的一小部（赫兹的话）的一小部 分。整个王国叫做电磁波谱。谱的意思是范围。分。整个王国叫做电磁波谱。谱的意思是范围。 电磁波速度电磁波波长电磁波速度电磁波波长频率频率 2.2.电磁波谱电磁波谱 真空中真空中 将电磁波分为六个区段，分别对应于将电磁波分为六个区段，分别对应于 发送或接收电磁辐射的不同方式。发送或接收电磁辐射的不同方式。 无线电波无线电波 红外线红外线 可见光可见光 紫外线紫外线 X射线辐射射线辐射 射线辐射射线辐射 53 36 77 78 811 1113 10 10 1010 4

21、10 8 10 1010 1010 1010 m m m m m m 波 长 减 小 HzHz: mm: 24 167 1010 103103 无线电波无线电波 产生方式产生方式：通过使电子在人造电路中振动通过使电子在人造电路中振动 的方法产生。的方法产生。 电子沿金属天线振动，这个天线是电路的一部分电子沿金属天线振动，这个天线是电路的一部分 分析分析：赫兹波及大量现代技术产生的波都属于这一类。赫兹波及大量现代技术产生的波都属于这一类。 如如 106 赫兹左右的调幅（赫兹左右的调幅（AM）无线电波、）无线电波、108 赫兹左右调频（赫兹左右调频（FM）无线电波、电视波、雷达波、）无线电波、电视

22、波、雷达波、 微波等。微波等。 伽利略卫星定位系统的最高 精度比美国GPS高10倍，如 果说GPS只能找到街道，伽 利略系统则可找到车库门。 2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三 号甲”运载火箭成功发射第五颗北斗导航卫星, 这是我国今年 连续发射的第三颗北斗导航系统组网卫星。 卫星送入太空预 定转移轨道后，西安卫星测控中心先后发送上千条遥控指令， 使卫星进入距地面36000公里的地球同步轨道。 2009年4月15日0时16分，我国在西昌 卫星发射中心用“长征三号丙”运载 火箭，成功将第二颗北斗导航卫星送 入预定轨道。这次发射的北斗导航卫 星（COMPASSG2），是中

23、国北斗 卫星导航系统（COMPASS，中文音 译名称Bei Dou）建设计划中的第二颗 组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。 2007年4月14日，我国成功发射了第 1颗北斗导航卫星。 北斗系统星座图 红外线（红外辐射）红外线（红外辐射） 产生方式产生方式：分子热能引起的分子无序运动引起的。分子热能引起的分子无序运动引起的。 分析分析：所有物体都有热能，并产生红外辐射，如红外所有物体都有热能，并产生红外辐射，如红外 探测器、夜视仪器，红外摄影等。探测器、夜视仪器，红外摄影等。 接受接受：人体通过感觉感知：人体通过感觉感知 可见光（可见辐射）可见光（可见辐射） 产生方式产生方式：单个原子内运动电子

24、产生的。单个原子内运动电子产生的。 分析分析：这个区域的界定特征很简单，就是人眼对这个这个区域的界定特征很简单，就是人眼对这个 波段的电磁波敏感。视网膜上覆盖着光敏细胞，对波段的电磁波敏感。视网膜上覆盖着光敏细胞，对 不同波长响应不同，大脑把它解释成不同颜色。不同波长响应不同，大脑把它解释成不同颜色。 紫外线（紫外辐射）紫外线（紫外辐射） 产生方式产生方式：单个原子内运动电子产生的。单个原子内运动电子产生的。 分析分析：能量比可见光高，因为频率相对较高。他的频率能量比可见光高，因为频率相对较高。他的频率 适合于许多生物分子分裂，能够破坏和杀死活的细胞。适合于许多生物分子分裂，能够破坏和杀死活的

25、细胞。 紫外辐射被紫外辐射被DNA吸收后，能引起遗传学上显著的变化吸收后，能引起遗传学上显著的变化 即突变。如果突变细胞对其自身进行大量复制，就会即突变。如果突变细胞对其自身进行大量复制，就会 导致癌变。如果精子或卵子内发生细胞突变，就会导导致癌变。如果精子或卵子内发生细胞突变，就会导 致变异的后代。致变异的后代。 紫外线杀菌灯 X射线辐射射线辐射 产生方式产生方式：单个原子内高能电子产生的单个原子内高能电子产生的 分析分析： X射线与生物物质有重要的相互作用。它有足射线与生物物质有重要的相互作用。它有足 够能量使细胞内分子电离，使电子从分子中打出来，够能量使细胞内分子电离，使电子从分子中打出

26、来， 并导致进一步的破坏，能引起突变和癌症，是一种并导致进一步的破坏，能引起突变和癌症，是一种 致电辐射（能量足以使生物物质电离的辐）。致电辐射（能量足以使生物物质电离的辐）。 射线辐射射线辐射 产生方式：产生方式：原子核内的高能核过程产生。原子核内的高能核过程产生。 分析：分析： 射线是致电辐射的一种，它能破坏生物物射线是致电辐射的一种，它能破坏生物物 质，被用来摧毁病变的细胞和治疗癌症。质，被用来摧毁病变的细胞和治疗癌症。 长波长波 中波中波 短波短波 超短波超短波 微波微波 电磁波谱电磁波谱真空中波长真空中波长产生方式产生方式 无无 线线 电电 波波 由线路中由线路中 电磁振荡电磁振荡

27、所激发的所激发的 电磁辐射电磁辐射 m m. m m m m m m m m 1 010 10 1 200 10 103 200 103 103 3 4 3 主要用途主要用途 远距离通讯、导航远距离通讯、导航 无线电广播无线电广播 无线电广播、电报无线电广播、电报 电视、无线电广播电视、无线电广播 电视、雷达电视、雷达 电磁波谱电磁波谱真空中波长真空中波长 产生方式产生方式 由炽热物体、气体放由炽热物体、气体放 电或其他光源激发分电或其他光源激发分 子或原子等微观客体子或原子等微观客体 所产生的电磁辐射所产生的电磁辐射 红外线红外线 7 6 0 1 n m m m 可见光可见光 紫外线紫外线5400nmnm X X射线射线 射线射线 用高速电子流轰击原子中内层电子用高速电子流轰击原子中内层电子 而产生的电磁辐射而产生的电磁辐射 由放射性原子衰变时发出的电磁辐由放射性原子衰变时发出的电磁辐 射或用高能粒子与原子核碰撞所产射或用高能粒子与原子核碰撞所产 生电磁辐射生电磁辐射 400 760 nm nm 主要用途主要用途 热效应热效应 生理作用生理作用 0.045nmnm 0.04 nm 以 下 有