大学物理课件 光的干涉1

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光学是研究光的传播及其与物质相互作用的学科。

光学的发展经历了以下三个阶段： 几何光学：以光的直线传播规律为基础， 研究各种光学仪器的成象理论。 波动光学：研究光的电磁性质和传播规律， ——干涉、衍射、偏振。 量子光学：以光的量子理论为基础，研究 光与物质相互作用的规律。

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§22.1

光是电磁波

19世纪60年代，麦克斯韦建立电磁理论并预言了电磁波的存在 1888年，赫兹从实验上证实了电磁波的存在 1.电磁波传播不需要介质，可以在真空中传播 2.平面电磁波是横波，有两个振动分量：电场和磁场 3. E 与H 同步变化, E H, H u, E u

Eu

H

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由于在光波与物质相互作用时电场强度起主要作用， 电场强度又叫做电矢量或光矢量。 通常，平面光波波函数用电场强度表示：

E E0 cos[ t 4.波速

2

u

c 决定于媒质的介电系数和磁导率 r r nE u H

c

r 0

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可见光

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§22.2 一. 光源E2

光源 单色光 相干光

原子(分子)发光 波列

能级跃迁辐射

E1

= (E2-E1)/h波列长L = c

原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级 为10-8 秒，所发光是一个有限长的正弦波列，波列 长度为0.03~3m,不是严格的单色光。

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普通光源：自发辐射

· ·

独立(不同原子发的光)

独立(同一原子先后发的光)

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二. 光的相干性 1. 光的干涉 两列光波在空间相遇，使空间各点的光强(明暗) 有一稳定的分布，这种现象称为光的干涉。 2. 两列光波的相干条件 (1) 频率相同 (2) 振动方向相同 (3) 有恒定的相位差 3. 两列光波的叠加(只讨论光振动)

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两光波在 p 点引起的光振动：

2 E2 E20 cos( t r2 20 ) 合振动 E E1 E2 E0 cos( t )

E1 E10 cos( t

2

r1 10 )

1 2

r1

·

p

· ·

r2

2 (r2 r1 ) ( 20 10 ) 2 2 E02 E10 E 20 2 E10 E 20 cos

I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos 两波在 p点引起光振动的位相差

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I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos 两列相干光波叠加的光强分布 (1) 对于非相干光源 (2) 对于完全相干光源

cos 0 I I1 I 2 cos cos 干涉项

I I1 I 2 2 I1I 2 cos 两波在 p点引起光振动的位相差：

2 (r2 r1 ) ( 20 10 )

2m (2m 1)

干涉加强干涉减弱

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两波在 p点引起光振动的位相差：

2 (r2 r1 ) ( 20 10 ) 讨论

2m (2m 1)

干涉加强干涉减弱

当 20 - 20 = 0 时

r2 r1 m

——干涉加强

r2 r1 (2m 1)

2

——干涉减弱

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分波面与分振幅 4. 由

普通光源获得相干光的途径

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§22.3一、杨氏双缝实验

双缝干涉k=+2 k=+1 k= 0 k=-1

x

S*

S1 *

S2 *

I

k=-2

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杨氏双缝干涉 杨氏双缝干涉

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干涉条纹间距 x与d、D、 的关系

p

·

r2 r1

c

/d x/ DD m , m 0,1,2… d

明纹暗纹

m (2m 1)

x m

x (2 m 1)

D (2m 1) 2d 2

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干涉条纹间距 x与d、D、 的关系

p

·

r2 r1

/d x/ D

条纹间距

D x xm 1 xm d

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条纹间距条纹特点：

D x d

(1) 一系列平行的明暗相间的等间隔的条纹；(2) 条纹间隔 x ,若用白光照射—彩色干涉条纹红绿紫双缝干涉

(3)条纹间隔 x 1/d,d x 红光双缝-变缝宽