大學(xué)物理第五版ch136-138(有鏈接)

1、本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：13.1 光是電磁波光是電磁波13.2 光源光源 光波的疊加光波的疊加13.3 獲得相干光的方法獲得相干光的方法 楊氏實(shí)驗(yàn)楊氏實(shí)驗(yàn)13.4 光程與光程差光程與光程差13.5 薄膜等厚干涉薄膜等厚干涉13.6 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜13.9 線(xiàn)偏振光線(xiàn)偏振光 自然光自然光13.10 偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏 馬呂斯定律馬呂斯定律13.11 反射和折射產(chǎn)生的偏振反射和折射產(chǎn)生的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射13.6 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理1. 現(xiàn)象現(xiàn)象1

2、3.6.1 光的衍射現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象2. 光的衍射現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象光在傳播過(guò)程中繞過(guò)障礙物的邊緣而偏離直光在傳播過(guò)程中繞過(guò)障礙物的邊緣而偏離直線(xiàn)傳播的現(xiàn)象。線(xiàn)傳播的現(xiàn)象。r說(shuō)明說(shuō)明衍射現(xiàn)象是否明顯取決于衍射現(xiàn)象是否明顯取決于障礙物障礙物線(xiàn)度與波長(zhǎng)的線(xiàn)度與波長(zhǎng)的對(duì)比，波長(zhǎng)越大對(duì)比，波長(zhǎng)越大障礙物障礙物越小，衍射越明顯。越小，衍射越明顯。SSl 同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的子波都是相干波。同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的子波都是相干波。 各子波在某點(diǎn)相干疊加，決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。各子波在某點(diǎn)相干疊加，決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。1. 原理內(nèi)容原理內(nèi)容( (菲涅耳補(bǔ)充菲涅耳補(bǔ)充) )2. 原理數(shù)學(xué)表達(dá)原理數(shù)學(xué)表達(dá)13.6.

3、2 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理S 在在P點(diǎn)引起的振動(dòng)為：點(diǎn)引起的振動(dòng)為：)(cos)()()(0pptEPEP 處波的強(qiáng)度：處波的強(qiáng)度：2)(0 ppEI r說(shuō)明說(shuō)明(1)(1)對(duì)于一般衍射問(wèn)題，用數(shù)學(xué)計(jì)算方法十分對(duì)于一般衍射問(wèn)題，用數(shù)學(xué)計(jì)算方法十分復(fù)雜，實(shí)際中常用復(fù)雜，實(shí)際中常用半波帶法半波帶法分析。分析。(2) 惠更斯惠更斯菲涅耳原理在惠更斯原理基礎(chǔ)上給菲涅耳原理在惠更斯原理基礎(chǔ)上給出了子波在傳播過(guò)程中振幅變化及相位關(guān)。出了子波在傳播過(guò)程中振幅變化及相位關(guān)。sSdrPQ3. 衍射分類(lèi)衍射分類(lèi)（菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射）1L2L在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍

4、射夫瑯禾費(fèi)衍射SRP夫夫 瑯瑯 禾禾 費(fèi)費(fèi) 衍衍 射射縫縫菲菲 涅涅 爾爾 衍衍 射射縫縫PS光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)光源、屏與縫相距無(wú)限遠(yuǎn)光源、屏與縫相距無(wú)限遠(yuǎn) 13.6 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 2k夫夫 瑯瑯 禾禾 費(fèi)費(fèi) 單單 縫縫 衍衍 射射衍射角衍射角（衍射角（衍射角 ：向上為正，向下為負(fù)：向上為正，向下為負(fù) . .）ofLPRABsinaQC菲涅爾波帶法菲涅爾波帶法衍射角衍射角asinaBC), 3 ,2, 1(k一、半波帶法解釋衍射圖樣一、半波帶法解釋衍射圖樣1. 出射光方向平行主光軸出射光方向平行主光軸夫

5、夫 瑯瑯 禾禾 費(fèi)費(fèi) 單單 縫縫 衍衍 射射aofLPRAB 結(jié)論：結(jié)論：中央為明紋中央為明紋13.7.1 單縫單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射的夫瑯禾費(fèi)衍射 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 oPRABQ22sina23sina1A2AC2/oQABRLPC1A2/L2. 出射光方向與主光軸出射光方向與主光軸 成成 角（角（ 為衍射角為衍射角)暗紋暗紋明紋明紋a縫長(zhǎng)縫長(zhǎng)AB1AaAB1A2A 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 將縫分成了將縫分成了2個(gè)個(gè)半波帶半波帶將縫分成了將縫分成了3個(gè)個(gè)半波帶半波帶), 3 ,2, 1(kkka22sin干涉相消（干涉相消（）2) 12(si

6、nka干涉加強(qiáng)（干涉加強(qiáng)（）2sinka（介于（介于明明暗暗之間）之間）LoPRQAB1A2AC2/sinaBC 2k（ 個(gè)半波帶）個(gè)半波帶）k 個(gè)半波帶個(gè)半波帶k2 個(gè)半波帶個(gè)半波帶12 k0sina中央明紋中心中央明紋中心 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 歸納：歸納：sinIoaa2a3aa2a3二、光強(qiáng)分布二、光強(qiáng)分布kka22sin干涉相消（干涉相消（）2) 12(sinka干涉加強(qiáng)（干涉加強(qiáng)（） 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 sinIoaa2a3aa2a31L2LfaSRPOxxsinfx當(dāng)當(dāng) 較小時(shí)，較小時(shí)，xfafafa2fa2fa3fa3 13

7、.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 討討 論論單縫衍射條紋的特點(diǎn)單縫衍射條紋的特點(diǎn)1. 明紋（或暗紋）距屏中心明紋（或暗紋）距屏中心 的距離的距離o2. 中央明紋寬度中央明紋寬度afxl/2210暗afkafkx22暗afkx2) 12(明tgfxtgsin22sinka2) 12(sinka 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 321、k一級(jí)明（暗）紋一級(jí)明（暗）紋二級(jí)明（暗）紋二級(jí)明（暗）紋RPLoafx4. 第一級(jí)暗紋衍射角第一級(jí)暗紋衍射角aarcsin1暗3. 其它明紋寬度其它明紋寬度0121lafxxlkk暗暗kasin1k 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯

8、禾費(fèi)衍射 光直線(xiàn)傳播光直線(xiàn)傳播0 , 01a 增增大大， 減減??；??；1a 一定一定減減小小， 增增大；大；1a2 ,1a衍射最大衍射最大RPLoafx 單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？ 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化 ? ? 越大，越大， 越大，衍射效應(yīng)越明顯越大，衍射效應(yīng)越明顯. .（白光照射時(shí)，（白光照射時(shí)，中央白紋中央白紋,兩側(cè)兩側(cè)紫紫內(nèi)內(nèi)紅紅外彩紋）外彩紋）1 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 021/lafl小小結(jié)結(jié)一、單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射一、單縫的夫瑯

9、禾費(fèi)衍射 衍射圖樣：衍射圖樣：平行于縫的平行于縫的明暗相間的條紋。明暗相間的條紋。 白光照射，中央白紋，兩側(cè)白光照射，中央白紋，兩側(cè)紫紫內(nèi)內(nèi)紅紅外外彩紋。彩紋。kka22sin2)12(sinka二、明（暗）紋條件二、明（暗）紋條件 三、明（暗）紋位置三、明（暗）紋位置 四、中央明紋和其它明紋寬度四、中央明紋和其它明紋寬度afl/20afkafkx22暗afkx2) 12(明321、k例例PHL艾艾里里斑斑dDfd22. 12：艾里斑直徑艾里斑直徑ddfDLP13.7.2 圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射（分辨角和分辨本領(lǐng)）分辨角和分辨本領(lǐng)） 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射

10、 D為通光孔徑為通光孔徑一、分辨率一、分辨率（瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)）對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的點(diǎn)光源對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的點(diǎn)光源( (物點(diǎn)物點(diǎn)) )，一個(gè)光源，一個(gè)光源衍射圖樣的衍射圖樣的主極大主極大剛好和另一光源衍射圖樣剛好和另一光源衍射圖樣第第一極小一極小相相重合重合，這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源（或物點(diǎn)）恰，這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源（或物點(diǎn)）恰為這一光學(xué)儀器所分辨為這一光學(xué)儀器所分辨. .08 . 0 I 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 *1s2sf二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)2dDfd22. 120D22.10最小分辨角最小分辨角（兩光點(diǎn)剛好能分辨）（兩光點(diǎn)剛好能分辨）光學(xué)儀器分辨率光學(xué)儀器分

11、辨率22.110DRDfd22. 12光學(xué)儀器的通光孔徑光學(xué)儀器的通光孔徑D0 13.7 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射 人眼睛的瞳孔直徑人眼睛的瞳孔直徑r小結(jié)小結(jié)D22.1022.110DR光學(xué)儀器最小分辨角和分辨本領(lǐng)光學(xué)儀器最小分辨角和分辨本領(lǐng)D22. 1 眼睛的最小分辨角為眼睛的最小分辨角為cm 120d設(shè)人離車(chē)的距離為設(shè)人離車(chē)的距離為 S 時(shí)時(shí)，恰能分辨這兩盞燈恰能分辨這兩盞燈。931055022. 120. 1100 . 322. 1DddSm5364Sd取取例例 在迎面駛來(lái)的汽車(chē)上在迎面駛來(lái)的汽車(chē)上, ,兩盞前燈相距兩盞前燈相距120 cm ，設(shè)夜間人眼瞳孔直徑為設(shè)夜間人眼瞳

12、孔直徑為3.0 mm , ,入射光波為入射光波為 550 nm。求求 人在離汽車(chē)多遠(yuǎn)的地方，眼睛恰能分辨這兩人在離汽車(chē)多遠(yuǎn)的地方，眼睛恰能分辨這兩 盞燈？盞燈？解解d =120 cmS由題意有由題意有mm 0 . 3Dnm 550 觀察者觀察者13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜13.8.1 衍射光柵衍射光柵 許多許多平行、平行、等寬、等距離等寬、等距離的狹縫排起來(lái)的光學(xué)元件的狹縫排起來(lái)的光學(xué)元件. .1. 光柵的構(gòu)成光柵的構(gòu)成光柵常數(shù)：光柵常數(shù)：m101065a：透光部分的寬度：透光部分的寬度b :不透光部分的寬度不透光部分的寬度Nba1單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度內(nèi)刻痕內(nèi)刻痕abba光柵常數(shù)

13、光柵常數(shù)衍射角衍射角QoLPf衍射角衍射角xffinx s2. 光柵的夫瑯禾費(fèi)衍射光柵的夫瑯禾費(fèi)衍射 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜包絡(luò)線(xiàn)為單縫衍射包絡(luò)線(xiàn)為單縫衍射的光強(qiáng)分布圖的光強(qiáng)分布圖中中央央亮亮紋紋k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=-4k=-5k=3k=-3k=6k=-6光柵衍射是光柵衍射是單縫衍射單縫衍射和和縫與縫之間干涉縫與縫之間干涉兩種效應(yīng)兩種效應(yīng)的疊加，的疊加，縫數(shù)縫數(shù) N = 4 時(shí)時(shí)光柵衍射的光強(qiáng)分布圖光柵衍射的光強(qiáng)分布圖 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜亮紋位置決定于亮紋位置決定于縫與縫之間干涉縫與縫之間干涉的結(jié)果的結(jié)果。亮紋亮

14、紋()次極大次極大極小值極小值缺級(jí)缺級(jí)相鄰兩縫間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光程差：相鄰兩縫間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光程差：sin)(ba 3. 光柵方程光柵方程(主極大條件主極大條件)kbasin)(abba衍射角衍射角sin)(ba縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿(mǎn)足縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿(mǎn)足, 3 , 2 , 1 , 0k 光柵方程光柵方程 明紋條件明紋條件( k 主極大級(jí)數(shù)主極大級(jí)數(shù))kbasin)(, 3 , 2 , 1 , 0k( k=0為中央明紋為中央明紋) 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜 由于單縫衍射的影響，在應(yīng)該出現(xiàn)干涉極大由于單縫衍射的影響，在應(yīng)該出現(xiàn)干涉極大（亮紋

15、）的地方，不再出現(xiàn)亮紋，稱(chēng)為（亮紋）的地方，不再出現(xiàn)亮紋，稱(chēng)為缺級(jí)缺級(jí)。出現(xiàn)缺級(jí)必須滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件：出現(xiàn)缺級(jí)必須滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件：缺級(jí)條件為：缺級(jí)條件為：()ab+sin=k縫間光束干涉縫間光束干涉極大極大條件條件a sin=k單縫衍射單縫衍射極小極小條件條件5. 缺級(jí)缺級(jí) (缺級(jí)缺級(jí)條件條件)abakk,3,2, 1k 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜kkaba4. 主極大位置主極大位置ffx sinkbasin)(bafkx2, 1, 0k()ab+kak=31若：若：?jiǎn)慰p衍射單縫衍射第一級(jí)極第一級(jí)極小值位置小值位置缺級(jí)缺級(jí)k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=

16、-4k=-5k=3k=-3k=6k=-6光柵衍射光柵衍射第三級(jí)極第三級(jí)極大值位置大值位置缺級(jí)：缺級(jí)：9, 6, 3kkk3缺級(jí)條件：缺級(jí)條件： 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜, 3, 2, 1kbakksinbakkmax,22. 條紋最高級(jí)數(shù)條紋最高級(jí)數(shù)討討 論論), 2 , 1 , 0( sin)(kkbasin)(ba23230I1. 光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜1 條條 縫縫20 條條 縫縫3 條條 縫縫5 條條 縫縫3. 光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮.亮紋的光強(qiáng)亮紋的光強(qiáng)02INI :單縫光強(qiáng)）單縫光強(qiáng)）

17、（:狹縫數(shù)，狹縫數(shù)，N0I 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜sin0I入射光為入射光為白光白光時(shí)，時(shí)， 不同，不同， 不同，按波長(zhǎng)分開(kāi)形成不同，按波長(zhǎng)分開(kāi)形成光譜光譜. .k一級(jí)光譜一級(jí)光譜二級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜三級(jí)光譜13.8.2 衍射光譜衍射光譜), 2 , 1 , 0( sin)(kkbaba中央明紋中央明紋紫內(nèi)紅外紫內(nèi)紅外 13.8 衍射光柵及光柵光譜衍射光柵及光柵光譜bafkxr小結(jié)小結(jié)一、光柵衍射一、光柵衍射白光照射時(shí)，中央白紋，兩側(cè)紫內(nèi)紅外彩紋。白光照射時(shí)，中央白紋，兩側(cè)紫內(nèi)紅外彩紋。kbasin)( k 主極大級(jí)數(shù)主極大級(jí)數(shù))/ )(maxbak),2, 1 ,

18、0( k五、條紋最高級(jí)數(shù)五、條紋最高級(jí)數(shù)單縫衍射和縫間干涉總效果。單縫衍射和縫間干涉總效果。亮紋位置決定于縫間干涉的結(jié)果。亮紋位置決定于縫間干涉的結(jié)果。二、明紋條件二、明紋條件（光柵方程）（光柵方程）四、缺級(jí)條件四、缺級(jí)條件akbak/)(, 3, 2, 1 k三、三、主極大位置主極大位置bafkx/2, 1, 0k例例(1) 已知某一時(shí)刻的波前，已知某一時(shí)刻的波前，可用幾何方法決定下可用幾何方法決定下 一時(shí)刻波面；一時(shí)刻波面；r說(shuō)明說(shuō)明R1R2S1S2O1S2Sttttur12.4 惠更斯原理惠更斯原理v 惠更斯原理惠更斯原理介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波(次次波波)的波源，而在其后的任意