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高中物理竞赛第十一章波动光学合集(共131张)_图文

第十一章 波动光学 ? ? ? ? 圣经 创世纪: 上帝说:”要有光”,于是就有了光, 这是头一天. 几何光学:直线传播,反射,折射 波动光学:衍射干射偏振 光的量子论:黑体辐射,光电效应 光的本性认识:微粒说,波动说,波粒二象性 时间跨度: 两千多年前~17世纪 几何光学 17世纪~18世纪 微粒说与波动说的第一轮交锋 18世纪 微粒说占统治地位 19世纪~20世纪 波动说取得了决定性胜利 1801 1808 1815 1850 1865 1888 杨氏双缝实验 观测到光的干涉现象 Malus 观测到光的偏振 Fresnel 圆孔衍射 傅科 测出了光在水中的速度 Maxwell 电磁波理论 Hertz 证实光是电磁波 20世纪~至今 光的波粒二象性 1905 光电效应 1921 Compton 光子电子散射 光学在物理学中的地位 ? 应用: 最先进的科学仪器几乎都离不开基于几何光学的光路系统和基于 波动光学的测量分析系统 近代光学分支众多:非线性光学,全息术,量子光学,统计光学, 信息光学,光纤等 ? 理论: 光学有独特的研究方法,不能将光学纳入力学(机械波)和电磁学(电 磁波)的范畴. 光学是经典物理向近代物理过渡的桥梁和纽带,黑体辐射的紫外灾 难导致量子论的建立,”以太”的不存在导致相对论的建立 管风琴由音管、音栓、键盘、轨杆机、风箱、 琴箱组成。 哨管有圆柱形管体,发声原理与长笛非常相像。 其长度与音高相一致,长的奏低音,短的奏高 音。 光是一种电磁波 r E ? E0 cos ? (t ? ) u 平面电磁波方程 r H ? H 0 cos ? (t ? ) u 光矢量 E 矢量能引起人眼视觉和底 片感光,叫做光矢量. 真空中的光速 可见光的范围 c? 1 ? 0 ?0 14 14 ? : 400 ~ 760 nm ? : 7.5 ?10 ~ 4.3 ?10 Hz 11-1 相干光 一.光的相干性 1 普通光源的发光机制 普通光源发光特点: 原子发光是断续的, 每次发光形成一个短短的波列, 各原子各 次发光相互独立,各波列互不相干. ?1 态 ?2 E2 ?E ? h? En 激 E3 发 E1 基态 间歇性 ( ?t ~10-9S ) — 一个光波列 ? 独立性 ? 、E 矢量方向不尽相同 随机性 不同原子 同一时刻 ( E 矢量 ) 1 2 特殊技术 — 激光 — 相干 同原子 不同一时刻 光矢量 ? 不相干 P 2. 2. 相干光条件 (1) 必要条件 — 同机械波 (2) 充分条件 — 空间相干性与时间相干性 如光源线度要小, 膜很薄 二. 相干光的获取 一般: “一分为二”、 “自我干涉” 1. 分振幅法 ( 薄膜干涉 如劈尖、牛顿环、…) I1 I2 I W W1 A B W2 3. 2. 分波阵面法 ( 如双缝、劳埃德镜、…) 激光束干涉实验 4. 11-2 杨氏双缝干涉 一. 杨氏双缝干涉 明暗交错,等间距,等强度, 平行于缝的直线干涉条纹 劳埃德镜 d s1 o? s2 ? ? r1 r2 d' B x o ?r 对屏上任一点B (考虑到 d ? ?? d , d ? ?? x ) x ?r ? r2 ? r1 ? d sin ? ? d tan ? ? d d? 6. 由于?1= ?2 用?r 讨论干涉问题 x s1 当 ?r ? d ? ? k? d? d o? 相长(加强) s2 ? d 明纹中心(最亮处) x ? ? k ? ?r d r1 ? B r2 x o d' k ? 1,2, ?各级明纹 各2条 x ? 当 ?r ? d ? ?(2k ? 1) 相消(减弱) d? 2 ?? d 暗纹中心(最暗处) x ? ?(2k ? 1) d 2 其中 k ? 0,1,2,? 各级暗纹 各2条 d ? 等间距 相邻明纹(或暗纹)中心间距 ?x ? xk ?1 ? xk ? ? 7. d 其中 k ? 0,1,2,? k ? 0 中央(零级)明纹 ?r ? 0 双缝干涉的光强分析 离开双缝时两列光是同相的,当到达P点时由于光程不同而不同相了 E1 ? E0 cos(?t ); E2 ? E0 cos(?t ? ? ) E ? E1 ? E2 ? 2 E0 cos(?t ) cos(? / 2) I ? E2 平均值 ( 视觉、对时间? ) I ? ?? 1 ? 0 Idt ?2 E cos 2 0 2 ? 2 ?? 2? ? d sin ? ? 2 cos ? 1 , I ? 2 E0 ? 2 I 0 非均 2 匀且 2 2? cos ? 0 , I ? 0 2 稳定 分布 光的干涉不能创生或 消灭能量,只能使能量 在屏上重新分布,不管 光源是否相干,在屏上 的平均强度都是I0. ( 1) d、 d 一定时,若 ? 变化, 则 ?x 将怎样变化? ’ (2)?、d 一定时,条纹间距? x与 d 的关系如何? ’ [例] 在以单色光垂直照射相距为0.2mm的双缝 上, d’=1m . (1)如第1级明纹中心到同侧第4级明纹 中心 的间距为7.5 mm, 求? ; (2)若入射光波长为600 nm ,则中央明纹到第2条暗纹 中心的间距为多少? (3)若情况(2)中将整个装置放入水中(n=4/3)重求(2) ; (4)若在情况(2)中,光源S略微下移,讨论条纹移动 情况 ,如 S1S’- S2S’= ? ,求解明纹位置 x 表达式 ; (5)如改用白光入射,定性讨论条纹分布情况 . S1 S r1 ? B d S2 r2 x o 8. d? 分析与解: d? (1) 明纹中心 xk ? ? k? k ? 0,1,2,? d d? ?x41 ? x4 ? x1 ? (k 4 ? k1 )? ?

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