大学物理第5版课件-第11章-光学

光学第十一章2本章目录11-1相干光11-5迈克耳孙干涉仪11-4劈尖牛顿环11-3光程薄膜干涉11-2杨氏双缝干涉实验劳埃德镜11-0教学基本要求11-6光的衍射11–7单缝衍射物理学第五版3本章目录11-12双折射偏振棱镜11-11反射光和折射光的偏振11-10光的偏振性马吕斯定律11-9衍射光栅11-8圆孔衍射光学仪器的分辨本领*11-13液晶显示物理学第五版*11-14几何光学4

光的干涉

一

理解相干光的条件及获得相干光的方法.

二

掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.11-0教学基本要求5

三

能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置.

四了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.11-0教学基本要求6

二了解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响.

光的衍射一了解惠更斯－菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释.11-0教学基本要求7

三理解光栅衍射公式,

会确定光栅衍射谱线的位置，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响.

四了解衍射对光学仪器分辨率的影响.

五了解x

射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义.11-0教学基本要求8光的偏振

一

理解自然光与偏振光的区别.二理解布儒斯特定律和马吕斯定律.三了解双折射现象.四了解线偏振光的获得方法和检验方法.

11-0教学基本要求END9一光是一种电磁波平面电磁波方程

光矢量E矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量.

真空中的光速10可见光的范围二相干光1

普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁基态激发态11P21

普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列,

各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.122

相干光的产生振幅分割法波阵面分割法*光源END13实验装置p一杨氏双缝干涉实验波程差14实验装置p加强

减弱15暗纹

明纹p16讨论条纹间距

明、暗条纹的位置白光照射时，出现彩色条纹暗纹

明纹17(1)

一定时，若变化,

则将怎样变化？18(2)一定时,条纹间距与的关系如何？19

例1

在杨氏双缝干涉实验中，用波长

=589.3nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离d’=800nm，问：

(1)当双缝间距１mm时，两相邻明条纹中心间距是多少？

(2)假设双缝间距10mm，两相邻明条纹中心间距又是多少？20解(1)

d=1mm时

(2)

d=10mm时

已知

=589.3nmd’=800nm求(1)

d=1mm时

(2)

d=10mm时

21例2以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m.

(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长；

(2)若入射光的波长为600nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？22解(1)(2)

已知求(1)

(2)

23二缝宽对干涉条纹的影响空间相干性实验观察到，随缝宽的增大，干涉条纹变模糊，最后消失．

空间相干性24三劳埃德镜

半波损失：光由光速较大的介质射向光速较小的介质时，反射光位相突变.PML25例2如图离湖面h=0.5m处有一电磁波接收器位于C

，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续地检测到一系列极大值.已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0cm,求第一次测到极大值时，射电星的方位与湖面所成的角度.ACB1226解计算波程差ACB12极大时27取

考虑半波损失时，附加波程差取均可，符号不同，取值不同，对问题实质无影响.注意ACB12END28一光程光在真空中的速度光在介质中的速度真空中的波长介质的折射率介质中的波长29*P*30

波程差

相位差

*P*介质中的波长31

物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程.*P*

(1)光程:介质折射率与光的几何路程之积=32(2)光程差

(两光程之差)光程差*P*相位差33

干涉加强

干涉减弱34AB二透镜不引起附加的光程差AB焦平面35PL三薄膜干涉DC34E5A1B236PLDC34E5A1B237

反射光的光程差加强减弱PLDC34E5A1B238

透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.根据具体情况而定PLDC34E5A1B239

当光线垂直入射时当时当时40

例一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域,在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的油污.

(1)如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色?

(2)如果一潜水员潜入该区域水下，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？41解

(1)绿色已知n1=1.20n2=1.30d=460nm42(2)透射光的光程差红光紫光紫红色43

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.4423玻璃取（增强）氟化镁为增透膜例为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度．已知空气n1=1.00，氟化镁n2=1.38

，

=550nm减弱解

则END45SM劈尖角一劈尖46明纹暗纹47劈尖干涉（明纹）（暗纹）讨论

(1)棱边处为暗纹.48(2)相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉49劈尖干涉

(3)条纹间距50

(4)干涉条纹的移动51

例1

波长为680nm的平行光照射到L=12

cm长的两块玻璃片上，两玻璃片的一边相互接触，另一边被厚度Ｄ=0.048mm的纸片隔开.试问在这12cm长度内会呈现多少条暗条纹?解52共有142条暗纹53(2)测膜厚(1)干涉膨胀仪

劈尖干涉的应用54(3)检验光学元件表面的平整度55空气(4)测细丝的直径56二牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差57

牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SLM半透半反镜TR明纹暗纹rd光程差Rrd暗环半径明环半径(1)从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？(2)属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？暗环半径明环半径讨论(4)应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.(3)将牛顿环置于的液体中，条纹如何变？工件标准件62

测量透镜的曲率半径63SL

例2

如图所示为测量油膜折射率的实验装置，在平面玻璃片G上放一油滴，并展开成圆形油膜，在波长的单色光垂直入射G下，从反射光中可观察到油膜所形成的干涉条纹．已知玻璃的折射率为，油膜的折射率，问：当油膜中心最高点与玻璃64SL片的上表面相距时，干涉条纹是如何分布的？可看到几条明纹？明纹所在处的油膜厚度为多少?G解条纹为同心圆明纹65油膜边缘由于故可观察到四条明纹

.66讨论油滴展开时，条纹间距变大，条纹数减少67总结

(1)干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹.68

(2)厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距.(3)条纹的动态变化分析（变化时）69(4)半波损失需具体问题具体分析.END70一迈克耳孙干涉仪光路及结构单色光源反射镜反射镜与成角补偿板分光板

移动导轨71反射镜反射镜单色光源光程差

的像72当不垂直于时，可形成劈尖型等厚干涉条纹.反射镜反射镜单色光源73干涉条纹移动数目二迈克耳孙干涉仪的主要特性(1)两相干光束完全分开；

(2)两光束的光程差可调.移动距离移动反射镜74

干涉条纹的移动

当与之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,

干涉条纹变密；距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进,

干涉条纹变稀.75插入介质片光程差光程差变化光程差76干涉条纹移动数目介质片厚度77

例

在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入

长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个则储有压强为的空气,用以测量空气的折射率.设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到为止.在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率.78解已知END79一光的衍射现象

光在传播过程中若遇到尺寸比光的波长大得不多的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布的现象80二惠更斯-菲涅耳原理：波阵面上面元

(子波波源)子波在点引起的振动振幅并与有关.：时刻波阵面*e81：波阵面上面元

(子波波源)：时刻波阵面*e

菲涅耳指出波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定.82三菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源、屏与缝相距无限远缝菲涅耳衍射缝光源、屏与缝相距有限远83在实验中实现夫琅禾费衍射END84夫琅禾费单缝衍射（衍射角：向上为正，向下为负）菲涅耳波带法衍射角85一半波带法缝长86干涉相消(暗纹)干涉加强(明纹)（介于明暗之间）

个半波带

个半波带中央明纹中心（个半波带）87二光强分布干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）88当较小时，89干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）讨论90(1)第一暗纹距中心的距离第一暗纹的衍射角91

一定，越大，越大，衍射效应越明显.光直线传播

增大，减小

一定减小，增大衍射最大第一暗纹的衍射角92角范围线范围中央明纹的宽度(2)中央明纹（的两暗纹间）93

单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？94越大，越大，衍射效应越明显.

入射波长变化，衍射效应如何变化?95(3)条纹宽度（相邻条纹间距）除了中央明纹外其它明纹的宽度干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）96(4)单缝衍射的动态变化单缝上移，零级明纹仍在透镜光轴上.

单缝上下移动，根据透镜成像原理衍射图不变.97(5)入射光非垂直入射时光程差的计算（中央明纹向下移动）98（中央明纹向上移动）99

例1

一单缝，宽为b=0.1mm，缝后放有一焦距为50cm的会聚透镜，用波长

=546.1nm的平行光垂直照射单缝，试求位于透镜焦平面处的屏幕上中央明纹的宽度和中央明纹两侧任意两相邻暗纹中心之间的距离．如将单缝位置作上下小距离移动，屏上衍射条纹有何变化？解中央明纹宽度其它明纹宽度100如将单缝位置作上下小距离移动，屏上衍射条纹不变101

例2

如图，一雷达位于路边15m

处，它的射束与公路成角.

假如发射天线的输出口宽度，发射的微波波长是18mm

，则在它监视范围内的公路长度大约是多少？102

解将雷达天线输出口看成是发出衍射波的单缝，衍射波能量主要集中在中央明纹范围内.103根据暗纹条件END104一圆孔衍射艾里斑：艾里斑直径105二瑞利判据106

对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），一个点光源的衍射图样的主极大刚好和另一点光源衍射图样的第一极小相重合，这时两个点光源（或物点）恰为这一光学仪器所分辨.107三光学仪器的分辨本领**光学仪器的通光孔径108最小分辨角光学仪器分辨率1091101990

年发射的哈勃太空望远镜的凹面物镜的直径为2.4m，最小分辨角在大气层外615km

高空绕地运行,可观察130亿光年远的太空深处，发现了500亿个星系.

111

例1

设人眼在正常照度下的瞳孔直径约为3mm，而在可见光中，人眼最敏感的波长为550nm，问

(1)人眼的最小分辨角有多大？

(2)若物体放在距人眼25cm（明视距离）处，则两物点间距为多大时才能被分辨？112解(1)(2)113

例2

毫米波雷达发出的波束比常用的雷达波束窄，这使得毫米波雷达不易受到反雷达导弹的袭击.

(1)有一毫米波雷达，其圆形天线直径为55cm，发射频率为220GHz的毫米波，计算其波束的角宽度；

(2)将此结果与普通船用雷达发射的波束的角宽度进行比较，设船用雷达波长为1.57cm，圆形天线直径为2.33m

.114解(1)(2)END115一光栅等宽度、等距离的狭缝排列起来的光学元件.衍射角116二光栅衍射条纹的形成光栅常数：光栅常数衍射角b：透光部分的宽度b’：不透光部分的宽度117明纹位置相邻两缝间的光程差：

光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果118讨论

光强分布119

条纹最高级数120

光栅中狭缝条数越多，明纹越细.(a)1条缝(f)20条缝(e)6条缝(c)3条缝(b)2条缝(d)5条缝121一定，减少，增大．一定，增大，增大．光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远.

入射光波长越大，明纹间相隔越远.122入射光为白光时，形成彩色光谱.三衍射光谱一级光谱二级光谱三级光谱123例如二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分：124连续光谱：炽热物体光谱线状光谱：放电管中气体放电带状光谱：分子光谱衍射光谱分类125光谱分析由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强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条刻痕的平面光栅上，求第三级光谱的张角.解红光紫光不可见127第三级光谱的张角第三级光谱所能出现的最大波长绿光1281885年伦琴发现，受高速电子撞击的金属会发射一种穿透性很强的射线称Ｘ射线.X射线冷却水<三X

射线的衍射129劳厄斑点铅板单晶片

照像底片

单晶片的衍射1912年劳厄实验130

1913年英国布拉格父子提出了一种解释Ｘ射线衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物理学诺贝尔奖.布拉格反射入射波散射波131掠射角晶格常数

相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件

布拉格公式布拉格反射入射波散射波132

用途测量射线的波长研究X射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能.例如对大分子DNA晶体的成千张的X射线衍射照片的分析，显示出DNA分子的双螺旋结构.

布拉格公式133DNA

晶体的X衍射照片DNA

分子的双螺旋结构END134光的波动性光的干涉、衍射.光波是横波光的偏振.机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝135符号表示一自然光偏振光

自然光：一般光源发出的光，包含各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等.注意

各光矢量间无固定的相位关系.

二互相垂直方向是任选的

.136振动面

偏振光（线偏振光）符号表示光振动只沿某一固定方向的光.137

部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示138二偏振片起偏与检偏

二向色性

:某些物质能吸收某一方向的光振动,

而只让与这个方向垂直的光振动通过,

这种性质称二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.139

起偏

偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向.偏振化方向起偏器140检偏器

检偏起偏器141NM三马吕斯定律（1880

年）检偏器起偏器NM

马吕斯定律142

例有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器．当它们偏振化方向间的夹角为时,

一束单色自然光穿过它们,出射光强为；当它们偏振化方向间的夹角为时，另一束单色自然光穿过它们,

出射光强为

,

且.求两束单色自然光的强度之比.143

解设两束单色自然光的强度分别为I10

和I20.经过起偏器后光强分别为和经过检偏器后144

在两块正交偏振片p1,p3

之间插入另一块偏振片p2

，光强为I0

的自然光垂直入射于偏振片p1

，讨论转动p2

透过p3

的光强I与转角的关系.讨论145146147若

在间变化，如何变化？END148

入射面入射光线和法线所成的平面.

反射光部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动.光反射与折射时的偏振空气玻璃149

折射光

部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.

理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.150布儒斯特定律（1812年）反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光．当时，玻璃空气151(1)反射光和折射光互相垂直.讨论152

(2)根据光的可逆性，当入射光以角从介质入射于界面时，此角即为布儒斯特角.玻璃玻璃153注意

对于一般的光学玻璃,

反射光的强度约占入射光强度的7.5%

,

大部分光将透过玻璃.利用玻璃片堆产生线偏振光154讨论讨论光线的反射和折射(起偏角)155

讨论如图的装置为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？156无（两振动互相垂直）(1)去掉保留(2)去掉保留(3)去掉保留(4)

都保留无（两振动互相垂直）无（无恒定相位差）有15