UNIVERSITY PHYSICS 3

1. UNIVERSITY PHYSICS 3

2. Chapter 17 Wave Optics 第17章 波动光学

3. Introduction

4. 地球的母亲！ 光：light 万物生长靠太阳 第一丝光线照临大地， 新的一天开始了！

5. 万物通过光进入我们的生活，没有光就没有光明！万物通过光进入我们的生活，没有光就没有光明！ • 太阳的能量就是通过光波送到地球！ • 五光十色，缤纷的世界，光是主角！ • 光通信技术！ • 激光的发明，一场新技术革命！ • 通过光，人类知道遥远的星空发生的事件！ • 通过光，人类知道微观世界发生的事件！ • ………...

6. （1）15世纪以前： 各民族有不同的看法！ （2）16、17和18世纪： 惠更斯的波动学说和牛顿的微粒学说 光的认识过程：

7. （3）19世纪初期： 扬氏----菲涅尔波动学说 （4）麦克斯韦理论------光是电磁波 （5）现代学说-------波粒二象性 以后如何？天知，地知，我不知，你不知，让我们耐心等待吧！

8. 重要的历史人物（波动光学）： 托马斯.扬(Thomas Young)：1773~1829，英国物理学家，医师，主要贡献：（1）光学----扬氏干涉实验，向牛顿的微粒学说挑战；（2）材料力学----扬氏模量；（3）生理学-----眼对光的感受，三色原理。 夫琅和费（Toseph Von Fraunhefer)：1787~1826，德国物理学家，光学家，天体分光学的创始人，主要贡献：（1）天体光谱观测；（2）夫琅和费衍射实验；（3）发明衍射光栅，并刻出世界上第一块光栅。

9. 本章主要内容： • 光的干涉(Interference )； • 光的衍射(Diffraction of Light )； • 光的偏振性（横波 Polarization of Light）。 菲涅尔（Augustin Jean Fresnel): 1788~1827，法国物理学家，数学家，发明家和工程师，主要贡献：（1）菲涅尔衍射实验；（2）惠更斯--菲涅尔原理；（3）波动光学的主要创始人。

10. Part One Interference of Light 第一部分 光的干涉 §17-1 The Coherence of Light 光的 相干性 §17-2 Two Beams Interference 双缝干涉 §17-3 Optic Path & Optic Path Difference 光程与光程差 §17-4 Interference by Division of Amplitude 薄膜干涉 等厚条纹 §17-5 Michelson’ Interferometer 麦克耳孙干涉仪

11. Part Two Diffraction of Light 第二部分 光的衍射 §17-6 Diffraction of Light Huygens-Fresnel’s Principle 光的衍射现象 惠更斯 菲涅耳原理 §17-7 Diffraction from Single Slit 单缝的夫琅和费衍射 §17-8 Diffraction Grating 光栅衍射 §17-9 Resolving Power of Optical Instrument 光学仪器的分辨本领（自学） §17-10 x-ray Diffraction 射线的衍射（自学）

12. Part Three Polarization of Light 第三部分 光的偏振 §17-11 Nature Light & Polarized Light 自然光和偏振光 Polarization of Light Law of Malus 起偏和检偏 马吕斯定律 §17-12 Polarization by Reflection 反射和折射时光的偏振 §17-13 Double Reflection 光的双折射（自学） §17-14 Optic Strese Analysis（自学）

13. 教学要求 一、光的干涉 1、理解相干光的条件，了解获得相干光的方法； 2、掌握光程、光程差和干涉条纹的条件。理解半波损失的产生； 3、掌握薄膜等厚干涉条纹的主要规律及其应用； 4、了解等倾干涉和迈克耳逊干涉仪的构造和原理；

14. 教学要求 二、光的衍射 1、理解惠更斯 - 菲涅耳原理的涵义及它对光衍射现象的定性解释； 2、会用半波带法分析单缝的夫琅禾费衍射图样； 3、掌握光栅公式的应用； 4、了解衍射对光学仪器分辨率的影响； 5、了解X光的衍射现象，理解布喇格公式的物理意义。

15. 教学要求 三、光的偏振 1、明确自然光与偏振光的区别； 2、知道产生偏振光的几种方法，掌握布儒斯特定律和马吕斯定律； 3、知道双折射现象及所产生的偏振光。

16. Part One Interference of Light 第一部分 光的干涉

17. §17-1The Coherence of Light光的相干性 1. The coherence of light 光的相干性 普通光源：电灯、手电筒、煤油灯等发出来的光，没有干涉现象发生，为什么？ 因为它们不是相干波源，发射的光波不是相干波，所以普通光相遇，没有干涉现象发生。

18. 能级跃迁辐射 E2  = (E2-E1)/h 波列 E1 波列长L =  c 光源发光机理（非激光光源） （1）单个激发态原子一次发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）； （2）一个原子不同时间发光的频率、振动方向不同，在相位上没有故定关系；

19. 独立(不同 原子发的光) · 光束 独立(同一原子先后发的光) （3）光源所有的原子发光时间不同，不同原子发光的频率、振动方向都是随机的，在相位上更没有故定关系。 因此：这样的原子（分子）集体发射的光线，为一束包含‘多成分’的光。为非相干光源。

20. A B C 2.光程(optical path)、光程差(optical path difference)和相干长度(coherence length) 光程： 光走过的几何路径的长度与媒质的折射率的乘积: 光程差： 两列光波的光程之差：

21. 不相遇 如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什么条件才肯定会干涉？ 光程差不能太大，把能够产生干涉现象的最大光程差称为‘相干长度’。显然，相干长度等于一个波列的长度。

22. 激光(Laser): • 单色性好； • 相干性好（相干长度~km）； • 稳定性好； • 功率可达很高； • ……….. 相干光源

23. 波列a 波列a1 光学装置 波列a2 3.普通的光源，怎样构成相干光？ 在相遇区发生干涉 形成稳定的振幅分 布——干涉花样 • 根据分束的方法不同，干涉分为两类： • 分波阵面法 ； • 分振幅法。

24. 波源 分波阵面法 分振幅法

25. §17-2 Interference by Double-Slits(双缝干涉) 一. Young’s Double-Slits 杨氏双缝实验 1.杨氏双缝实验：分波阵面获得相干光

26. x x p · r1 S1 x r2 x   d x0 o S I  S2 D

27. S：点光源或线光源 S1和S2：点或狭缝,次级子波为相干波。 2.干涉图样(interference pattern) S、 S1 and S2：线光源 与缝平行的明 (bright) 暗(dark) 相间的条纹(fringes)

28. x x p · r1 S1 x r2 x   d x0 o S I  S2 D 3. 干涉明暗条纹的位置(Locations of the fringes) P 点处的波程差 在 D >>d , D>>x，即很小时

29. x 双缝干涉的明暗纹条件

30. 中央明条纹(central bright fringe)； 第一级明条纹(first-order bright fringes); 第一级明条纹(second-order bright fringes); 干涉明暗纹的位置 明纹

31. 第一级暗条纹(first-order dark fringes); 第一级暗条纹(second-order dark fringes); 暗纹

32. （2）两相邻明纹或暗纹的间距都是 即干涉条纹等距对称地分布。 4.条纹特点和结论 （1）明暗条纹对中央明条纹对称分布； (3)光强分布

33. （4）有两种光波同时通过双缝： • 形成两套干涉图样； • 中央明条纹重叠； • 波长短的靠近中央； • 其它级次可能会重叠： • 如用白光，会出现彩虹。 （5）实验的重大意义：证明了光是一种波动！·

34. 思考： 简单描述杨氏实验在下列情况下条纹的变化 （1）使屏离双缝的间距增大； （2）使光源波长变大； （3）两缝的间距增加； (4)红色滤光片遮住一缝，蓝色滤光片遮住另 一缝。

35. Example 17-1:双缝间距为2.00mm，与屏相距300cm，用波长为600nm的光照射时，屏上干涉条纹两相邻明条纹的距离是： (A)4.50mm; (B)0.900mm; (C)3.12mm; (D)4.15mm; (E)5.18mm;

36. 2. Lloyd’s mirror experiment 洛埃德镜实验 A S C d M M’ B S’ E’ E 实验装置如图, MM’是一小平面镜，S是线光源，从S发出的光波，一部分直接射到屏E上，另一部分以很大的入射角（接近90º）射到平面镜上后反射到屏上。由于两部分光波是从同一光波分割出来的，所以是相干波，在相遇区发生干涉，屏上可以看到干涉条纹。

37. 暗 S d M M’ S’ E’ 重要实验现象： M点为暗点 这表明两列波传播过程中改变了相位，由于直接射到屏上的波列不可能产生相位改变，所以一定是反射光的相位改变了,即反射时有半波损失。

38. 如果折射率 n1＜ n2 则称折射率较小的媒质为光疏媒质，称折射率较大的媒质为光密媒质。 洛埃镜实验的物理意义： 光从光密媒质反射时有半波损失(a half-wavelength phase shift)。

39. 实验证明：半波损失 （1）光从折射率较小的光疏媒质向折射率大的光密媒质表面入射时，如果入射角接近90º（称为掠入射），则在反射过程中反射光的相位改变了。 （2）当光从光疏媒质垂直投射在光密媒质上时，即入射角为0°时（正入射），其反射光也有半波损失。

40. Example 17-2:一雷达天线发射波长为5m的无线电波，将其安装在多佛尔峭壁上，用于监视英吉利海峡，此峭壁高出海面200m，一架贴近水面飞行的距发射天线20km的飞机，接受不到来自天线的信号，因此也不能将波发射回发射地，为什么会出现这种现象？飞机在某些高度飞行，雷达会接受到特别强的回波，为什么？

41. 在折射率 n （n ﹥1 ） 的介质： 光程： §17-3 Optical Path and Optical path Difference Property of Thin Lens光程与光程差 薄透镜的一个性质 1. Optic Path(光程) and Optical path Difference(光程差) 光：频率，在真空中波长。

42. 合振幅： 决定于： 其中： 光程差。

43. 干涉条件： 用光程差来表示干涉条件为： 可见，当两列相干光波在不同媒质中传播时，对干涉起决定作用的不是两光波的几何路程之差，而是它们的光程差。

44. r t r n 例17-3、杨氏双缝干涉实验中，若在下缝盖住一均匀介质，折射率为n，厚度为t，则中央明纹向平移，若所用波长为 5500Å 中央明纹将被第六级明纹取代，设t=5.5µm, 折射率为 。 下 1.6

45. 同相面 亮点 主光轴 焦点 平行光 2.Property of Thin Lens：等光程差 理论和实验表明：使用透镜不会引起附加的光程差！ 平行光线通过薄透镜，并不因为有透镜的存在而带来附加光程差。

46. 亮点 同相面 焦点 主光轴 焦平面 平行光 不带来附加光程差！！！

47. 1 2 §17-4 Interference by Division of Amplitude 由分振幅法产生的光的干涉（薄膜干涉 等厚条纹） 1. 分振幅法： 可利用两媒质的界面，使入射光分成两束： 反射光+折射光！ 1和2两束光为相干光，如能使它们再次相遇，将产生干涉。 怎样才能使它们再次相遇？

48. 干涉 1 2 可利用媒质的另一界面将‘2’反射，经透镜聚焦，产生干涉。 薄膜，厚度d 这种干涉叫薄膜干涉 如果薄膜的两面平行叫平行平面薄膜；如果两面 互成一个小角度（二面角），叫劈形膜或劈尖。 很小

50. 油污薄，干涉 吹肥皂泡 为什么只有当d较小时（即薄），才会产生干涉？