15第十五章光的本性

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1、第十五章　　光的本性 第一節(jié)　機(jī)械波的干涉和衍射 一、機(jī)械波的干涉 二、機(jī)械波的衍射 第二節(jié)　光的干涉和衍射 一、光的干涉 1．光的干涉現(xiàn)象：兩列頻率相同的光相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強(qiáng)，而另外一些區(qū)域總減弱，出現(xiàn)明暗相間的條紋或者彩色條紋的現(xiàn)象。 2．干涉的條件 ①兩個光源發(fā)出的光頻率相同； ②兩個光源發(fā)出的光在空間疊加。 二、雙縫干涉 1．實驗裝置 實驗：楊氏雙縫干涉實驗裝置如圖所示。 　 注意：本實驗中所用的光束是＿＿＿＿＿，能否用燈泡產(chǎn)生的光（自然光）來做這個實驗？ 如果仍要用燈泡產(chǎn)生的光束來做這個實驗，該怎么做？ 如下圖所示，楊氏雙

2、縫干涉實驗的裝置主要由光源、單縫S、雙縫S1、S2和光屏組成。 當(dāng)光照射到單縫時，單縫S就成為一個線光源，雙縫S1、S2到單縫S的距離相等，這樣雙縫S1、S2就處在線光源S發(fā)出的光波的同一個波面上（如圖所示），因此雙縫S1、S2就成為振動情況完全相同的兩個光源。所謂“振動情況完全相同”是指描述振動的物理量—頻率、相位、振幅以及振動方向都相同。由雙縫S1、S2發(fā)出的兩列光波在它們相遇的空間就會出現(xiàn)光振動加強(qiáng)與光振動減弱相間隔的區(qū)域，光屏上會出現(xiàn)亮、暗相間隔的條紋。 思考：下一個波面的振動情況與前一個波面的振動情況相同嗎？ 答：不一定。由光源的性質(zhì)決定，若光源為普通光源，則前后兩個波面的

3、振動一般不同，若光源為激光，則前后兩個波面的振動一般相同。 思考：如果單縫比較大的話，還能觀察到進(jìn)一步條紋嗎？ 答：如果縫比較大的話，單縫里所含有的光量多，信息復(fù)雜，就有可能含有不同頻率的光。單縫就不能成為新的單一波源，這樣到達(dá)兩縫的信息“即振動情況”就不完全相同，兩個縫的波就不能干涉。 例1．某同學(xué)自己動手利用如圖所示器材，觀察光的干涉現(xiàn)象，其中A為單縫屏，B為雙縫屏，C為像屏。當(dāng)他用一束陽光照射到A上時，屏C上并沒有出現(xiàn)干涉條件。他移走B后，C上出現(xiàn)一窄不亮斑。分析實驗失敗的原因，最大的可能性是（?。? A． 單縫S太窄 B． 單縫太寬 C． S到S和S的距離不等 D．

4、 陽光不能作為光源 2．干涉規(guī)律： ①屏上某點(diǎn)到兩個光源之間的距離差是波長的整數(shù)倍，或是半波長的偶數(shù)倍時，該點(diǎn)將出現(xiàn)亮條紋，即 屏上某點(diǎn)到兩個光源之間的距離之差是半波長的奇數(shù)倍時，該點(diǎn)將出現(xiàn)暗條紋，即 ②屏上和雙縫S1和S2的距離相等的點(diǎn)O，若用單色光實驗該點(diǎn)是亮條紋（中央條紋），若用白光實驗該點(diǎn)是白色的亮條紋。 若用單色光做實驗，在屏上得到明暗相間的條紋；若用白光實驗，中央條紋是白條紋，兩側(cè)是彩色條紋。內(nèi)側(cè)為紫色，外側(cè)為紅色。 ③屏上明條紋暗條紋之間的距離總是相等的。其距離大小Δx與雙縫之間距離d，雙縫到屏的距離L及光的波長有關(guān)，即 在L和d不變的情況下，Δ

5、x和波長λ成正比，應(yīng)用上式可側(cè)光波的波長λ。 若測出n條亮紋（或暗紋）間的距離a，相鄰兩條亮紋（或暗紋）間的距離，再測出d和L的值。就可以測得波長 特別注意：n的表述。 ④用同一實驗裝置做干涉實驗，紅光干涉條紋的間距最大，紫光的干涉條紋間距最小。 三、薄膜干涉 1．產(chǎn)生原因：由薄膜的前后表面反射的兩列光波疊加而成。 2．現(xiàn)象：若單色光照在上述薄膜上，形成明暗相間的條紋；若白光照在上述薄膜上，將形成彩色條紋；在水面上的油膜、肥皂泡等在白光照射下出現(xiàn)燦爛的彩色都是薄膜干涉現(xiàn)象。 　　 3．薄膜干涉的應(yīng)用 ①檢查精密零件的表面質(zhì)量 如圖所示，利用被檢查平面和標(biāo)

6、準(zhǔn)樣板間的空氣薄膜的上下兩個表面反射的兩列光波之間的干涉條紋來檢查。 思考：干涉條紋是由哪兩個表面的反射形成的？ ②增透膜 在光學(xué)元件（透鏡、棱鏡）的表面涂一層薄膜，當(dāng)薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的1/4時，在薄膜的兩個面上的反射光，光程差恰好等于半波長，因而相互抵消，達(dá)到減小反射光、增大透射光強(qiáng)度的作用。 四、光的衍射 1． 光的衍射現(xiàn)象：光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象。 2． 常見的光的衍射現(xiàn)象 ①光通過狹縫的衍射現(xiàn)象，單色光通過狹縫時，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋，中央條紋較寬，其余

7、亮紋變窄。白光通過狹縫時，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白條紋。 ②光通過小孔的衍射現(xiàn)象：光通過小孔時（孔很小）在屏上會出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)。 ③光照到小圓板上的衍射現(xiàn)象： 當(dāng)照到不透明的小圓板上，在屏上圓板的陰影中心，出現(xiàn)亮斑—泊松亮斑。 3． 在光的衍射現(xiàn)象中，衍射圖樣的出現(xiàn)，即明暗相間條紋的產(chǎn)生，是光波互相疊加后的結(jié)果。其中明條紋是光波疊加后的加強(qiáng)區(qū)，暗條紋是光波疊加后的減弱區(qū)。 4． 發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件 在障礙物或小孔的尺寸可以跟光的波長相比（即與波長差不多），甚至比光的波長還要小的時候，就會出現(xiàn)明顯的衍。 說明：光的干涉與衍射現(xiàn)象是光的波動性的表現(xiàn)，也是光具有波動性的

8、證據(jù)，其區(qū)別是：光干涉現(xiàn)象只有在符合一定條件下才發(fā)生；而光的衍射現(xiàn)象卻總是存在的，只有明顯與不明顯之分。光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象在屏上出現(xiàn)的都是明暗相間的條紋，但雙縫干涉時條紋間隔均勻，從中央到兩側(cè)的明紋亮度變化不大；而單縫衍射的條紋間隔不均勻，中央明紋又寬又亮，從中央向兩側(cè)，條紋寬度減小，明紋亮度顯著減弱。 例2．在做雙縫干涉實驗時，若用紅、綠兩塊玻璃分別擋在一條狹縫前面。下面說法中正確的是（　　） A． 屏上形成明暗相間的干涉條紋 B． 屏上形成紅、綠相間的干涉條紋 C． 屏上不能形成干涉條紋 D． 以上說法都不正確 例3．如右圖所示、一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說法

9、正確的是（　?。? A． 人從右側(cè)向左看，可看到彩色條紋 B． 人從左側(cè)向右看，可看到彩色條紋 C． 彩色條紋水平排列 D． 彩色條紋豎直排列 答案：BC 例4．讓太陽光垂直照射到一塊遮光板上，板上有一個自由收縮的三角形孔，當(dāng)此三角形孔緩慢地收縮變小直到閉合時，在孔后的屏上先后出現(xiàn)（　　） A． 由大到小的三角形光斑，直至光斑消失 B． 由大到小的三角形亮斑，明暗相間的彩色條紋，直至條紋消失 C． 由大到小的三角形光斑，明暗相間的黑白條紋，起到黑白條紋消失。 D． 由大到小的三角形光斑，小圓形光斑，明暗相間的彩色條紋，起到條紋消失 例5．市場上有種燈具俗稱“

10、冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處。這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍了一層薄膜，這種膜能消除不鍍膜時玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線。以λ表示此紅外線在玻璃中的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為＿＿＿＿＿＿＿。 第三節(jié)　光的電磁說 一、光的電磁說 1．光的電磁說的提出 光的干涉和衍射現(xiàn)象證實光是一種波。麥克斯韋在電磁理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁波和光波的相似性，提出光是一種電磁波。 2．光的電磁說的依據(jù) 赫茲用實驗證實電磁波的存在。 ① 光和電磁波在真空中的傳播速度相同。 ② 傳播時都不

11、需要介質(zhì)。 ③ 都具有波動性，具有反射、干涉、衍射等現(xiàn)象，都是橫波。 3．可見光、紅外線、紫外線、倫琴射線（x射線）、γ射線。 　　 二、電磁波譜 1．電磁波按波長由大到小的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、γ射線。其產(chǎn)生機(jī)理、性質(zhì)差別、用途等可概括如下表: 2．波長越長的波越容易表現(xiàn)出干涉、衍射等現(xiàn)象。波長越短的波越不容易觀察到它們的干涉、衍射等現(xiàn)象。 思考：紅外線為什么表現(xiàn)出熱效應(yīng)的特性呢？ 紅光穿透云層的能力比紫光＿＿＿＿。 紅光的穿透能力與x射線、γ射線的穿透能力有本質(zhì)上的區(qū)別嗎？ 三、光的偏振、激光 1． 偏振：橫波只

12、沿某一特定的方向振動，稱為波的偏振。光的偏振表明光波是一種橫波。 2． 自然光和偏振光 自然光（非偏振光） 偏振光 光的來源 直接從光源發(fā)出的光 自然光經(jīng)過起偏器后的光 光的振動方向 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿任意方向，且沿各個方向振動的強(qiáng)度相同。 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光的振動沿特點(diǎn)方向 3． 光的偏振在科技中的應(yīng)用 立體電影、照相用的偏振濾色片、偏振顯微鏡等。 4． 激光 （1）定義：原子發(fā)生受激輻射時，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)射方向等，都跟入射光子完全一樣，如界這樣的光子在介質(zhì)中傳播時，再引起其他原子發(fā)生受激輻射，就會產(chǎn)生越來越多的頻率和

13、發(fā)射方向都相同的光子，使光得到加強(qiáng)（也叫光放大），這就是激光。 （2）主要特點(diǎn)： 方向性好（光子的發(fā)射方向相同）、單色性好（光子的頻率相同）、亮度高。 （3）應(yīng)用 ① 由于其方向性好（即平行度高），可以用它來精確測距（如激光雷達(dá)），還可以用激光讀VCD機(jī)、CD唱機(jī)或計算機(jī)的光盤上的信息，經(jīng)過處理后還原成聲音和圖象。 ② 由于頻率相同，激光是一種人工相干光，所以它能像無線電波那樣進(jìn)行調(diào)制，用來傳遞信息。光纖通信應(yīng)是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物。 ③ 由于其亮度高，可以切割物質(zhì)，醫(yī)學(xué)上作“光刀”來切開皮膚，切除腫瘤等；還可以利用激光引起核聚變。 實驗：用雙縫干涉測光的波長 一、實

14、驗?zāi)康? 1． 觀察雙縫干涉的干涉圖樣。 2． 測定單色光的波長。 二、實驗原理 雙縫干涉中兩個相鄰明（暗）條紋間的距離Δx與波長λ、雙縫間距離d及雙縫到屏的距離L滿足 兩條相鄰明（暗）條紋間的距離Δx用測量頭測出。測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成，如圖所示。轉(zhuǎn)動手輪，分劃板會左、右移動。測量時，應(yīng)使分劃板中心刻線對齊條紋的中心。記下此時手輪上的讀數(shù)a1；轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板向一側(cè)移動，當(dāng)分劃板中心刻線對齊另一條相鄰的明條紋中心時，記下手輪上的刻度數(shù)a2，兩次讀數(shù)之差就是相鄰兩條明紋間的距離，即Δx＝|a1－a2|。 Δx很小，直接測量時相對誤差較大，通常測出n條明條紋間的

15、距離a，再推算相鄰兩條明（暗）條紋間的距離，即。 三、實驗步驟 1．觀察雙縫干涉圖樣 （1）將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖所示。 （2）接好光源，打開開關(guān)，使燈絲正常發(fā)光。 （3）調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏。 （4）安裝雙縫和單縫，中心大致位于遮光筒的軸線上，使雙縫與單縫的縫平行，二者間距約5 cm~10 cm，這時，可觀察白光的干涉條紋。 （5）在單縫的光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋。 2．測定單色光的波長 （1）安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋。 （2）使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央，記下手輪上的讀數(shù)a

16、1；轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線移動至另一亮條紋的中央，記下此時手輪上的讀數(shù)a2；并記下兩次測量時移過的條紋數(shù)n，則相鄰兩亮條紋間距 （3）用刻度尺測量雙縫到光屏間距離L(d是已知的)。 （4）重復(fù)測量、計算，求出波長的平均值。 （5）換用不同濾光片，重做實驗。 注意事項 1． 在安裝器材時，一定要使光源、單縫、雙縫和光屏的中心在同一條水平直線上，并使單縫和雙縫平行，否則會出現(xiàn)一半亮、一半暗或完全看不到亮光的現(xiàn)象。 2． 比較不同色光的干涉條紋的寬窄時，可將兩塊不同顏色的濾光片上下并列放在光源和單縫之間，使得進(jìn)入遮光筒的上、下兩部分是不同顏色的光，這樣就能在屏上同時看到上下兩種不同色光的干涉條紋，便于直接比較它們的寬窄。