大学文科物理—光学().ppt

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1、第二篇第二篇 光学光学光学的发展大致可换分为光学的发展大致可换分为5个时期：个时期：萌芽时期萌芽时期 从春秋时代的从春秋时代的墨翟墨翟开始后，对各种光学现象的感性认识开始后，对各种光学现象的感性认识几何光学时期几何光学时期 1718世纪，光的反射定律和折射定律的建立奠定了几何光学世纪，光的反射定律和折射定律的建立奠定了几何光学的基础的基础波动光学时期波动光学时期 19世纪初，波动光学初步形成。菲涅耳于世纪初，波动光学初步形成。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了理补充了惠更斯原理，形成了惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理量子光学时期量子光学时期 20世纪初，光

2、的产生、光和物质相互作用的微观机制的认识世纪初，光的产生、光和物质相互作用的微观机制的认识现代光学时期现代光学时期 20世纪中期，关于光的新理论和新技术而形成的分支学科或边世纪中期，关于光的新理论和新技术而形成的分支学科或边缘学科缘学科第一章第一章 几何光学几何光学 光的反射定律和折射定律的建立标志着光学作为一门学科开端；反光的反射定律和折射定律的建立标志着光学作为一门学科开端；反射定律很早就被发现，而折射定律却几经周折。射定律很早就被发现，而折射定律却几经周折。1.1 折射定律的建立折射定律的建立 约约100170年，托勒密（希腊天文学家）认为年，托勒密（希腊天文学家）认为“折射角与入射角成

3、正折射角与入射角成正比比” 大约过了一千年，大约过了一千年，阿勒阿勒哈增哈增发现托勒密的结论与事实不发现托勒密的结论与事实不符符 1611年，年，开普勒开普勒写成写成折光学折光学，没有找出折射定律，没有找出折射定律1621年，年，斯涅耳斯涅耳（荷兰）得出折射定律，但是没有发表（荷兰）得出折射定律，但是没有发表1626年，年，惠更斯惠更斯整理整理斯涅耳斯涅耳的遗稿，将折射定律发表出来的遗稿，将折射定律发表出来1637年年 笛卡儿笛卡儿在在方法论方法论中推导出折射公式，并提出中推导出折射公式，并提出“密介质光速密介质光速比疏介质大比疏介质大”1661年，费马（年，费马（1601-1665，法国数学

4、家）提出费马原理（，法国数学家）提出费马原理（最短时间原最短时间原理理?）为折射定律提供了严格准确的证明）为折射定律提供了严格准确的证明 2000多年前，亚里士多德认为各种颜多年前，亚里士多德认为各种颜 色的产生是由于光受到不同阻色的产生是由于光受到不同阻滞所引起滞所引起13 世纪，西奥多里克（德国，传教士）在实验中模仿天上的彩虹世纪，西奥多里克（德国，传教士）在实验中模仿天上的彩虹 1637年，笛卡儿在年，笛卡儿在方法论方法论中通过棱镜实验证明彩色的产生并不是中通过棱镜实验证明彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成；但是没有发现白光在色散后由于进入媒质深浅不同所造成；但是没有发现白光在色

5、散后的整个的整个 光谱光谱1648年，年，马尔西马尔西用三棱镜演示色散成功；但是给出了错误的解释用三棱镜演示色散成功；但是给出了错误的解释 17 世纪前期，人们大量地发现望远镜和显微镜在图象的边缘总会出世纪前期，人们大量地发现望远镜和显微镜在图象的边缘总会出现颜色（色差）现颜色（色差） 17 世纪中期，世纪中期，巴罗巴罗（16301677，牛顿在英国剑桥大学学习时的数，牛顿在英国剑桥大学学习时的数学教授）讲授光学（编有学教授）讲授光学（编有光学讲义光学讲义，牛顿听过修过此课，牛顿听过修过此课程并参与了该讲义的编辑）程并参与了该讲义的编辑）1704年，牛顿出版年，牛顿出版光学光学，系统阐述了色散

6、实验及其相关理论；同，系统阐述了色散实验及其相关理论；同时也开始了有关光的本性的思考时也开始了有关光的本性的思考1.2 牛顿关于色散现象的研究牛顿关于色散现象的研究 第二章第二章 波动光学波动光学 2.1 波动光学的发展历史波动光学的发展历史 胡克胡克惠更斯惠更斯托马斯托马斯杨杨阿拉果阿拉果菲涅尔菲涅尔2.2 光的干涉现象光的干涉现象2.2.1 两光波叠加产生干涉的条件和方法两光波叠加产生干涉的条件和方法 产生干涉的条件产生干涉的条件（1）频率相同）频率相同（2）振动方向相同）振动方向相同（3）具有固定的位相差）具有固定的位相差产生干涉的途径（方法）产生干涉的途径（方法）（1） 分波前的方法分

7、波前的方法 杨氏干涉杨氏干涉（2） 分振幅的方法分振幅的方法 薄膜干涉薄膜干涉（3） 分振动面的方法分振动面的方法 偏振光干涉偏振光干涉 cosIIIII21212 2.2.2 两光波叠加产生干涉的理论基础两光波叠加产生干涉的理论基础1S2S1n1r2r2nP2121212 21 11222 ()()rrnrnr 121122)(LLrnrn 光程差光程差nrL 光程光程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程110112( , )cos()Ep tEtr 220222( , )cos()E p tEtr 不同光线通过透镜要改变传播方向，会不会引起附

8、加不同光线通过透镜要改变传播方向，会不会引起附加光程差？在焦点处会不会因为干涉出现彩色条纹？光程差？在焦点处会不会因为干涉出现彩色条纹？问题问题ABCabcFAaFAaF比比BbFBbF经过的几何路程长，但经过的几何路程长，但BbFBbF在透镜中经过的在透镜中经过的路程比路程比AaFAaF长，透镜折射率大于长，透镜折射率大于1 1，折算成光程，折算成光程， AaFAaF的光程与的光程与BbFBbF的光程相等。的光程相等。解解释释使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。 2 若两相干光源是同位相的若两相干光源是同位相的干涉条件干涉条件 , k 2)1

9、2( k加加强强（明明）210 ,k 减减弱弱（暗暗）210 ,k 2.2.3 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验S1S2SD xd1r2rpo S1S2S*Dxdddrr tgsin12干涉加强干涉加强明纹明纹位置位置210 , , kdDkxkk 212 21212 dDkxkk) (,) ( )( S1S2SD xd1r2rpo 干涉减弱干涉减弱暗暗纹纹位置位置 dDxxxkk 1(1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧；点两侧； 干涉条纹特点干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关；无关；条纹间距

10、条纹间距:若用复色光源，则干涉条纹是彩色的若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。1k2k1k3k3k2k问：若反射光相消干涉的条件中问：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？例例 已知用波长已知用波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3=1.5，其，其上涂一层上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。的氟化镁增透膜，光线垂直入射。nm550 21222/)( kdn解：因为解：因为 ，所以反射光，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：消的条件是：3

11、21nnn11n5 . 13n38. 12nd代入代入k 和和 n2 求得：求得：mnd792109822381410550343 . 此膜对反射光相干相长的条件：此膜对反射光相干相长的条件： kdn 22nmk85511 nmk541222. nmk27533 可见光波长范围可见光波长范围 400700nm波长波长412.5nm的可见光有增反。的可见光有增反。问：若反射光相消干涉的条件中问：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？11n5 . 13n38. 12nd薄膜干涉薄膜干涉等厚干涉等厚

12、干涉当薄膜很薄时，从垂直于膜面当薄膜很薄时，从垂直于膜面的方向观察，膜上厚度相同的的方向观察，膜上厚度相同的位置有相同的光程差对应同一位置有相同的光程差对应同一级条纹，这种现象称为薄膜等级条纹，这种现象称为薄膜等厚干涉。厚干涉。 1、2两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉。两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉。 e n n n A反射光反射光2反射光反射光1单色平行光单色平行光(设设n n )a2.3 光的衍射现象光的衍射现象光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为光的衍射现象。偏离直线传

13、播的现象称为光的衍射现象。2.3.1 光的衍射现象及其分类光的衍射现象及其分类SABE光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏SABE光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏衍射的分类衍射的分类菲涅耳衍射菲涅耳衍射夫琅和费衍射夫琅和费衍射光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏距离为有限远距离为有限远 光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏距离为无限远距离为无限远 从同一波阵面上各点所发出的子波，经从同一波阵面上各点所发出的子波，经传播而在空间某点相遇时，也可相互叠传播而在空间某点相遇时，也可相互叠加产生干涉现象。加产生干涉现象。2.3.2 惠更斯惠更斯-费涅耳原理（衍射现象的基本理论）费涅耳原理（衍射现象的基本理论） 若

14、取时刻若取时刻t=0t=0波阵面上各点发出的子波初波阵面上各点发出的子波初相为零，则面元相为零，则面元dSdS在在P P点引起的光振动为点引起的光振动为dSrTtrKCdE)(cos)( 2SSd PrC-比例常数比例常数K ()-倾斜因子倾斜因子惠更斯惠更斯-菲涅耳原理解释了波为什么不向后传的问题菲涅耳原理解释了波为什么不向后传的问题0020 dEKKK)(,)()( 最最大大用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象S*单缝衍射实验装置单缝衍射实验装置屏幕屏幕1LK2L2.3.3 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射ABafxC0PP sinaAC 菲涅耳半波带法菲涅耳半

15、波带法2AB3A1A2AC222a sin 暗纹暗纹.A2A1ABCaxf2.A3P.24 sinaACA2A1ABCaxf222.P.23 sinaAC结论结论：分成偶数半波带为暗纹分成偶数半波带为暗纹; ; 分成奇数半波带为明纹。分成奇数半波带为明纹。中央明纹明纹暗纹02121221 sin),()(sin),(sinakkakka讨论：讨论：Ia25 a23 0a25 a23 sin1. 光强分布：光强分布：当当 增加时增加时, 光强的光强的极大值迅速衰减极大值迅速衰减2. 中央亮纹：中央亮纹：中央两侧第一暗中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做条纹之间的区域，称做零极（或中央）明条纹零极（

16、或中央）明条纹结论：结论：几何光学是几何光学是 波动光学在波动光学在a 时的极限情况时的极限情况当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹，这就是透镜所形当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹，这就是透镜所形成线光源的象。显示了光的直线传播的性质。成线光源的象。显示了光的直线传播的性质。(21)/2 xkfa 条纹在屏幕上的位置与波长成正比，如果用白光做光源，中央为白条纹在屏幕上的位置与波长成正比，如果用白光做光源，中央为白色明条纹，其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。色明条纹，其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。缝越窄（缝越窄（ a 越小），条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之，越小），条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之，条纹向中央靠拢。条纹向中央靠拢。3. 相邻两衍射条纹间距：相邻两衍射条纹间距： 其它各级明条纹的宽度为中央明条其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半；且各亮纹的中心位置为：纹宽度的一半；且各亮纹的中心位置为：2.3.4 圆孔夫琅和费衍射圆孔夫琅和费衍射S1L光源光源R障碍物障碍物因为大多数光学仪器所用因为大多数光学仪器所用透镜的边缘都是圆形