2013暑-新高二物理竞赛班第7讲-物理光学-教师版

2013暑期学而思新高二物理竞赛班讲义

第7讲 物理光学

本讲导学

主要包括:惠更斯原理、光的干涉、光的衍射、光的偏振等内容，重点在光的干涉.

知识点睛

引入：惠更斯原理

惠更斯指出，由光源发出的光波，在同一时刻t时它所达到的各点的集合所构成的面，叫做此时刻的波阵面（又称为波前），在同一波阵面上各点的相位都相同，且波阵面上的各点又都作为新的波源向外发射子波，子波相遇时可以互相叠加，历时△t后，这些子波的包络面就是t+△t时刻的新的波阵

面. 波的传播方向与波阵面垂直，波阵面是一个平面的波叫做平面波，其传播方向与此平面垂直，波阵面是一个球面（或球面的一

部分）的波叫做球面波，其传播方向为沿球面的半径方向,如图

2）菲涅耳对惠更斯原理的改进（惠—菲原理）

波面S上每个面积单元ds都可看作新的波源，它们均发出次波，波面前方空间某一点P的振动可以由S面上所有面积所发出的次波在该点迭加后的合振幅来表示.

面积元ds所发出各次波的振幅和位相符合下列四个假设：

①在波动理论中，波面是一个等位相面，因而可以认为ds面上名点所发出的所有次波都有相同的初位相

②次波在P点处的振幅与r成反比.

③从面积元ds所发出的次波的振幅正比于ds的面积，且与倾角θ有关，其中θ为ds的法线N与ds到P点的连线r之间的夹角，即从ds发出的次波到达P点时的振幅随θ的增大而减小（倾斜因数）.

④次波在P点处的位相，由光程 nr决定 /*关于菲涅尔的两个段子

2

.

菲涅尔基本上是光的波动理论的老大了，很多的基础性工作都是他做的牛的一塌糊涂。菲涅尔

最早的时候跟阿拉戈一起做研究，阿拉戈从杨哪儿知道了光是横波的猜 想，就告诉了菲涅尔，然后两人就根据这个猜想作了一大堆的工作，包括光的偏振，双折射理论啥的，然后就该发表文章了，

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可是当时统治光学理论的是以太学说， 按照理论，稀薄的以太是不可能，有横波的，于是阿拉戈愣是没敢在文章上署名。

第二个故事跟泊松有关，当年菲涅尔向科学院提交一片竞赛的论文，内容就是光的传播，菲涅尔给了个方程，然后泊松老大以过人的数学功底算出，按照菲涅尔的方 程，一束光会在一个小圆盘阴影中心形成一个亮点，而这个现象谁也没见过，眼看菲涅尔的论文就要@#$%^%了。菲涅尔接到消息，二话没说，开始动手做实 验，然后自然就是成功，也正是因为这个实验，光的波动说彻底击败了粒子说。BTW: 菲涅尔可以说是穷死的，由于一直用其他工作的薪水贴补自己的研究，他欠了不少债，生活清苦，身体一直不好，最后死于肺病。 */

//讲义中段子摘自网络,不保证真实性//

一、光的干涉

1．干涉现象

频率相同，振动方向一致，初相差恒定（步调差恒定）的两束光，在相遇的区域出现了稳定相间的加强区域和减弱区域的现象.

（1）产生干涉的条件：能发生干涉现象的两束光一定要满足频率相同，振动方向一致（或有振动方向一致的分量），初相差恒定（步调差恒定）这三个条件，在此基础上

123、、 、 ①若S1、S2光振动情况完全相同，则符合光程 r2 r1 n ，（n 0）时，出现亮条纹；

②若符合 r2 r1 (2n 1)

L

d

2

12、3、、 ，（n 0）时，出现暗条纹. 相邻亮条纹（或相邻暗条纹）

之间的中央间距为 x . （后面例题）

（2）熟悉条纹特点

中央为明条纹，两边等间距对称分布明暗相间条纹. 2．用双缝干涉测量光的波长

原理：两个相邻的亮纹或暗条纹的中心间距是 x

d x

L

（1）观察双缝干涉图样：

只改变缝宽，用相同的色光来做；只改变屏与缝的间距看条纹间距的变化 单色光：形成明暗相间的条纹. 白光：中央亮条纹的边缘处出现了彩色条纹. 这是因为白光是由不同颜色的单色光复合而成的，

而不同色光的波长不同，在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离不变的条件下，光波的波长越长，各条纹之间的距离越大，条纹间距与光波的波长成正比. 各色光在双缝的中垂线上均为亮条纹，故各色光重合为白色.

Ld

测波长为：

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（2）测定单色光的波长：

双缝间距是已知的，测屏到双缝的距离l，测相邻两条亮纹间的距离 x，测出n个亮纹间的距

离a，则两个相邻亮条纹间距：

x

a n 1

3．薄膜干涉中的色散现象

用肥皂膜做薄膜干涉实验：在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光. 把灯丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜. 把这层液膜当成平面镜，用它观察灯焰的像. 这个像与直接看到的灯焰有什么不同？

如图：把这层液膜当做一个平面镜，用它观察灯焰的像：是液膜前后两个反射的光形成的，与双缝干涉的情况相同，在膜上不同位置，来自前后两个面的反射光用图中实虚线来代表两列光，所走的路程差不同.

在某些位置叠加后加强，出现了亮纹，在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现了暗纹. 注意：

关于薄膜干涉要弄清的几个问题：

（1）是哪两列光波发生干涉；

（2）应该从哪个方向去观察干涉图样； （3）条纹会向哪个方向侧移 4．应用

（1）照相机、望远镜的镜头表面的增透膜. （2）检查工件表面是否平整.

二、光的衍射

光偏离直线传播绕过障碍物进入阴影区域里的现象.

产生明显衍射的条件：障碍物或孔（缝）的尺寸与波长可比（相差不多）或更小.

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单色光单缝衍射图象特点：中央条纹最宽最亮，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹. 应用：用衍射光栅测定光波波长.

三、光的偏振

如图甲所示，让阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的. 以光的传播方向为轴旋转偏振片P，透射光的强度变化吗？

在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，观察通过两块偏振片的透射光的强度变化.

自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光. 光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波. 太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光.

需要注意的是，上图中开的缝只是示意的表示光能通过的偏振方向，实际上用一个狭缝并不能得到偏振光.

S’为一个单色光源【例1】 杨氏双缝干涉的装置示意图如下所示，（如钠灯），发出的光波长为λ.S

为一个狭缝，双缝间距为d，宽度很小，屏幕距双缝距离为L，且有L>>d.

（1） 根据干涉增强的条件，当Δ=r’-r=nλ（n=0、±1、±2、±3…）时，发生干涉增

强，由此证明之前条纹间距的公式 x .

（2） 取钠黄光波长为λ=589.3nm，L=1m，若要使条纹间距为1mm，则双缝的间距d为

多少.

例题精讲

Ld

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【解析】 （1）略

（2）d=0.6mm

【例2】 接上题. 我们将Δ=r’-r=0，即相位差为零的那个亮条纹称为零级条纹，同理称Δ=r’-r=nλ

的亮条纹为n级条纹. 若S距双缝的距离为L’，现将狭缝S向下缓慢移动. （1） 屏幕上的条纹将如何移动? （2） 若S向下移动ΔS（ΔS<<L’），则零级条纹移动的距离Δx0为多少？

（3） 现在最左边开两个相距为ΔS（ΔS<<L’）狭缝，如下图所示，由于不满足干涉的

第三个条件：“初相差恒定（步调差恒定）”，因此从S1透出的光和从S2透出的光之间不能发生干涉. 根据第二问的结果说明现在屏幕上的条纹的情况.

（4） 请根据第三问，粗略估计一下能看清条纹时，最左边的狭缝S的最大宽度δSm（双

缝的宽度暂时先不考虑）. 取L’=L=1m，d=1mm，λ=590nm，感受一下S的宽度.（当然，实际上双缝也是有一定宽度的，它对条纹的分辨也会有负面影响，所以实际S的宽度还要更小才能成功做成双缝干涉实验.）

【解析】 （1） 向上 （2）

（3） 两套相距为

的条纹

（4） 当偏得最远的一套的零级条纹与不偏的一级条纹重合时，无法分辨：