《双缝干涉》PPT课件.ppt

光学（Optics）,2,【本节讲授目录】,掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系.理解相干光的条件及获得相干光的方法.理解、掌握杨氏双缝干涉特征及条纹分布.,【教学基本要求】,1 光学发展简介,2 光学基本概念 相干光,3 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜*双镜干涉实验*,光学（Optics），是物理学的分支，主要是研究光的现象、性质与应用，包括光与物质之间的相互作用、光学仪器的制作。光学通常研究红外线、紫外线及可见光的物理行为。英文术语“optics”源自古希腊字，意为名词“看见”、“视见”。,光学（optics)，是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。,神舟九号与天宫一号自动对接,光学既是古老基础学科，又是科学领域中最活跃的前沿阵地之一。,萌芽时期:春秋战国墨经中有关光的直线传播，镜面反射等现象，比 墨经晚一百年的古希腊欧几里的德光学中有平面镜成像的研究。,几何光学时期:公元17世纪，光学发展史上的转折点，建立了折射和反射定律。奠定了几何光学的基础。出现了光学仪器，望远镜、显微镜等。对光的本质提出 了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。,波动光学时期:19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证 明光是电磁波。Maxwell电磁理论说明光一种电磁波。,波动光学时期:20世纪初研究光和物质相互作用后又发现光具有粒子 性，人们 在 深入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性，M.Born 提出波粒二象性 的几率解释。,现代光学时期:20世纪六十年代激光器问世后光学又焕发了青春，成为现代 物理和现代技术的重要前沿阵地。在医疗、通讯、军事、娱乐等 领域无所不在。,光学发展简介,光 学 分 支,以直线传播为基础折射、反射定律,物理光学：,波动光学：,以麦克斯韦电磁理论为基础，光的干涉、衍射、偏振,量子光学：,以量子力学为基础，光与物质作用,非线性光学,激光光谱学,信息光学,全息术,光纤通讯,集成光学,统计光学.,几何光学：,经典光学,现代光学,1 光是一种电磁波,光矢量：E 矢量能引起人眼视觉和底片感光.因此，人们通常将电场强度 E 称作光矢量。,真空中的光速,一 光学几个基本概念,光是一种电磁波,中微子超光速事件,9,意科学家发现超光速中微子 每秒多“跑”6公里2011年09月24日,新实验证实中微子未超光速 爱因斯坦相对论正确2012年03月19,这回爱因斯坦错了？,爱因斯坦可以安心了！,光波:特定波段的电磁波,普通光源：自发辐射,独立(不同原子发的光),独立(同一原子先后发的光),普通光源是观察不到干涉现象的。,2 相干光-两束满足相干条件的光称为相干光,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.,相干光源：激光(Laser)受激辐射,激光的发现使光学这一门古老学科在20世纪取得了极大的发展。,3 产生相干光的方法,在同一波面上两固定点光源，发出的光产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双缝干涉实验。,分波面法,一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅法。如薄膜干涉。,分振幅法,干涉现象决定于两束相干光的位相差，,两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定。,光在介质中传播几何路程为r，相应的位相变化为,4 光程、光程差和位相,真空中光的波长：,介质中波长：,光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程,即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程,光程定义为,由,可知,引入光程差,若两相干光源初位相是同位相的，则,相位差,二 杨氏双缝干涉实验,英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动光学：1801年首先用实验的方 法研究了光的干涉现象，为光的波动理论确定了实验基础。生理光学：三原色原理材料力学：杨氏弹性模量考 古 学：破译古埃及石碑上的文字,托马斯杨（Thomas Young）,1 杨氏双缝干涉实验,19,2 杨氏双缝干涉实验示模拟图,20,实 验 装 置,3 杨氏双缝干涉实验光路,4 杨氏干涉条纹分析,D d,光程差：,减弱,讨 论,1.明纹位置,k=0时：,0,明纹,零级明纹位于屏幕中央，只有一条。,k=1时：,1 级明纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。,其它各级明纹都有两条，且对称分布。,1,2,3,4,1,2,3,4,暗纹,0,0,k=0时：,零级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。,2.暗纹位置,k=1时：,1 级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。,其它各级暗纹都有两条，且对称分布。,1,2,3,4,1,2,3,4,3.条纹间距,a.相邻明纹间距：,b.相邻暗纹间距：,可以看出相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条纹明暗相间平行等距。,(1)一定时，若 变化,则 将怎样变化？,4.条纹间距与各量之间的关系,(2)一定时,条纹间距 与 的关系如何？,例1 在双缝干涉实验中，若单色光源 S 到两缝 S1S2 距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中 O 处，现将光源 S 向下移动到示意图中的 S 位置，则：,（A）中央明条纹也向下移动，且条纹间距不变；（B）中央明条纹向上移动，且条纹间距增大；（C）中央明条纹向下移动，且条纹间距增大；（D）中央明条纹向上移动，且条纹间距不变。,D,练习 在杨氏双缝干涉实验中，用波长=589.3 nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离D=800 mm，问：(1)当双缝间距mm时，两相邻明条纹中心间距是多少？(2)假设双缝间距10 mm，两相邻明条纹中心间距又是多少？,解,(1)d=1 mm时,(2)d=10 mm时,已知,=589.3 nm,D=800 mm,求,(1)d=1 mm时,(2)d=10 mm时,例3 以单色光照射到相距为0.2 mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1 m.(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5 mm，求单色光的波长；(2)若入射光的波长为600 nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？,解,(1),(2),已知,求,(1),(2),【例4】用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d，缝面与屏距离为 D。求能观察到的清晰可见光谱的级次。,解:,最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光,清晰的可见光谱只有一级,明纹条件为,例2：在双缝干涉实验中，用波长为 632.8 nm 的激光照射一双缝，将一折射率为 n=1.4 的透明的介质薄片插入一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了 3.5个条纹，求介质薄片的厚度 d。,解：由于中央明纹移动了 3.5 个条纹，则插入的介质薄片所增加的光程差为 3.5 个波长，对应原屏幕中央 o 点两条光线的光程差也为 3.5。,放入 t 后，在原屏幕中央o点两光线的光程差为：,对于O点：,劳埃德镜实验示意图,若将屏放到与镜面相接触的PL处，似乎应出现明纹（从S1和S2发出的光到达L处的光程相等）。,但实验事实是，在L处为一暗纹，原因是反射光的相位跃变了（半波损失）。,二 劳埃德镜,掠入射，产生了相位变化（半波损失）,劳埃德镜,光程差：,例5 如图 离湖面 h=0.5 m处有一电磁波接收器位于 C，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续地检测到一系列极大值.已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0 cm,求第一次测到极大值时，射电星的方位与湖面所成角度.,解 计算波程差,极大时,取,双镜干涉实验示意图,q,干涉条纹,三 双镜,运用几何的方法可以求出S1、S2之间的距离d以及到屏的距离 D 并进而对干涉条纹作出计算。,例6 在杨氏双缝干涉的实验装置中，入射光的波长为。若在缝S2与屏之间放置一片厚度为d0、折射率为n的透明介质,试问原来的零级亮纹将如何移动？如果观测到零级亮纹移到了原来的 j 级亮纹处，求该透明介质的厚度。,解：在缝S2与屏幕之间放置了透明介质片之后，从S1和S2到屏幕上的观测点P的光程差为,(1),S1,S2,r1,r2,d0,n,P,P0,与原来零级亮纹位置所满足的 r2-r1=0 相比可以看出，在放置介质片之后，零级亮纹应该下移。,在没有放置介质片时，0 级亮纹的位置满足,(2),按题意，在放置了介质片之后，观测到零级亮纹移到了原来的 j 级亮纹处。因此式(1)和式(2)必须同时得到满足，由此可解得,上式也可以理解为，透明介质片的插入使屏幕上的杨氏干涉条纹移动了|j|=(n-1)d0/条，这提供了一种测量透明介质折射率的方法。,其中，j 为负整数。,【例7】在双缝干涉实验中，波长l550 nm的单色平行光垂直入射到缝间距a210-4 m的双缝上，屏到双缝的距离D2 m求(1)中央明纹两侧的两条第10级明纹中心的间距；(2)用一厚度为e6.610-5 m、折射率为n1.58的玻璃片覆盖一缝后，零级明纹将移到原来的第几级明纹处？(1 nm=10-9 m),解：(1),(2),覆盖玻璃片后，零级明纹应满足,设不覆盖玻璃片时，此点为k级明纹，则应有,