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第14章 波动光学 第十四章 波动光学 * * 光学—— 研究光的现象、光的本质和 光与物质相互作用的学科。 几何光学 波动光学 量子光学 ——以光的直线传播规律为依据 ——研究光的电磁性质和传播规律 ——以光的量子理论为基础，研究 光与物质相互作用的规律 （干涉、衍射、偏振） （黑体辐射、光电效应、康普顿效应等） §14-1 光是电磁波 光波（电磁波）是交变的电磁场在空间的传播。 电磁波是横波，光波也是一种横波。 麦克斯韦电磁理论两大预言 ——电磁波的存在 ——光是电磁波（光的波动学说） 描写光波（电磁波）的几个基本物理量 波源：加速运动的电荷或者电荷系都是发射电磁波的源 波速： （真空中） 频率：电磁波的频率范围很宽 射线 射线 紫外 可见光 红外 无线电波 （ 频率从高到低，波长从低到高） 可见光是一种波长很短的电磁波 430 455~400 紫 460 470~455 兰 480 492~470 青 540 577~492 绿 570 597~577 黄 610 622~597 橙 660 760~622 红 中心波长 (nm) 频率(Hz) 波长(nm) 光色 可见光七彩颜色的波长和频率范围 振幅：光波传播的是交变的电磁场，它的特征是以 、 为标志，而对人眼或光学仪器起作用的是 ,所 以光的振动矢量是 ，简称光矢量 。 光波的振幅： 简谐光波的振源方程： 平面简谐光波方程： 不同波长的光对人眼的灵敏度不同，人的 视觉对黄绿光最敏感，对应的 。 §14-2 光源 光波的叠加 一、 光源 — 任何发光的物体都称为光源 (1) 热辐射 (2) 电致发光 (3) 光致发光 (4) 化学发光 能级跃迁 波列 L = ? c 自发辐射 (5) 同步辐射 (6) 激光 受激辐射 自发辐射 E2 E1 发光机理 波列：一段有限长，频率、初相位， 振向确定，振幅不变的简谐波 非相干(不同原子发的光) 非相干(同一原子先后发的光) . . 2. 普通光原发光特点： 间歇性 独立性 二、 光的单色性 单色光：具有同一波长（频率）的光 （光学的理想化模型） 同一种原子组成的光源发出的光波频率、波长有一定的宽度。 ? 0 ? o I I0 I0 /2 ?? 谱线宽度 越小，谱线的单色性越好 实际光 单色光 —衡量谱线单色性好坏的物理量 三、 光波的叠加 · P 1 2 r1 r2 · · 1. 非相干叠加 (1) 相长干涉（亮） 2. 相干叠加 (2) 相消干涉（暗） 相干条件: 同频率、相差恒定、 光矢量振动方向平行 （叠加区域亮度均匀） 引入可见度： （度量条纹清晰度） 当两束相干光满足： 光强极大 光强极小 干涉条件简化为： 波程差： 四、 如何获得相干光 1. 分波阵面法 从点光源发出的同一波列的同一波面上，取出两个次波源，这两个次波源为相干光源。 2. 分振幅法 将光束中的每个波列都分成两列，二分波列为相干光。 薄膜 1 2 §14-3 杨氏双缝干涉实验 1. 实验装置 ( 线源 分波面 相遇) 一、 杨氏实验 明条纹位置 明条纹位置 明条纹位置 2. 现象 与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、对称分布的干涉条纹 ——首次证明了光的波动性 3. 理论分析 确定相干光束 计算波程差 根据相长 相消条件确定坐标 步骤 o 观察屏 P 两光线波程差 亮纹 暗纹 o 观察屏 P 两光线波程差 注： 干涉级 中央明纹， 一级暗纹， 其后依次为第 级暗纹 其后依为第 级明纹 明纹： 暗纹： (1) 屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为 一系列等间距的明暗相间条纹 I k 0 1 2 -1 -2 4I0 x 0 x1 x2 x-2 x-1 光强分布 讨论 (2) 已知 d , D 及Δx,可测? (3) Δx 正比 ? , D ; 反比 d 结论：以中央明纹为中心，两侧条纹明暗相间，等宽度，等间距，等亮度 (4) 不同频率的光入射， 不同 红光照射；干涉条纹稀疏 绿光照射；干涉条纹密集 也称为分辨距离，最小的分辨距离与人眼的