11-光學(xué)教學(xué)課件

1、1 光的本質(zhì),1 光的本質(zhì) 自由女神：象征著光明,光的基本概念,圣經(jīng)第一頁(yè)：上帝說(shuō)：光！， 于是就有了光。 And God said, Let there be light, and there was light.,人在日常生活中,有80%的信息是通過(guò)眼睛感光獲取的。,光是人類獲得遙遠(yuǎn)天體信息及原子內(nèi)部信息 的主要途徑” 。,光是原子種類識(shí)別的身份證 。,假如沒(méi)有光,1 光的本質(zhì),1 光的本質(zhì),光的本性是什么？重要嗎？,“And God said, Let there be light: and there was light” (Genesis 1:3),很久很久以前，天和地還沒(méi)有分開，宇

2、宙混沌一片。有個(gè)叫盤古的巨人，在這混沌之中，一直睡了十萬(wàn)八千年。 有一天，盤古突然醒了。他見周圍一片漆黑，就掄起大斧頭，朝眼前的黑暗猛劈過(guò)去。只聽一聲巨響，混沌一片的東西漸漸分開了。輕而清的東西，緩緩上升，變成了天；重而濁的東西，慢慢下降，變成了地。,1 光的本質(zhì)-人類追光,1 光的本質(zhì)-人類追光,鉆木取火-使人類第一次 在黑暗中得到光明。,韓非子五蠹中關(guān)于遠(yuǎn)古時(shí)期人們“鉆燧取火（鉆即火燫，燧即火石；鉆燧取火即是用火燫與火石摩擦或撞擊而取火），以化腥臊”的記載，莊子外物中“木與木相摩則燃”的描述，都反映了早期人工取火的情形。,我國(guó)西周時(shí)期（公元前世紀(jì)年）的周禮秋官司寇記載，“司烜氏”官職，“掌

3、以夫遂取明火于日”“夫遂”又名“陽(yáng)燧”，實(shí)即青銅凹面鏡可見那時(shí)我們的先人已知道用金屬凹面鏡聚焦陽(yáng)光得到明火,到了春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子的著作墨經(jīng)里有條論述了對(duì)光直進(jìn)、光影、光成像的觀察，最著名的是小孔成像現(xiàn)象的描述在聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）的國(guó)際光年網(wǎng)頁(yè)上，“Science Stories”欄的“Discoverers of Light”條目中，有對(duì)墨子的貢獻(xiàn)的敘述：“公元前400年，墨翟中國(guó)哲學(xué)家和墨家的創(chuàng)始人，第一個(gè)認(rèn)識(shí)到暗箱的概念（后世稱針孔相機(jī)）他對(duì)光的基本觀測(cè)形成了光學(xué)的起步理論 公元前350年，亞里士多德（Aristotle）通過(guò)觀察光透過(guò)即使是最小的孔仍然會(huì)在地面形成光亮的圓

4、進(jìn)一步證實(shí)了墨翟的光的直線傳播的認(rèn)識(shí)” 2012年牛津大學(xué)出版的光學(xué)史一書中也說(shuō)：“第一個(gè)有記載的關(guān)于光和視覺(jué)的猜測(cè)發(fā)生在大約公元前世紀(jì)的東方和希臘中國(guó)的墨家論及了光線的傳輸和光的反射、折射” 2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。,1 光的本質(zhì)-人類追光,（公元前490405年） 中國(guó)自然科學(xué)始祖、 墨家學(xué)派的創(chuàng)始人,1 光的本質(zhì)-人類追光,畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras，公元前570496年）和德謨克里特（Democritus，公元前460371年）等人認(rèn)為視覺(jué)是由物體射出的某種微粒達(dá)到眼睛形成的； 恩培多克勒（E

5、mpedocles，公元前493？433？年）、柏拉圖（Plato，公元前427343年）和歐幾里得（Euclid，公元前330？275？年）等人認(rèn)為視覺(jué)是眼睛發(fā)出某種東西，遇到物體發(fā)出別的東西形成的柏拉圖學(xué)派曾講授過(guò)光的直線行進(jìn)以及反射，知道反射角與入射角相等，歐幾里得的著作反射光學(xué)（Catoptrics）也探討過(guò)反射 亞里士多德 (Aristotle, 384 - 322 B.C.)：光來(lái)自太陽(yáng)?！癟he eye is the gate of the intellect.” （眼睛是智慧之門。） 托勒密（Ptolemy，公元世紀(jì)）甚至探討過(guò)折射現(xiàn)象，測(cè)量過(guò)折射角和入射角，知道兩者角度小時(shí)大

6、體成比例，列成表放在他的光學(xué)著作里,1 光的本質(zhì)-人類追光,這些光學(xué)的文明曙光之后，人類對(duì)光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)有一段漫長(zhǎng)的等待才在公元10世紀(jì)左右迎來(lái)真正的晨輝這次文明的光芒發(fā)自阿拉伯世界，其代表就是2015國(guó)際光年要紀(jì)念的阿拉伯學(xué)者伊本海賽姆（Ibn Al Haythem，拉丁文名Alhazen，公元9651040）,最負(fù)盛名的是在1015年前后若干年寫成的光學(xué)（Book of Optics）卷，這部書全面發(fā)展了希臘學(xué)者對(duì)光的認(rèn)識(shí),西方學(xué)者把他看成為“近代光學(xué)之父”（the father of modern optics）,1 光的本質(zhì)-人類追光,開普勒（J. Kepler, 1571-1630），

7、他因天文觀測(cè)而對(duì)光學(xué)頗有研究1604年他寫了描述天文光學(xué)觀測(cè)、眼睛視覺(jué)和各種鏡片的幾何光學(xué)的書；1611年他又出版折光學(xué)一書，詳細(xì)討論了折射現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了全反射，他還在書中給出了雙凸透鏡的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，可惜他沒(méi)有去制作,2009年3月6日，世界首個(gè)用于探測(cè)太陽(yáng)系外類地行星的飛行器-開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，由美國(guó)發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空，,1 光的本質(zhì)-人類追光,伽利略（G. Galileo, 1564-1642），他是最早制造出望遠(yuǎn)鏡的人之一，最早（1609）用來(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)月球上的火山口、木星衛(wèi)星、太陽(yáng)黑子有物理史學(xué)家甚至考證出顯微鏡實(shí)際是伽利略發(fā)明的伽利略還設(shè)計(jì)了在兩個(gè)山頭之間傳遞燈光來(lái)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)

8、，但因光速太快，實(shí)驗(yàn)沒(méi)有能成功,1609年首次用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空， 為了紀(jì)念這一事件，2009年世界天文年。,1 光的本質(zhì)-人類追光,斯涅爾（W. Snell, 1591-1626）通過(guò)實(shí)驗(yàn)在1621年得到了折射定律笛卡兒（R. Descartes, 1596-1650）后來(lái)（1637）在他的屈光學(xué)一書中理論上推出了這個(gè)定律 費(fèi)馬（P. Fermat, 1601-1665），1657年他提出了著名的“最小時(shí)間原理”，可方便地推出折射定律,1676年羅默（O. Romer, 1644-1710）利用木星衛(wèi)星的蝕（被木星自己遮擋）之間的間隔在地球上不同季節(jié)不同，認(rèn)為是木星衛(wèi)星的光穿越地球軌道造成，從

9、而首次測(cè)出了光速,荷蘭天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家,法國(guó)律師和業(yè)余數(shù)學(xué)家。被譽(yù)為“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”。17世紀(jì)數(shù)學(xué)家中最多產(chǎn)的明星。,丹麥天文學(xué)家。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),光的微粒說(shuō)：畢達(dá)哥拉斯、德謨克里特 等。因?yàn)橐郧俺肆Ｗ記](méi)有研究其他的物質(zhì)形態(tài)。,波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起 1666年出版的格里馬耳迪（F. M. Grimaldi, 1618-1663）的書光的物理數(shù)學(xué)中描述的衍射現(xiàn)象（“diffraction”這個(gè)術(shù)語(yǔ)起源于此）。 胡克（R. Hooke, 1635-1703）本來(lái)是波義耳的實(shí)驗(yàn)助手，當(dāng)時(shí)是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員，同時(shí)也兼任實(shí)驗(yàn)管理員。他重復(fù)了格里馬第的工作，并仔細(xì)觀察了光在肥皂

10、泡里映射出的色彩以及光通過(guò)薄云母片而產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷，光必定是某種快速的脈沖，于是他在1665年出版的顯微術(shù)(Micrographia)一書中明確地支持波動(dòng)說(shuō)。顯微術(shù)這本著作很快為胡克贏得了世界性的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，波動(dòng)說(shuō)由于這位大將的加入，似乎也在一時(shí)占了上風(fēng)。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),伽利略：看遠(yuǎn)處的大東西，如星系，宇宙 胡克：看身邊的小東西，如，細(xì)胞，細(xì)菌,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),1672年，一位叫做牛頓（I. Newton, 1642-1727）的年輕人向皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)遞交了一篇論文，名字叫做關(guān)于光與色的新理論。牛頓當(dāng)時(shí)才30歲，剛剛當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。這是牛頓所

11、發(fā)表的第一篇正式科學(xué)論文，其內(nèi)容是關(guān)于他所做的光的色散實(shí)驗(yàn)的，這也是牛頓所做的最為有名的實(shí)驗(yàn)之一。,牛頓（I. Newton, 1642-1727） 科學(xué)史上最有影響力的科學(xué)家，愛(ài)恩斯坦排第二。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),然而在這篇論文中，牛頓把光的復(fù)合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開。胡克和波義耳正是當(dāng)時(shí)評(píng)議會(huì)的成員，他們對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了激烈的抨擊。胡克聲稱，牛頓論文中正確的部分(也就是色彩的復(fù)合)是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說(shuō)則不值一提。牛頓大怒，馬上撤回了論文，并賭氣般地宣稱不再發(fā)表任何研究成果。,一方面因?yàn)楹说拿麣猓硪环矫嬉惨驗(yàn)榕ｎD的注意力更多地轉(zhuǎn)移到了

12、運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方面，牛頓暫時(shí)仍然沒(méi)有正式地全面論證微粒說(shuō)(只是在幾篇論文中反駁了胡克)。,這些爭(zhēng)論最終導(dǎo)致了牛頓和胡克的終身私人仇恨，牛人相斗，兩敗俱傷。胡克說(shuō)牛頓的一些研究是以他的研究為基礎(chǔ)的，牛頓便冷笑道：“那么說(shuō)我就是站在巨人的肩膀上了哈！”（好像胡克并不高？）胡克很郁悶地在牛頓的冷嘲熱諷中度過(guò)了下半輩子。還是荷蘭人惠更斯比較懂學(xué)術(shù)政治，他先是作為院士和領(lǐng)導(dǎo)牛頓在劍橋相會(huì)討論光的本質(zhì)問(wèn)題，話說(shuō)兩人是相互久仰、惺惺相惜?？伤睦镆呀?jīng)發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)象不能用“微粒說(shuō)”來(lái)解釋，并暗暗轉(zhuǎn)向了“波動(dòng)說(shuō)”。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),1678年，著名的惠更斯（C. Huygens, 1629-1695

13、）在法國(guó)科學(xué)院的一次會(huì)議上提出了論光的論文，這是解釋光的波動(dòng)理論的最早的重要嘗試惠更斯提出了一個(gè)后世以他名字命名的原理。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),終于等到胡克（1703年）去世，牛頓（迫不及待的出版了他的另一本巨著光學(xué)（1704年出版，倫敦曾多次重印，最近版本為1931年版，愛(ài)因斯坦曾為該版作序）的著作的人 他在1666年用三角棱鏡進(jìn)行了光的色散實(shí)驗(yàn)，證明了白光是由不同顏色的光組成的，這些不同顏色的光的折射性能不同 他還在1668年第一個(gè)設(shè)計(jì)制造出反射式望遠(yuǎn)鏡牛頓在光學(xué)上最有影響的是他的光的微粒說(shuō)。,由于牛頓在科學(xué)界神一般的地位，光的微粒說(shuō)在世紀(jì)成為物理學(xué)界的主流學(xué)說(shuō)，波動(dòng)大軍遭到致命

14、的打擊。在微粒與波動(dòng)的第一次交鋒中以牛頓為首的微粒說(shuō)戰(zhàn)勝了波動(dòng)，取得了在物理上被普遍公認(rèn)的地位。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),英國(guó)醫(yī)生托馬斯楊，他的名字因著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)而名垂青史1801年，楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀了關(guān)于薄片顏色的論文，干涉原理的引入是他這篇論文跨出的一大步，他第一次用干涉原理徹底地解釋了聲和光的干涉現(xiàn)象。1807年，楊總結(jié)出版了他的自然哲學(xué)講義其中有著名的雙縫（雙孔）干涉實(shí)驗(yàn)的論文發(fā)表。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義不止局限在光學(xué)，后來(lái)用微觀粒子進(jìn)行的同類實(shí)驗(yàn)也是量子物理中微觀粒子波動(dòng)性的重要證明。甚至通過(guò)他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了光的波長(zhǎng)應(yīng)該在1/36000至1/60000英寸之間.但是他

15、的論文由于只賣出了一本。,托馬斯楊（Thomas Young，1773年-1829年 ）英國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家，光的波動(dòng)說(shuō)的奠基人之一。,楊的著作點(diǎn)燃了革命的導(dǎo)火索，物理史上的“第二次微波戰(zhàn)爭(zhēng)”開始了。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),馬呂斯(Etienne Louis Malus)在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象和已知的波動(dòng)論有抵觸的地方。兩大對(duì)手開始相持不下，但是各自都沒(méi)有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信里說(shuō)：“您的實(shí)驗(yàn)只是證明了我的理論有不足之處，但沒(méi)有證明它是虛假的?！?馬呂斯( Etienne Louis Malus 1775-1812 )法國(guó)物理學(xué)家及軍事工程師。,最后的決戰(zhàn)起

16、源于1818年法國(guó)科學(xué)院的一個(gè)懸賞征文競(jìng)賽。競(jìng)賽的題目是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。競(jìng)賽評(píng)委會(huì)由許多知名科學(xué)家組成，這其中包括比奧(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)和泊松(S.D.Poission)，都是積極的微粒說(shuō)擁護(hù)者。組織這個(gè)競(jìng)賽的本意是希望通過(guò)微粒說(shuō)的理論來(lái)解釋光的衍射以及運(yùn)動(dòng)，以打擊波動(dòng)理論。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),一個(gè)不知名的法國(guó)年輕工程師-菲涅耳(Augustin Fresnel，當(dāng)時(shí)他才31歲)向組委會(huì)提交了一篇論文關(guān)于偏振光線的相互作用。在這篇論文里，菲涅耳采用了光是一種波動(dòng)的觀點(diǎn)

17、，但是革命性地認(rèn)為光是一種橫波,奧古斯汀-讓菲涅爾（Augustin-Jean Fresnel 1788-1827）法國(guó)土木工程師，物理學(xué)家，波動(dòng)光學(xué)的奠基人之一。,泊松并不相信這一結(jié)論，對(duì)它進(jìn)行了仔細(xì)的審查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個(gè)理論應(yīng)用于圓盤衍射的時(shí)候，在陰影中間將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑。這在泊松看來(lái)是十分荒謬的，影子中間怎么會(huì)出現(xiàn)亮斑呢？這差點(diǎn)使得菲涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果(Fran?ois Arago)在關(guān)鍵時(shí)刻堅(jiān)持要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有一個(gè)亮點(diǎn)如同奇跡一般地出現(xiàn)在圓盤陰影的正中心，位置亮度和理論符合得相當(dāng)完美。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),麥克斯韋于1856，1861和

18、1865年發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，這是一個(gè)開天辟地的工作，它在牛頓力學(xué)的大廈上又完整地建立起了另一座巨構(gòu)，而且其輝煌燦爛絕不亞于前者。麥克斯韋的理論預(yù)言，光其實(shí)只是電磁波的一種。這段文字是他在1861年的第二篇論文論物理力線里面特地用斜體字寫下的。這個(gè)預(yù)言是怎么樣由赫茲在1887年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的.,詹姆斯克拉克麥克斯韋（James Clerk Maxwell，18311879），出生于蘇格蘭愛(ài)丁堡，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一.,海因里希魯?shù)婪蚝掌潱℉einrich Rudolf Hertz，1857年2月22日1894年（甲午年）1月1日），德國(guó)物

19、理學(xué)家，于1888年首先證實(shí)了電磁波的存在。并對(duì)電磁學(xué)有很大的貢獻(xiàn)，故頻率的國(guó)際單位制單位赫茲以他的名字命名。,1. 光的本質(zhì)的爭(zhēng)論-波粒戰(zhàn)爭(zhēng),1 光的本質(zhì),光，既是電磁波（波動(dòng)性）又是光子流（粒子性），或稱為波粒二象性。,1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，如光的干涉、衍射、偏振、折射。,1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論。,1905年，愛(ài)因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、色散、散射。,麥克斯韋（1831-1879）,普朗克（

20、1858-1947）,愛(ài)因斯坦（1879-1955）,視頻: BBC系列：光的故事光之舞 3（英語(yǔ)）,更多光的本質(zhì)請(qǐng)關(guān)注 youku 視頻 BBC 光之舞(光的故事),27,光是一種電磁波,光矢量 E 矢量能引起人眼視覺(jué)和底片感光，叫做光矢量.,真空中的光速,28,可見光的范圍,二 相干光,1 普通光源的發(fā)光機(jī)制,29,普通光源發(fā)光特點(diǎn)： 原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一個(gè)短短的波列, 各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互不相干.,30,2 相干光的產(chǎn)生,31,本章目錄,11-1 相干光,11-5 邁克耳孫干涉儀,11-4 劈尖 牛頓環(huán),11-3 光程 薄膜干涉,11-2 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 勞埃德

21、鏡,11-0 教學(xué)基本要求,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,END,32,實(shí) 驗(yàn) 裝 置,一 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),波程差,33,減弱,34,暗紋,p,35,明、暗條紋的位置,白光照射時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋,36,(1) 一定時(shí)，若 變化, 則 將怎樣變化？,37,(2) 一定時(shí),條紋間距 與 的關(guān)系如何？,38,例1 在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)=589.3 nm的納燈作光源，屏幕距雙縫的距離d=800 mm，問(wèn)： (1)當(dāng)雙縫間距mm時(shí)，兩相鄰明條紋中心間距是多少？ (2)假設(shè)雙縫間距10 mm，兩相鄰明條紋中心間距又是多少？,39,解,(1) d=1 mm時(shí),(2) d=10 mm時(shí),已知,=589.3 nm,

22、d=800 mm,求,(1) d=1 mm時(shí),(2) d=10 mm時(shí),40,例2 以單色光照射到相距為0.2 mm的雙縫上，雙縫與屏幕的垂直距離為1 m. (1)從第一級(jí)明紋到同側(cè)的第四級(jí)明紋間的距離為7.5 mm，求單色光的波長(zhǎng)； (2)若入射光的波長(zhǎng)為600 nm,中央明紋中心距離最鄰近的暗紋中心的距離是多少？,41,解,(1),(2),已知,求,(1),(2),42,二 縫寬對(duì)干涉條紋的影響 空間相干性,實(shí)驗(yàn)觀察到，隨縫寬的增大，干涉條紋變模糊，最后消失,空間相干性,43,三 勞埃德鏡,半波損失 ：光由光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時(shí)，反射光位相突變 .,P,M,44,例2 如圖 離

23、湖面 h = 0.5 m處有一電磁波接收器位于 C ，當(dāng)一射電星從地平面漸漸升起時(shí)， 接收器斷續(xù)地檢測(cè)到一系列極大值 . 已知射電星所發(fā)射的電磁波的波長(zhǎng)為20.0 cm,求第一次測(cè)到極大值時(shí)，射電星的方位與湖面所成角度.,45,解 計(jì)算波程差,極大時(shí),46,取,47,本章目錄,11-1 相干光,11-5 邁克耳孫干涉儀,11-4 劈尖 牛頓環(huán),11-3 光程 薄膜干涉,11-2 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 勞埃德鏡,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-6 光的衍射,END,48,一 光程,光在真空中的速度,光在介質(zhì)中的速度,介質(zhì)中的波長(zhǎng),49,介質(zhì)中的波長(zhǎng),波程差,相位差,50,物理意義：光在介質(zhì)中通過(guò)的幾何路程折

24、算到真空中的路程.,介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積 =,(1)光程,51,(2)光程差 (兩光程之差),光程差,相位差,52,53,二 透鏡不引起附加的光程差,54,L,三 薄膜干涉,55,56,反射光的光程差,加 強(qiáng),減 弱,57,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互補(bǔ) 性 ，符合能量守恒定律.,58,當(dāng)光線垂直入射時(shí),當(dāng) 時(shí),當(dāng) 時(shí),59,例 一油輪漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一層薄薄的油污.,(1)如果太陽(yáng)正位于海域上空，一直升飛機(jī)的駕駛員從機(jī)上向正下方觀察，他所正對(duì)的油層厚度為460 nm,則他將觀察到油層呈什么顏色？,(2)

25、如果一潛水員潛入該區(qū)域水下，并向正上方觀察，又將看到油層呈什么顏色？,60,解 (1),綠色,已知,n1=1.20,n2=1.30,d=460 nm,61,(2)透射光的光程差,紅光,紫光,62,增透膜和增反膜,64,取,（增強(qiáng)）,氟化鎂為增透膜,例 為了增加透射率，求氟化鎂膜的最小厚度已知 空氣n1=1.00，氟化鎂 n2=1.38 ，=550 nm,則,65,本章目錄,11-5 邁克耳孫干涉儀,11-4 劈尖 牛頓環(huán),11-3 光程 薄膜干涉,11-2 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 勞埃德鏡,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-6 光的衍射,117 單縫衍射,END,66,S,M,一 劈 尖,67,明紋,暗紋,6

26、8,劈尖干涉,69,(2)相鄰明紋（暗紋） 間的厚度差,劈尖干涉,70,(3)條紋間距,劈尖干涉,71,(4 )干涉條紋的移動(dòng),72,例 1 波長(zhǎng)為680 nm的平行光照射到L=12 cm長(zhǎng)的兩塊玻璃片上，兩玻璃片的一邊相互接觸 ，另一邊被厚度=0.048 mm的紙片隔開. 試問(wèn)在這12 cm長(zhǎng)度內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)多少條暗條紋 ？,解,73,共有142條暗紋,74,(2)測(cè)膜厚,劈尖干涉的應(yīng)用,75,(3)檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度,76,(4)測(cè)細(xì)絲的直徑,77,二 牛頓環(huán),由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成,光程差,78,牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置,顯微鏡,S,L,M 半透半反鏡,T,79,明紋,暗紋,光程差,80,

27、81,(1)從反射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？從透射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？,(2)屬于等厚干涉，條紋間距不等，為什么？,82,(4)應(yīng)用例子：可以用來(lái)測(cè)量光波波長(zhǎng)，用于檢測(cè)透鏡質(zhì)量，曲率半徑等.,(3)將牛頓環(huán)置于 的液體中，條紋如何變？,83,測(cè)量透鏡的曲率半徑,牛頓環(huán)的應(yīng)用,牛頓環(huán)的應(yīng)用,牛頓環(huán)的應(yīng)用,86,例2 如圖所示為測(cè)量油膜折射率的實(shí)驗(yàn)裝置，在平面玻璃片G上放一油滴，并展開成圓形油膜，在波長(zhǎng) 的單色光垂直入射,G,下，從反射光中可觀察到油膜所形成的干涉條紋已知玻璃的折射率為 ，油膜的折射率 ，問(wèn)：當(dāng)油膜中心最高點(diǎn)與玻璃,87,片的上表面相距 時(shí)，干涉條紋是如何分布的？

28、可看到幾條明紋？明紋所在處的油膜厚度為多少 ?,G,解 條紋為同心圓,明紋,88,油膜邊緣,由于 故可觀察到四條明紋 .,89,90,總結(jié),(1)干涉條紋為光程差相同的點(diǎn)的軌跡，即厚度相等的點(diǎn)的軌跡.,91,(2)厚度線性增長(zhǎng)條紋等間距，厚度非線性增長(zhǎng)條紋不等間距.,(3)條紋的動(dòng)態(tài)變化分析（ 變化時(shí)）,92,(4)半波損失需具體問(wèn)題具體分析.,93,本章目錄,11-5 邁克耳孫干涉儀,11-4 劈尖 牛頓環(huán),11-3 光程 薄膜干涉,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-6 光的衍射,117 單縫衍射,11-8 圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),END,94,一 光的衍射現(xiàn)象,光在傳播過(guò)程中若遇到尺寸比光的波

29、長(zhǎng)大得不多的障礙物時(shí)，光會(huì)傳到障礙物的陰影區(qū)并形成明暗變化的光強(qiáng)分布的現(xiàn)象,95,二 惠更斯-菲涅耳原理,：波陣面上面元 (子波波源),子波在 點(diǎn)引起的振動(dòng)振幅 并與 有關(guān) .,： 時(shí)刻波陣面,*,96,：波陣面上面元 (子波波源),： 時(shí)刻波陣面,*,菲涅耳指出 波場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定.,97,三 菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射,98,99,本章目錄,11-5 邁克耳孫干涉儀,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-6 光的衍射,117 單縫衍射,11-9 衍射光柵,11-8 圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,END,100,（衍射角 ：向上為正，向下為負(fù)）,

30、菲涅耳波帶法,101,一 半波帶法,102,干涉相消(暗紋),干涉加強(qiáng)(明紋),（介于明暗之間）,中央明紋中心,103,二 光強(qiáng)分布,104,105,106,(1)第一暗紋距中心的距離,第一暗紋的衍射角,107,一定， 越大， 越大，衍射效應(yīng)越明顯.,光直線傳播,增大， 減小,一定,減小， 增大,衍射最大,第一暗紋的衍射角,108,角范圍,線范圍,(2)中央明紋,（ 的兩暗紋間）,109,單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？,110,入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化？,越大， 越大，衍射效應(yīng)越明顯.,111,(3)條紋寬度（相鄰條紋間距）,112,(4)單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化,單縫上移，零級(jí)明紋仍在

31、透鏡光軸上.,單縫上下微小移動(dòng)，根據(jù)透鏡成像原理衍射圖不變 .,113,(5)入射光非垂直入射時(shí)光程差的計(jì)算,（中央明紋向下移動(dòng)）,114,（中央明紋向上移動(dòng)）,115,例1 一單縫，寬為b=0.1 mm，縫后放有一焦距為50 cm的會(huì)聚透鏡，用波長(zhǎng)=546.1 nm的平行光垂直照射單縫，試求位于透鏡焦平面處的屏幕上中央明紋的寬度和中央明紋兩側(cè)任意兩相鄰暗紋中心之間的距離如將單縫位置作上下小距離移動(dòng)，屏上衍射條紋有何變化？,解,中央明紋寬度,其它明紋寬度,116,如將單縫位置作上下小距離移動(dòng)，屏上衍射條紋不變,117,例2 如圖，一雷達(dá)位于路邊 15 m 處，它的射束與公路成 角. 假如發(fā)射天

32、線的輸出口寬度 ，發(fā)射的微波波長(zhǎng)是18 mm ，則在它監(jiān)視范圍內(nèi)公路長(zhǎng)度約是多少？,118,解 將雷達(dá)天線輸出口看成是發(fā)出衍射波的單縫，衍射波能量主要集中在中央明紋范圍內(nèi).,119,根據(jù)暗紋條件,120,本章目錄,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-6 光的衍射,117 單縫衍射,11-9 衍射光柵,11-8 圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11-11 反射光和折射光的偏振,END,121,一 圓孔衍射,：艾里斑直徑,喬治比德爾艾里（1801年7月27日-1892年1月2日）英國(guó)第七任皇家天文學(xué)家（18351881）。曾為皇家格林威治天文臺(tái)安裝新的設(shè)備，使數(shù)千次觀察記錄免

33、遭埋沒(méi)。但他沒(méi)有及時(shí)處理1845年英國(guó)天文學(xué)家約翰柯西亞當(dāng)斯的計(jì)算結(jié)果，多少耽誤了海王星的發(fā)現(xiàn)。后改進(jìn)了金星和月球的軌道運(yùn)動(dòng)理論。1854年在一深礦井的底部和項(xiàng)部用同一個(gè)擺測(cè)量重力，由此推算出地球的密度。,艾里斑是以英國(guó)皇家天文學(xué)家喬治比德爾艾里的名字命名的。因?yàn)樗?835年的論文中第一次給出了這個(gè)現(xiàn)象的理論解釋。,123,二 瑞利判據(jù),124,對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的不相干的點(diǎn)光源（物點(diǎn)），一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的主極大剛好和另一點(diǎn)光源衍射圖樣的第一極小相重合，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.,125,三 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),126,最小分辨角,有趣的是，人類眼睛的設(shè)計(jì)很好地匹配了

34、感光細(xì)胞和艾里斑的尺寸。一般來(lái)說(shuō)人眼的焦距大約是24毫米，瞳孔的大?。ㄒ簿褪峭哥R的尺寸）是可以變化的，范圍從8毫米到2毫米之間，眼睛內(nèi)玻璃液的折射率為1.337。當(dāng)光波長(zhǎng)為550納米（人眼最敏感的波段，為綠光），瞳孔為4毫米時(shí)，人眼產(chǎn)生艾里斑的大小大約是2.8微米，正好與視網(wǎng)膜上負(fù)責(zé)感光的視錐細(xì)胞的大小接近（大約2.0微米）。,128,129,1990 年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的凹面物鏡的直徑為2.4 m，最小分辨角 在大氣層外 615 km 高空繞地運(yùn)行,可觀察130億光年遠(yuǎn)的太空深處，發(fā)現(xiàn)了500 億個(gè)星系 .,按照搜索、觀測(cè)的電磁波波長(zhǎng)分類，天文望遠(yuǎn)鏡大致可分為三大類：X射線天文望遠(yuǎn)鏡用于

35、觀察宇宙X射線，比如著名的“昌德拉”太空望遠(yuǎn)鏡；可見光天文望遠(yuǎn)鏡以可見光為工具觀察宇宙，最有名莫過(guò)于偉大的“哈勃”，以及“哈勃”的繼任者、未來(lái)幾年將升空的“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡，以及夏威夷的望遠(yuǎn)鏡；射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)捕捉和分析太空中的無(wú)線電波來(lái)觀察太空，例如美國(guó)“阿雷西博”射電望遠(yuǎn)鏡。,多國(guó)合作在夏威夷建造世界最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,2016年9月25日世界最大射電 (微波) 望遠(yuǎn)鏡貴州啟用,口徑達(dá)500米的FAST可以觀測(cè)到來(lái)自宇宙邊緣的微弱電磁波，它將在未來(lái)20年-30年保持世界一流設(shè)備的地位。,從廣義上看，曾經(jīng)在2013年拍攝到嬰兒時(shí)期宇宙照片、并發(fā)現(xiàn)暗能量的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）也屬于

36、射電望遠(yuǎn)鏡。在此之前，20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家借助于射電望遠(yuǎn)鏡做出了四項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子。,134,例1 設(shè)人眼在正常照度下的瞳孔直徑約為3 mm，而在可見光中，人眼最敏感的波長(zhǎng)為550 nm，問(wèn),(1)人眼的最小分辨角有多大？,(2)若物體放在距人眼25 cm（明視距離）處，則兩物點(diǎn)間距為多大時(shí)才能被分辨？,135,解 (1),(2),136,例2 毫米波雷達(dá)發(fā)出的波束比常用的雷達(dá)波束窄，這使得毫米波雷達(dá)不易受到反雷達(dá)導(dǎo)彈的襲擊.,(1)有一毫米波雷達(dá)，其圓形天線直徑為55 cm，發(fā)射頻率為220 GHz的毫米波，計(jì)算其波束的角寬度；,(2)將此結(jié)果

37、與普通船用雷達(dá)發(fā)射的波束的角寬度進(jìn)行比較，設(shè)船用雷達(dá)波長(zhǎng)為1.57 cm，圓形天線直徑為2.33 m .,137,解 (1),(2),138,本章目錄,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,117 單縫衍射,11-9 衍射光柵,11-8 圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11-12 雙折射 偏振棱鏡,11-11 反射光和折射光的偏振,END,139,（衍射角 ：向上為正，向下為負(fù)）,菲涅耳波帶法,140,干涉相消(暗紋),干涉加強(qiáng)(明紋),（介于明暗之間）,中央明紋中心,141,二 光強(qiáng)分布,142,一 光柵,等寬度、等距離的狹縫排列起來(lái)的光學(xué)元件.,143,二 光柵衍射條紋的形成

38、,光柵常數(shù)：,光柵常數(shù),衍射角,144,相鄰兩縫間的光程差：,光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果,145,光強(qiáng)分布,146,條紋最高級(jí)數(shù),147,光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越細(xì).,(a)1條縫,(f)20條縫,(e)6條縫,(c)3條縫,(b)2條縫,(d)5條縫,148,一定， 減少， 增大,一定， 增大， 增大,光柵常數(shù)越小，明紋越窄，明紋間相隔越遠(yuǎn).,入射光波長(zhǎng)越大，明紋間相隔越遠(yuǎn).,149,入射光為白光時(shí)，形成彩色光譜.,三 衍射光譜,150,例如二級(jí)光譜重疊部分光譜范圍,二級(jí)光譜重疊部分：,151,連續(xù)光譜：熾熱物體光譜 線狀光譜：放電管中氣體放電 帶狀光譜：分子光譜,衍射光譜分類,1

39、52,光譜分析,由于不同元素（或化合物）各有自己特 定的光譜，所以由譜線的成分，可分析出發(fā) 光物質(zhì)所含的元素或化合物；還可從譜線的 強(qiáng)度定量分析出元素的含量.,153,例1 用白光垂直照射在每厘米有6500條刻痕的平面光柵上，求第三級(jí)光譜的張角.,解,紅光,紫光,不可見,154,第三級(jí)光譜的張角,第三級(jí)光譜所能出現(xiàn)的最大波長(zhǎng),綠光,155,1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，受高速電子撞擊的金屬會(huì)發(fā)射一種穿透性很強(qiáng)的射線稱射線.,三 X 射線的衍射,156,157,1913年英國(guó)布拉格父子提出了一種解釋射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于1915年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng).,158,掠射角,晶格常數(shù),相鄰兩個(gè)晶面反

40、射的兩X射線干涉加強(qiáng)的條件,布拉格公式,入射波,散射波,159,用途 測(cè)量射線的波長(zhǎng)研究X射線譜，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)；研究晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究材料性能.例如對(duì)大分子 DNA 晶體的成千張的X射線衍射照片的分析，顯示出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu).,布拉格公式,160,DNA 晶體的 X衍射照片,DNA 分子的 雙螺旋結(jié)構(gòu) ,161,本章目錄,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-9 衍射光柵,11-8 圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11-12 雙折射 偏振棱鏡,11-11 反射光和折射光的偏振,*11-13 液晶顯示,END,胡克、惠更斯認(rèn)為光是一種縱波。 馬呂斯(Etienn

41、e Louis Malus)在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象。用光的縱波理論不能解釋，1817年托馬斯楊認(rèn)為光是一種橫波。在楊給阿拉果（就是和菲涅爾合作的那個(gè)不敢署名的同事）的信中根據(jù)光的雙折射現(xiàn)象推斷出光是橫波。菲涅爾隨后利用橫波理論解釋了偏振光的干涉。 事實(shí)上雙折射現(xiàn)象就是一種偏振現(xiàn)象。,馬呂斯( Etienne Louis Malus 1775-1812 )法國(guó)物理學(xué)家及軍事工程師。,163,機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別,機(jī)械波穿過(guò)狹縫,164,一自然光 偏振光,自然光 ：一般光源發(fā)出的光，包含各個(gè)方向的光矢量在所有可 能的方向上的振幅都相等 .,各光矢量間無(wú)固定的相位關(guān)系 .,二互相垂直方向是任選的

42、 .,165,偏振光（線偏振光）,光振動(dòng)只沿某一固定方向的光 .,166,部分偏振光 ：某一方向的光振動(dòng)比與之垂直方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的光為部分偏振光 .,167,二偏振片 起偏與檢偏,二向色性: 某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動(dòng) , 而只讓與這個(gè)方向垂直的光振動(dòng)通過(guò), 這種性質(zhì)稱二向色性 .,偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片 .,168,偏振化方向 ： 當(dāng)自然光照射在偏振片上時(shí)，它只讓某一特定方向的光通過(guò)，這個(gè)方向叫此偏振片的偏振化方向 .,169,檢 偏,170,三馬呂斯定律（1808 年）,馬呂斯定律,171,例 有兩個(gè)偏振片,一個(gè)用作起偏器, 一個(gè)用作檢偏器當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為

43、時(shí) , 一束單色自然光穿過(guò)它們, 出射光強(qiáng)為 ； 當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為 時(shí)，另一束單色自然光穿過(guò)它們 , 出射光強(qiáng)為 , 且 . 求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比 .,172,解 設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為I10 和 I20 .,經(jīng)過(guò)起偏器后光強(qiáng)分別為,經(jīng)過(guò)檢偏器后,173,在兩塊正交偏振片p1,p3 之間插入另一塊偏振片p2 ，光強(qiáng)為I0 的自然光垂直入射于偏振片p1 ，討論轉(zhuǎn)動(dòng)p2 透過(guò)p3 的光強(qiáng)I與轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .,174,175,176,若 在 間變化， 如何變化？,177,本章目錄,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-9 衍射光柵,11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11-12 雙折射 偏振棱

44、鏡,11-11 反射光和折射光的偏振,*11-13 液晶顯示,*11-14 幾何光學(xué),END,178,入射面 入射光線和法線所成的平面 .,反射光 部分偏振光，垂直于入射面的振動(dòng)大于平行于入射面的振動(dòng) .,光反射與折射時(shí)的偏振,179,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振動(dòng)大于垂直于入射面的振動(dòng) .,理論和實(shí)驗(yàn)證明：反射光的偏振化程度與入射角有關(guān) .,180,布儒斯特定律 （1815年）,反射光為完全偏振光，且振動(dòng)面垂直入射面，折射光為部分偏振光,當(dāng) 時(shí)，,181,(1)反射光和折射光互相垂直 .,182,(2)根據(jù)光的可逆性，當(dāng)入射光以 角從 介質(zhì)入射于界面時(shí)，此 角即為布儒斯特角 .,18

45、3,對(duì)于一般的光學(xué)玻璃 , 反射光的強(qiáng)度約占入射光強(qiáng)度的7.5% , 大部分光將透過(guò)玻璃.,184,討論光線的反射和折射(起偏角 ),185,討論 如圖的裝置 為偏振片，問(wèn)下列四種情況，屏上有無(wú)干涉條紋？,偏振化方向,186,無(wú)（兩振動(dòng)互相垂直）,(1)去掉 保留,(2)去掉 保留,(3)去掉 保留,(4) 都保留,無(wú)（兩振動(dòng)互相垂直）,無(wú)（無(wú)恒定相位差）,有,187,例 一自然光自空氣射向一塊平板玻璃，入射角為布儒斯特角 ,問(wèn)在界面 2 的反射光是什么光？,188,注意：一次起偏垂直入射面的振動(dòng)僅很小部分被反射，所以反射偏振光很弱 .,一般應(yīng)用玻璃片堆產(chǎn)生偏振光.,189,本章目錄,選擇進(jìn)入下一節(jié)：,11-9 衍射光柵,11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11-12 雙折射 偏振棱鏡,11-11 反射光和折射光的偏振,*11-13 液晶顯示,*11-14 幾何光學(xué),END,190,一 雙折射的尋常光和非尋常