高中物理競(jìng)賽教材(超詳細(xì)) 第十一講 物理光學(xué)

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1、高中物理競(jìng)賽光學(xué)教程第一講幾何光學(xué)　第二講物理光學(xué)第二講物理光學(xué)§2.1光的波動(dòng)性2.1.1光的電磁理論19世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)展了電磁理論，指出光是一種電磁波，使波動(dòng)說(shuō)發(fā)展到了相當(dāng)完美的地步。2.1.2光的干涉1、干涉現(xiàn)象是波動(dòng)的特性凡有強(qiáng)弱按一定分布的干涉花樣出現(xiàn)的現(xiàn)象，都可作為該現(xiàn)象具有波動(dòng)本性的最可靠最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2、光的相干迭加兩列波的迭加問(wèn)題可以歸結(jié)為討論空間任一點(diǎn)電磁振動(dòng)的力迭加，所以，合振動(dòng)平均強(qiáng)度為其中、為振幅，、為振動(dòng)初相位。3、光的干涉陽(yáng)光圖2-1-1(1)雙縫干涉在暗室里，托馬斯·楊利用壁上的小孔得到一束陽(yáng)光。在這束光里，在垂直光束方向

2、里放置了兩條靠得很近的狹縫的黑屏，在屏在那邊再放一塊白屏，如圖2-1-1所示，于是得到了與縫平行的彩色條紋；如果在雙縫前放一塊濾光片，就得到明暗相同的條紋。A、B為雙縫，相距為d，M為白屏與雙縫相距為l，DO為AB的中垂線。屏上距離O為x的一點(diǎn)P到雙縫的距離高中物理競(jìng)賽光學(xué)原子物理學(xué)教程第二講物理光學(xué)L2MNSαd圖2-1-2由于d、x均遠(yuǎn)小于l，因此PB+PA=2l，所以P點(diǎn)到A、B的光程差為：SL圖2-1-3若A、B是同位相光源，當(dāng)δ為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，兩列波波峰與波峰或波谷與波谷相遇，P為加強(qiáng)點(diǎn)（亮點(diǎn)）；當(dāng)δ為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩列波波峰與波谷相遇，P高中物理競(jìng)賽光學(xué)原子物理

3、學(xué)教程第二講物理光學(xué)為減弱點(diǎn)（暗點(diǎn)）。因此，白屏上干涉明條紋對(duì)應(yīng)位置為暗條紋對(duì)應(yīng)位置為。其中k=0的明條紋為中央明條紋，稱為零級(jí)明條紋；k=1，2…時(shí)，分別為中央明條紋兩側(cè)的第1條、第2條…明（或暗）條紋，稱為一級(jí)、二級(jí)…明（或暗）條紋。WLL0W幕幕圖2-1-4相鄰兩明（或暗）條紋間的距離。該式表明，雙縫干涉所得到干涉條紋間的距離是均勻的，在d、l一定的條件下，所用的光波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其干涉條紋間距離越寬?？捎脕?lái)測(cè)定光波的波長(zhǎng)。(2)類雙縫干涉雙縫干涉實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，把一個(gè)光源變成“兩相干光源”即可實(shí)現(xiàn)光的干涉。類似裝置還有①菲涅耳雙面鏡：如圖2-1-2所示，夾角α很小的兩個(gè)平面鏡構(gòu)成一

4、個(gè)雙面鏡（圖中α已經(jīng)被夸大了）。點(diǎn)光源S經(jīng)雙面鏡生成的像和就是兩個(gè)相干光源。②埃洛鏡如圖2-1-3所示，一個(gè)與平面鏡L距離d很小（數(shù)量級(jí)0.1mm）的點(diǎn)光源S，它的一部分光線掠入射到平面鏡，其反射光線與未經(jīng)反射的光線疊加在屏上產(chǎn)生干涉條紋。因此S和就是相干光源。但應(yīng)當(dāng)注意，光線從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，反射光與入射光相位差π，即發(fā)生“并波損失”，因此計(jì)算光程差時(shí)，反身光應(yīng)有的附加光程差。③雙棱鏡圖2-1-4如圖2-1-4所示，波長(zhǎng)的平行激光束垂直入射到雙棱鏡上，雙棱鏡的頂角，寬度w=4.0cm，折射率n=1.5．問(wèn)：當(dāng)幕與雙棱鏡的距離分別為多大時(shí)，在幕上觀察到的干涉條紋的總數(shù)最少和

5、最多？最多時(shí)能看到幾條干涉條紋？S1S2dD圖2-1-5平行光垂直入射，經(jīng)雙棱鏡上、下兩半折射后，成為兩束傾角均為θ的相干平行光。當(dāng)幕與雙棱鏡的距離等于或大于時(shí)，兩束光在幕上的重疊區(qū)域?yàn)榱?，干涉條紋數(shù)為零，最少，當(dāng)幕與雙棱鏡的距離為L(zhǎng)時(shí)，兩束光在幕上的重疊區(qū)域最大，為，干涉條紋數(shù)最多。利用折射定律求出傾角θ，再利用干涉條紋間距的公式及幾何關(guān)系，即可求解．高中物理競(jìng)賽光學(xué)原子物理學(xué)教程第二講物理光學(xué)式中α是雙棱鏡頂角，θ是入射的平行光束經(jīng)雙棱鏡上、下兩半折射后，射出的兩束平行光的傾角。如圖2-1-5所示，相當(dāng)于楊氏光涉，?D,，而條紋間距可見(jiàn)干涉條紋的間距與幕的位置無(wú)關(guān)。當(dāng)幕與雙棱

6、鏡的距離大于等于時(shí)，重疊區(qū)域?yàn)榱?，條紋總數(shù)為零當(dāng)屏與雙棱鏡相距為L(zhǎng)時(shí)，重疊區(qū)域最大，條紋總數(shù)最多相應(yīng)的兩束光的重疊區(qū)域?yàn)椋渲械母缮鏃l紋總數(shù)條。④對(duì)切雙透鏡d（a）??（b）（a）圖2-1-6如圖2-1-6所示，過(guò)光心將透鏡對(duì)切，拉開(kāi)一小段距離，中間加擋光板（圖a）；或錯(cuò)開(kāi)一段距離（圖b）；或兩片切口各磨去一些再膠合（圖c）。置于透鏡原主軸上的各點(diǎn)光源或平行于主光軸的平行光線，經(jīng)過(guò)對(duì)切透鏡折射后，在疊加區(qū)也可以發(fā)生干涉。(3)薄膜干涉當(dāng)透明薄膜的厚度與光波波長(zhǎng)可以相比時(shí)，入射薄膜表面的光線薄滿前后兩個(gè)表面反射的光線發(fā)生干涉。①等傾干涉條紋高中物理競(jìng)賽光學(xué)原子物理學(xué)教程第二講物理光

7、學(xué)ABcD圖2-1-7如圖2-1-7所示，光線a入射到厚度為h，折射率為的薄膜的上表面，其反射光線是，折射光線是b；光線b在下表面發(fā)生反射和折射，反射線圖是，折射線是；光線再經(jīng)過(guò)上、下表面的反射和折射，依次得到、、等光線。其中之一兩束光疊加，、兩束光疊加都能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。a、????????b光線的光程差=如果i=0，則上式化簡(jiǎn)為。由于光線在界面上發(fā)生反射時(shí)可能出現(xiàn)“半波損失”，因此可能還必須有“附加光程差”，是否需要增加此項(xiàng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)界面兩側(cè)的介質(zhì)的折射率來(lái)決定。當(dāng)時(shí)，反射線、