杨氏双缝干涉条纹的特点课件.ppt
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- 杨氏双缝 干涉 条纹 特点 课件
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1、第四节5.9光学基础光学基础本章主要内容:波动光学本章主要内容:波动光学光的干涉光的干涉(Interference );光的衍射光的衍射(Diffraction of Light );光的偏振性(横波光的偏振性(横波 Polarization of Light )。)。一、光谱一、光谱可见光区红外区紫外区紫光红光 (nm)光在人眼视觉范围内的波段为光在人眼视觉范围内的波段为400nm 760nm。可见光二、光的本质二、光的本质光具有光具有波动性波动性和和粒子性粒子性,合称,合称波粒二象性波粒二象性。 光的波动性光的波动性是指是指光是某一波段的电磁波光是某一波段的电磁波。光在不同媒光在不同媒质的
2、分界面上会发生质的分界面上会发生反射反射和和折射折射现象;在传播过程中出现现象;在传播过程中出现干涉干涉、衍射衍射和和偏振偏振等现象。等现象。 光在真空中的传播速度为:光在真空中的传播速度为:smc/1038 光的粒子性光的粒子性是指是指光是由单个的光子构成的光是由单个的光子构成的。光电效。光电效应实验可以证明这一点。应实验可以证明这一点。2. 电磁波是电场强度电磁波是电场强度 与磁场强度与磁场强度 的矢量波的矢量波;)(cos0urtEE)(cos0urtHHEH1. 光是电磁波光是电磁波, 其波动方程是什么其波动方程是什么?3. 光矢量光矢量: 对人眼和感光仪器起作用的主要是电场强对人眼和
3、感光仪器起作用的主要是电场强度度E, 所以人们称所以人们称电场强度电场强度E E为光矢量为光矢量.)(cos0urtEE光波(一一)、光源的发光机制:、光源的发光机制:普通光源:普通光源:自发辐射。自发辐射。每一个分子和原子都相当于每一个分子和原子都相当于一个小光源,一个小光源,(1)它们发出的光的振幅、相位、振动它们发出的光的振幅、相位、振动方向各不相同;方向各不相同;(2)原子发光是间歇的,眼睛感觉到原子发光是间歇的,眼睛感觉到的光强是平均光强的光强是平均光强; (3)波列的长度即相干长度。)波列的长度即相干长度。 独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原
4、子先后发的光)能级跃迁辐射能级跃迁辐射高能级高能级E2低能级低能级E1光子光子结论:结论:普通光源普通光源不是相干光源。不是相干光源。1.频率相同;频率相同;2.振动方向一致;振动方向一致;3.有恒定的相位差;有恒定的相位差;两束光:两束光:u来自两个普通光源或同一个光源的不同部分来自两个普通光源或同一个光源的不同部分的光相遇叠加时,不可能产生干涉现象。的光相遇叠加时,不可能产生干涉现象。 普通光源:普通光源:太阳光、电灯、手电筒、煤油灯太阳光、电灯、手电筒、煤油灯等发等发出来的光,没有干涉现象发生,出来的光,没有干涉现象发生,为什么?为什么? 因为它们不是相干波源,发射的光波不是相干波,因为
5、它们不是相干波源,发射的光波不是相干波,所以普通光相遇,没有干涉现象发生。所以普通光相遇,没有干涉现象发生。相干光 一入射波传播到带有小孔的屏时,不论入射波的波阵面是什么形状,通过小孔时,在小孔的另一侧都产生以小孔作为点波源的前进波,可将其抽象为从小孔处发出的一种次波或子波,其频率与入射波频率相同。(三)、相干光的获得(三)、相干光的获得1. .分波阵面法分波阵面法2. .分振幅法分振幅法 在点光源的同一波面上取两个点,使这两点发在点光源的同一波面上取两个点,使这两点发出的子波出的子波经过不同的路径后再相遇经过不同的路径后再相遇产生干涉的方法为产生干涉的方法为分波阵面法分波阵面法。如杨氏双缝干
6、涉实验。如杨氏双缝干涉实验。 一束光线经过介质薄膜界面的反射与折射,形成一束光线经过介质薄膜界面的反射与折射,形成的两束光线产生干涉的方法为的两束光线产生干涉的方法为分振幅法分振幅法。如薄膜、劈。如薄膜、劈尖、牛顿环等。尖、牛顿环等。 原理:原理:使一个使一个点光源点光源的的同一个点同一个点发出的光分成两发出的光分成两个或两个以上的相干光束,使它们各经过不同的路径个或两个以上的相干光束,使它们各经过不同的路径后再相遇以产生干涉。后再相遇以产生干涉。1S S分波阵面法分波阵面法波源波源相干光的产生方法:相干光的产生方法:分波阵面法分波阵面法*光源光源1s2s分振幅法分振幅法一一. 杨氏双缝干涉实
7、验杨氏双缝干涉实验一、一、 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验DxOP1r2rsin12drr S 线光源,线光源,G 是一个遮光屏,其上有两条与是一个遮光屏,其上有两条与 S 平行的狭缝平行的狭缝S1、S2,且与,且与S 等距离,因此等距离,因此S1、S2 是相干光源,且相位相同;是相干光源,且相位相同; S1、S2 之间的距离是之间的距离是d ,到屏的距离是,到屏的距离是D。干涉条纹干涉条纹I光强分布S1S2SdG点的波程差为发出的光波到,由PSS21单色光单色光分波阵面法分波阵面法在在P点发生相长干涉的条件为点发生相长干涉的条件为) 1 (, 2 , 1 , 012kkrr在在P点发生相消
8、干涉的条件为点发生相消干涉的条件为)(,k)k(rr2321021212 P点处出现明条纹点处出现明条纹P点处出现暗条纹点处出现暗条纹 波程差为其它值的点波程差为其它值的点,光强介于最明与最暗之间。光强介于最明与最暗之间。因此上述两条纹分别是因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心明纹中心和暗纹中心。 相邻两明纹或暗纹间的距离为:相邻两明纹或暗纹间的距离为: Dtgx由图可知:, 2 , 1 , 0kdDkx暗纹中心的位置:暗纹中心的位置:, 3 , 2 , 12) 12(kdDkxdDx PS1S2SDxOd1r2r当当很小时,即很小时,即Dd,Dxtg sin代入代入(1)、(2)式,可得式
9、,可得明纹中心的位置:明纹中心的位置:说明:说明:1. x=0时,对应于零级明条纹零级明条纹; 光程差=0;2. 在零级明条纹两侧对称分布着第一级、第二级第k级明条纹;3. 杨氏双缝干涉图样的干涉条纹是等间隔、对称分布等间隔、对称分布的0 n=-1n=-2n=-3n=-4n=-5n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 杨氏双缝干涉条纹的特点:杨氏双缝干涉条纹的特点:1. 屏幕中心为零级亮条纹,两侧为平行等间距的明暗屏幕中心为零级亮条纹,两侧为平行等间距的明暗相间条纹;相间条纹;4. 当当D 、 一定时,一定时,x与与d成反比,成反比,d越小,条越小,条纹分辨越清。纹分辨越清。3. 干涉条纹不仅
10、出现在屏上,凡是两光束重叠的区域干涉条纹不仅出现在屏上,凡是两光束重叠的区域都存在干涉,故杨氏双缝干涉属于非定域干涉。都存在干涉,故杨氏双缝干涉属于非定域干涉。 dDx 2. 条纹间距:条纹间距:应用:应用: 利用干涉条纹间距,测量未知光波的波长利用干涉条纹间距,测量未知光波的波长;1 k2 k3 kk=0 x05. x与与 成正比,用成正比,用白光白光做光源时,除中央明纹是白光外,其做光源时,除中央明纹是白光外,其它各级条纹是彩色条纹,它各级条纹是彩色条纹,紫在内红在外紫在内红在外;6.1与与 2为整数比时,某些级次的条纹发生重叠。为整数比时,某些级次的条纹发生重叠。 k11=k22,高级次
11、的条纹发生交叠而模糊不清。高级次的条纹发生交叠而模糊不清。白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片讨论题:讨论题:1. 如果用两个灯泡分别照亮如果用两个灯泡分别照亮S1、S2缝,能否看到干涉条纹?缝,能否看到干涉条纹?2. S1缝后贴一红色玻璃纸,缝后贴一红色玻璃纸,S2缝后贴一绿色玻璃纸,能否看到缝后贴一绿色玻璃纸,能否看到干涉条纹?干涉条纹?例题:例题:在双缝干涉实验中,在双缝干涉实验中,双缝与屏的间距双缝与屏的间距D=1m,双缝间距,双缝间距d=0.2mm,屏幕上,屏幕上第二级明条纹位置为第二级明条纹位置为x=6.2mm,求
12、光波的波长?,求光波的波长?dDx 解:解:nm 620, 2 , 1 , 0kdDkx杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉, 要求明确以下问题:要求明确以下问题:1、如何获得的相干光;、如何获得的相干光; 2、明、暗纹条件公式;、明、暗纹条件公式; 3、干涉条纹特点:、干涉条纹特点:形状、形状、间距、间距、 级次位置分布级次位置分布; 一定时,若一定时,若 变化,则变化,则 将怎样变化?将怎样变化?Dd、x1)讨论讨论)1(k条纹间距条纹间距: dDx=700nm 550nm 400nm=700nm 550nm 400nm2) 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何?的关系如何?xd 一定时,一定时,D、)
13、1(k条纹间距条纹间距: dDx三三 . 劳埃镜实验劳埃镜实验1sPM2sdDPL半波损失半波损失注意注意光在界面反射时相位发生突变的现象光在界面反射时相位发生突变的现象,称为半波损失现象称为半波损失现象;4.半波损失半波损失(1 ) 当光从折射率当光从折射率大大的的光密介质光密介质,入射于折射率入射于折射率小小的的光疏介质光疏介质时,反射光没有半波损失。时,反射光没有半波损失。(2) 当光从折射率当光从折射率小小的光疏介质,的光疏介质,正入射或掠入射正入射或掠入射于折射率于折射率大大的光的光密介质时,则反射光有半波损失。密介质时,则反射光有半波损失。1n2n21nn 1n2n21nn 有有半
14、波损失半波损失没有没有半波损失半波损失二二. 洛埃镜实验洛埃镜实验当屏幕当屏幕W移至移至B处,从处,从 S 和和 S 到到B点的光程差为零,但是观点的光程差为零,但是观察到暗条纹,察到暗条纹,验证了反射时有验证了反射时有半波损失存在,反射光具有半波损失存在,反射光具有 的相位突变的相位突变。S SMLdpQ pQBA光栏W5.5 光程差光程差 薄膜干涉薄膜干涉2叫光程差叫光程差光程光程:光在某一媒质中行进的几何路程:光在某一媒质中行进的几何路程r与该媒质的与该媒质的折射率折射率n的乘积的乘积nr叫做叫做光程光程。相位差与光程差的关系相位差与光程差的关系光在介质中传播,通过路径为r时,相位的改变
15、为:r2nncn对于折射率为n的介质,波长为:1122rnrn其相应相位的改变为:nr2一. 光程差光程差 光在真空中的波长光在真空中的波长,速度,速度c,在折射率为,在折射率为n1的介质的介质中的波长为中的波长为1,速度为,速度为 1,则,则1111ncnPS1S2r1 n1r2 n2)/(2cos)/(2cos22221111rtAyrtAy11222rnrnn由此可知:相位差不只由几何路程之差由此可知:相位差不只由几何路程之差 (r2r1) 决决定,而决定于光程差定,而决定于光程差 (n2 r2 n1r1) 。一、一、光程差光程差 dnrr12212 1122rnrn 例如:光程差的计算
16、例如:光程差的计算 dnrrnddrr11212 例例、杨氏双缝干涉实验中,若在下缝杨氏双缝干涉实验中,若在下缝S2盖住一均匀介质,盖住一均匀介质,折射率为折射率为n(1),厚度为,厚度为t,则中央明纹向,则中央明纹向 平移,平移,n若所用波长为若所用波长为 550nm, 中央明纹将被第六级明纹取代,中央明纹将被第六级明纹取代,设设t=5.5m, 折射率为折射率为 。下下1.60)1(1)(tnrnttr6.1166)1(tntntnrrS1S2O例题例题杨氏双缝干涉实验中,双缝间距为杨氏双缝干涉实验中,双缝间距为0.45 mm,所用波,所用波长为长为 540nm的光照射,的光照射,(1) 要
17、使光屏上条纹间距为要使光屏上条纹间距为1.2mm,光屏距离双缝多远?,光屏距离双缝多远?(2)若用折射率为若用折射率为1.5,厚度为厚度为9.0 m的的薄玻璃片盖住薄玻璃片盖住S2缝,则干涉条纹如缝,则干涉条纹如何变化?中央明纹如何平移?何变化?中央明纹如何平移?干涉条纹整体向下平移干涉条纹整体向下平移10mm;解:中央明纹对应:解:中央明纹对应: 0tnr1r2xo中央明纹中央明纹0)1()1(12xDdtnrrtnx =-10 mmS1S2补充例补充例2两个狭缝分别用两个狭缝分别用n1=1.4和和n2=1.7的厚的厚度相同的玻璃片遮盖,在光屏上原来的中央明度相同的玻璃片遮盖,在光屏上原来的
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