第十八光的干涉演示文稿

第十八光的干涉演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共74頁(yè)。（優(yōu)選）第十八光的干涉當(dāng)前2頁(yè)，總共74頁(yè)?！?4-0關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)展簡(jiǎn)史§14-6光源光的相干性§14-7由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉§14-8光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)§14-9由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉*§14-10邁克耳遜干涉儀（主要講等厚干涉）當(dāng)前3頁(yè)，總共74頁(yè)?！雠ｎD的微粒說(shuō)：認(rèn)為光是從光源發(fā)出的微粒流。■惠更斯的波動(dòng)說(shuō)：認(rèn)為光是某種介質(zhì)中的波動(dòng)。兩種學(xué)說(shuō)有很大分歧。§14–0

關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)展簡(jiǎn)史關(guān)于光的本質(zhì)是什么，十七~十九世紀(jì)中期有兩種對(duì)立的學(xué)說(shuō)：“以太”當(dāng)前4頁(yè)，總共74頁(yè)?！?/p>

1802年楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)：支持波動(dòng)說(shuō)，并測(cè)出了光的波長(zhǎng)?！?/p>

1835年菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理：支持波動(dòng)說(shuō)，并解釋了光的衍射和干涉現(xiàn)象?！?/p>

1805年傅科實(shí)驗(yàn)：測(cè)出光在水中的速度小于在空氣中的速度，最終讓光的波動(dòng)說(shuō)為人們普遍接受。當(dāng)前5頁(yè)，總共74頁(yè)?！鍪攀兰o(jì)七十年代，麥克斯韋提出了光的電磁波理論：證明光的本質(zhì)是一種電磁波?！龅獾碾姶挪ɡ碚撛诤隗w輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等問(wèn)題上遇到困難?！?/p>

1900年普朗克提出“能量子假設(shè)”。■

1905年愛因斯坦提出“光量子假說(shuō)”成功地解釋了上述現(xiàn)象。至此人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。本章主要介紹光的波動(dòng)性，光的粒子性在近代物理中介紹。當(dāng)前6頁(yè)，總共74頁(yè)。一、光源■光源及物體發(fā)射電磁波的形式物體發(fā)射電磁波有熱輻射、發(fā)光兩種形式§14–6光的相干性●熱輻射當(dāng)前7頁(yè)，總共74頁(yè)?！癜l(fā)光又分電致發(fā)光、光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光等電致發(fā)光：高速電子轟擊下發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光二極管閃電當(dāng)前8頁(yè)，總共74頁(yè)。光致發(fā)光：物體被光照射或預(yù)先被光照射而發(fā)光熒光玩具恐龍骨架節(jié)能燈當(dāng)前9頁(yè)，總共74頁(yè)?；瘜W(xué)發(fā)光：由于化學(xué)反應(yīng)而引起發(fā)光螢火蟲當(dāng)前10頁(yè)，總共74頁(yè)。二、單色光理論上將具有單一頻率的光波稱為單色光。實(shí)際中任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長(zhǎng))范圍。譜線寬度：通常用強(qiáng)度下降到?

最大光強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的波長(zhǎng)范圍表示。當(dāng)前11頁(yè)，總共74頁(yè)。三、相干光ZYS1.

光矢量光源中產(chǎn)生感光與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度

——光矢量。2.

光相干的條件：能產(chǎn)生相干疊加現(xiàn)象的兩束光稱為相干光。相干疊加必須滿足振動(dòng)頻率相同、振動(dòng)方向相同和相位差恒定三個(gè)條件。當(dāng)前12頁(yè)，總共74頁(yè)。3.

普通光源的發(fā)光機(jī)理——處于激發(fā)態(tài)的原子（或分子）的自發(fā)輻射原子發(fā)射的光波是一段頻率一定、振動(dòng)方向一定、有限長(zhǎng)的光波（通常稱為光波列）。

=(E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射波列波列長(zhǎng)L=cZYS（相干長(zhǎng)度）當(dāng)前13頁(yè)，總共74頁(yè)。構(gòu)成光源的大量原子分子，獨(dú)立發(fā)出波列，同一時(shí)刻，各原子或分子所發(fā)出的光，頻率、相位和振動(dòng)方向各不相同。兩個(gè)普通獨(dú)立光源不能構(gòu)成相干光源：不相干當(dāng)前14頁(yè)，總共74頁(yè)。就是同一光源上不同部分發(fā)出的光，也不相干。同一原子或分子的發(fā)光是間歇的，發(fā)出一個(gè)波列，要停留若干時(shí)間再發(fā)第二列波，前一個(gè)波列和后一個(gè)波列的頻率、相位和振動(dòng)方向也不相同。不相干當(dāng)前15頁(yè)，總共74頁(yè)。四、獲得相干光的方法

ZYS分波陣面法：從同一波陣面上取出兩部分作為相干光源；pS

*分波陣面法（同一波列分成兩部份）當(dāng)前16頁(yè)，總共74頁(yè)。分振幅法：當(dāng)一束光投射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分反射，一部分透射后再反射，分成兩部分或若干份。分振幅法p薄膜S*當(dāng)前17頁(yè)，總共74頁(yè)。為得到明顯的干涉現(xiàn)象，還必須滿足：1.在相遇點(diǎn)兩光波的振幅不能相差太大。2.在相遇點(diǎn)兩光波的行程不能相差太大。否則超過(guò)相干長(zhǎng)度。（一個(gè)波列長(zhǎng)度）當(dāng)前18頁(yè)，總共74頁(yè)?！?4–7由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)ZYSS1S2S當(dāng)前19頁(yè)，總共74頁(yè)。單色光通過(guò)狹縫（或小孔）S形成的柱（球）面波，經(jīng)S1、S2分成兩列子波在相遇區(qū)域發(fā)生干涉，屏上出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。S1S2SdD明暗暗S1、S2為相干光源當(dāng)前20頁(yè)，總共74頁(yè)。二．明、暗條紋的位置因D>>d，所以由S1、S2發(fā)出的光波波列到P

點(diǎn)的波程差可近似寫為：S2B=dsindtan設(shè)OP=x，

p·r1r2xxDOS1S2SMB

=S2B當(dāng)前21頁(yè)，總共74頁(yè)。1.若即：兩光波在P

點(diǎn)相互加強(qiáng)，P

點(diǎn)出現(xiàn)明條紋。已知：干涉相長(zhǎng)干涉相消（復(fù)習(xí)）當(dāng)前22頁(yè)，總共74頁(yè)。在O點(diǎn)，x=0，即k=0，出現(xiàn)明紋——中央明紋。與k=1，2，3，…對(duì)應(yīng)的明條紋稱為第一級(jí)，第二級(jí)，第三級(jí)，…明條紋。中央明紋一級(jí)明紋一級(jí)明紋二級(jí)明紋二級(jí)明紋當(dāng)前23頁(yè)，總共74頁(yè)。2.若即：光波在P點(diǎn)相互減弱，出現(xiàn)暗條紋。與k=1，2，3，…對(duì)應(yīng)的明條紋稱為第一級(jí)，第二級(jí)，第三級(jí)，…暗條紋。一級(jí)暗紋一級(jí)暗紋二級(jí)暗紋二級(jí)暗紋當(dāng)前24頁(yè)，總共74頁(yè)。兩相鄰明條紋（或暗條紋）之間的距離：干涉條紋是等間距分布的。當(dāng)前25頁(yè)，總共74頁(yè)。討論:1。不同的單色光源作實(shí)驗(yàn)，波長(zhǎng)越短的單色光間距越??；波長(zhǎng)越長(zhǎng)的單色光間距越大。2。明暗紋間距與相干光源S1、S2與屏幕間的距離D成正比.當(dāng)前26頁(yè)，總共74頁(yè)。3.明暗紋間距與相干光源S1、S2

光源間的距離d成反比。4.用白光作實(shí)驗(yàn)，則屏上只有中央明條紋是白色，其它條紋，由于各單色光條紋的位置和間距不同，且發(fā)生重疊，形成彩色條紋。問(wèn)題…？當(dāng)前27頁(yè)，總共74頁(yè)。例：用白光作光源觀察雙縫干涉。設(shè)縫間距為d，試求能觀察到的清晰可見光的級(jí)次。解：白光波長(zhǎng)在4000---7000范圍。明紋條件為：在處x=0,形成中央白色明紋。重疊：則：從紫到紅清晰可見光譜只有一級(jí)，后重疊。當(dāng)前28頁(yè)，總共74頁(yè)。pr1r2xDOSS1S2不同波長(zhǎng)單色光明、暗紋位置當(dāng)前29頁(yè)，總共74頁(yè)。三、菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)ε2εdS1S2SrDOL類楊氏干涉.（分波陣面法）當(dāng)前30頁(yè)，總共74頁(yè)。例題14—1設(shè)菲涅耳雙鏡的夾角ε=10-3rad，單色線光源S與兩鏡交線平行，它們之間的距離r=0.5m，單色光波長(zhǎng)λ=500nm，從兩鏡相交處到屏E的距離L=2m。（1）求屏上兩相鄰明條紋的間距；（2）若雙鏡夾角是10-2rad，問(wèn)條紋間距將怎樣改變？解：（1）cosε≈1，sinε≈ε=10-3當(dāng)前31頁(yè)，總共74頁(yè)。（2）當(dāng)ε=10-2rad時(shí)，有雙鏡的夾角變大時(shí)，條紋間距將變小，要獲得較大的條紋間距，雙鏡的夾角必須很小。當(dāng)前32頁(yè)，總共74頁(yè)。MM'是一小平面鏡，S是點(diǎn)（或線）光源，從S發(fā)出的光波，一部分直接射到屏E上，另一部分射到平面鏡上后反射到屏上。四、勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)ffSS'MM'dEE'當(dāng)前33頁(yè)，總共74頁(yè)。五、勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果M'點(diǎn)兩光線所經(jīng)歷的路程相等，相位差應(yīng)為0，應(yīng)出現(xiàn)明條紋，但實(shí)際上觀察到的是暗紋。由于直接射到屏上的光線不可能產(chǎn)生相位改變，所以一定是反射光線的相位改變了。（的相位突變）當(dāng)前34頁(yè)，總共74頁(yè)。更多的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了半波損失現(xiàn)象：1.光從光疏介質(zhì)（折射率較?。┫蚬饷芙橘|(zhì)（折射率大）表面入射時(shí)，則在反射過(guò)程中反射光的相位改變了；2.相位改變了相當(dāng)于光多走了半個(gè)波長(zhǎng)，所以這種現(xiàn)象稱為半波損失。

（垂直入射、掠入射時(shí)）當(dāng)前35頁(yè)，總共74頁(yè)。3.當(dāng)光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)表面入射時(shí)，其反射光沒(méi)有半波損失現(xiàn)象；4.如果兩束光都是從光疏到光密界面反射或都是從光密到光疏界面反射，則兩束反射光之間無(wú)附加相位差。當(dāng)前36頁(yè)，總共74頁(yè)。例14—2在勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)中，線光源S1到鏡面的垂直距離為1mm，光源與屏之間的距離D為1.5m，鏡的全長(zhǎng)MM‘=D/2，且鏡一端到屏的距離M’

O為D/4。（1）求出干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心的距離OA和OB；（2）若波長(zhǎng)λ=600nm，求相鄰明條紋的間距，并問(wèn)屏上能觀察到幾條明條紋？S1S2MM'dABOCD當(dāng)前37頁(yè)，總共74頁(yè)。解（1）設(shè)C為虛光源S2在屏上的投影，由三角形間的相似，有：代入數(shù)據(jù)有：OA=3mm，OB=0.333mmS1S2MM'dABOCD當(dāng)前38頁(yè)，總共74頁(yè)。（2）將勞埃德實(shí)驗(yàn)與楊氏實(shí)驗(yàn)相比，得相鄰明紋間距為：由于有半波損失，光程差應(yīng)為：明紋位置x應(yīng)滿足：當(dāng)前39頁(yè)，總共74頁(yè)。第一級(jí)明紋位置x1=0.225mm<OB，在干涉區(qū)外，觀察不到；將OB=0.333mm代入得將OA=3mm代入得k=7.17所以在屏上可以看到2，3，4，5，6和7級(jí)，共6條干涉明紋。當(dāng)前40頁(yè)，總共74頁(yè)。兩列相干光波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，它們?cè)谙嘤鳇c(diǎn)的相位差僅決定于這兩列光波的幾何路程，其關(guān)系式為：當(dāng)兩列相干光波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，情況則又怎樣？§14–8光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)*（波程差）當(dāng)前41頁(yè)，總共74頁(yè)。設(shè)為單色光的頻率，c為光在真空中的傳播速度，v1為光在折射率為n1

的介質(zhì)中的傳播速度。根據(jù)折射率的定義：設(shè)、n分別為光在真空中、介質(zhì)中的波長(zhǎng)，則：一、光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)不變變短當(dāng)前42頁(yè)，總共74頁(yè)。二、

光程、光程差演示設(shè)兩相干光源S1、S2

的頻率為，初相為零，則振動(dòng)方程可寫為：PS1S2

n11r1

r2

n22兩列波在P點(diǎn)引起的振動(dòng)為：當(dāng)前43頁(yè)，總共74頁(yè)。這兩列波在P點(diǎn)的相位差為：相位差不完全決定于幾何路程，而是決定于n2r2

與n1r1

之差。當(dāng)前44頁(yè)，總共74頁(yè)。折射率與幾何路程的乘積nr

稱為光程。δ=n2

r2-n1

r1

稱為光程差。相位差決定于光程差（每一列光波也可以不止經(jīng)過(guò)一種介質(zhì)），如S光源發(fā)出的光波經(jīng)過(guò)折射率為n'

、n''的兩種介質(zhì)，各介質(zhì)中的幾何路程為r'、r''

，則S

到P點(diǎn)的光程為:

n'

r'+n''

r''

Spn'

n''

r'

r''

當(dāng)前45頁(yè)，總共74頁(yè)。設(shè)v

為光在折射率為n

的介質(zhì)中傳播的速度，則光在此介質(zhì)中走過(guò)路程r所需要的時(shí)間為r/v

，在相同的時(shí)間內(nèi)，光在真空中走過(guò)的路程為：光程：把光在介質(zhì)中所走過(guò)的路程折算成相同時(shí)間內(nèi)光在真空中的路程。相同時(shí)間內(nèi)光在真空和介質(zhì)中的傳播n三、光程的意義及干涉條件當(dāng)前46頁(yè)，總共74頁(yè)。干涉條件可以用相位差來(lái)表示；也可以用光程差來(lái)表示干涉條件：相互加強(qiáng)相互減弱相互加強(qiáng)相互減弱當(dāng)前47頁(yè)，總共74頁(yè)。當(dāng)光波波陣面垂直光軸時(shí)，光線通過(guò)透鏡，會(huì)聚點(diǎn)上光相互加強(qiáng)產(chǎn)生亮點(diǎn)，這表明各條光線相位相同。四、薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)演示ABCDEOS平行光會(huì)聚于焦點(diǎn)焦點(diǎn)發(fā)出的光成平行光當(dāng)前48頁(yè)，總共74頁(yè)。結(jié)論:

理想的薄透鏡不會(huì)引起附加光程差。ABCDEP平行光匯聚于焦平面當(dāng)前49頁(yè)，總共74頁(yè)。分振幅法利用薄膜的兩個(gè)表面經(jīng)反射，把入射光的振幅分解為兩部分，相遇而產(chǎn)生干涉，這種干涉叫薄膜干涉。薄膜干涉.§14–9由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉油膜干涉肥皂泡干涉當(dāng)前50頁(yè)，總共74頁(yè)。面光源S

發(fā)出光線照射到薄膜表面，經(jīng)薄膜上、下表面分成光線2和3，經(jīng)透鏡會(huì)聚于P點(diǎn)。123abc一、平行平面膜產(chǎn)生的干涉當(dāng)前51頁(yè)，總共74頁(yè)。設(shè)n2>n1

，光線2和光線3的光程差為：n1＜n2n2n1dc12345e薄膜干涉分類：｛1.等傾干涉2.等厚干涉當(dāng)前52頁(yè)，總共74頁(yè)。P點(diǎn)出現(xiàn)明暗紋的條件為：薄膜干涉公式：當(dāng)前53頁(yè)，總共74頁(yè)。*等傾干涉條紋如果薄膜是等厚膜，光程差只決定于入射角，相同入射角的光線光程差相同，形成同一干涉條紋——等傾干涉條紋。半透明玻璃片面光源介質(zhì)板透鏡焦面當(dāng)前54頁(yè)，總共74頁(yè)?！鰡螌釉鐾改す鈱W(xué)系統(tǒng)中為減弱反射光，在表面鍍一層厚度適當(dāng)?shù)耐该鹘橘|(zhì)膜，稱為增透膜。光線2、3間的光程差為：

=2n2

e平行平面薄膜干涉的應(yīng)用en3=1.5n2=1.38n1=1空氣鍍膜玻璃123（分析）當(dāng)前55頁(yè)，總共74頁(yè)。當(dāng)波長(zhǎng)為0

的反射光相互減弱，反射光最弱（約為入射光的1.3%），n2

e

稱為光學(xué)厚度。例如:對(duì)波長(zhǎng)0=5500?的綠光，當(dāng)光學(xué)厚度為n2

e=30/4=4125?時(shí)，反射率最小，但此時(shí)該薄膜對(duì)其它波長(zhǎng)的光，反射率一般不是最小。當(dāng)前56頁(yè)，總共74頁(yè)。鍍膜也可以增加反射，獲得高反射，要求鍍多層膜。如He-Ne激光器的反射鏡就是采用多層反射膜（15層到17層）的辦法使波長(zhǎng)為6328?的激光反射率高達(dá)99%以上?！?.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF2■多層反射膜（高反射膜）當(dāng)前57頁(yè)，總共74頁(yè)?！鲈鐾改び糜诶涔忡R對(duì)紅外光增透，降低光線的熱效應(yīng)，如用在電影放映機(jī)的光源上。增透膜紅外光可見光反光鏡當(dāng)前58頁(yè)，總共74頁(yè)。兩玻璃板形成一很小夾角，兩板間充滿空氣或其它液體，形成了劈形膜。如果用單色光照射劈尖，從反射光中可以觀察到明暗相間的干涉條紋。在每一條紋上劈尖的厚度是相等的——等厚干涉條紋。二劈尖（劈形膜）產(chǎn)生的干涉MTG1G2d等厚干涉:等厚干涉.當(dāng)前59頁(yè)，總共74頁(yè)。兩塊標(biāo)準(zhǔn)平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋兩塊有缺陷平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋當(dāng)前60頁(yè)，總共74頁(yè)。C1

設(shè)劈尖液體的折射率為n

，在C點(diǎn)處劈尖厚度為e，若光線1和2間有半波損失，則光程差為：入射光線在劈尖上、下表面被反射，形成光線1和光線2。2n注意：不是玻璃上下表面e當(dāng)前61頁(yè)，總共74頁(yè)。在厚度e

處出現(xiàn)明、暗紋的條件為：出現(xiàn)明、暗紋的厚度分別為：當(dāng)前62頁(yè)，總共74頁(yè)。在e=0處（對(duì)應(yīng)于k=0處）出現(xiàn)暗紋，即在劈尖棱邊上出現(xiàn)暗紋？若兩反射光之間沒(méi)有半波損失，則在邊緣處見到的是明紋。有半波損失沒(méi)有半波損失θθΘ夸張當(dāng)前63頁(yè)，總共74頁(yè)。ekek+1λ/2nθn<n1l設(shè)

l

表示兩相鄰的明紋或暗紋之間距離，為劈尖夾角，如圖，有如下關(guān)系式：當(dāng)前64頁(yè)，總共74頁(yè)。討論：劈尖條紋的變化.1.同一干涉條紋具有相同厚度，因而當(dāng)劈尖有凸凹不平時(shí)，會(huì)出現(xiàn)條紋彎曲。2.同一波長(zhǎng)的入射光，越小，

l越大（條紋越寬）。

越大，

l越小（條紋越窄）。3.不同波長(zhǎng)的光其干涉條紋寬度不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，寬度越寬。ekek+1λ/2nθn<n1l請(qǐng)看：等厚干涉.當(dāng)前65頁(yè)，總共74頁(yè)。例題14－3制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需要精確測(cè)定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d

'

，這可用化學(xué)方法把SiO2薄膜的一部分腐蝕成劈尖形，若單色光從空氣垂直入射，已知入射光波長(zhǎng)λ=589.3nm，SiO2的折射率n=1.5，Si的折射率為3.42，若觀察到如圖所示的7條明紋，問(wèn)SiO2膜的厚度d

'=？SiO2Sid'當(dāng)前66頁(yè)，總共74頁(yè)。解：空氣相對(duì)于SiO2是光疏介質(zhì)，同樣，SiO2相對(duì)于Si也是光疏介質(zhì)，所以，在SiO2薄膜上下表面反射的兩光之間半波損失效果互抵。在膜厚為d

處光程差為：當(dāng)時(shí)出現(xiàn)明紋，該處膜厚為：因d'

處k=6，對(duì)應(yīng)膜厚為：SiO2Sid'（無(wú)附加光程差）當(dāng)前67頁(yè)，總共74頁(yè)。例、如圖一光學(xué)玻璃A與待測(cè)工件B間形成空氣劈尖,用波長(zhǎng)=500nm的單色光垂直照射看到圖中反射光的干涉條紋,有些彎曲部分的頂點(diǎn)與右邊條紋的直線部分相切,則工件上表面不平處的缺陷是:[]A.