高三物理競賽光學(xué)課件

何謂霓虹？----內(nèi)圈為虹，外圈為霓虹與霓的成因，都是因?yàn)楣饩€被水珠折射與反射后所形成的現(xiàn)象.兩者的差異在于，光線被水珠折射兩次和反射一次就叫做「虹」，光線被水珠折射兩次和反射兩次就叫做霓.由于「霓」比「虹」反射多一次，光線的強(qiáng)度較弱，所以并不常見，加上「霓」的反射路徑與「虹」不同，所以「霓」的顏色排列與「虹」呈現(xiàn)上下相反的排列順序光學(xué)的三個(gè)層次：幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)本章主要采用波動(dòng)光學(xué)的視覺波動(dòng)光學(xué)基本觀點(diǎn)光波是電磁波，是橫波光速（波速）在國際單位制中，光速是準(zhǔn)確值，以此為基礎(chǔ)，加上對時(shí)間的準(zhǔn)確測量，從而確定長度標(biāo)準(zhǔn).（Why?）波動(dòng)光學(xué)基本觀點(diǎn)光矢量和光強(qiáng)光波中參與物質(zhì)相互作用（感光作用、生理作用）的是E矢量，稱為光矢量.E

矢量的振動(dòng)稱為光振動(dòng).光波平均能流密度稱為光強(qiáng)，用I表示.11.1相干光11.1.1相干光(coherentlight)兩列光波相干的條件（1）頻率相同（2）振動(dòng)方向相同（3）具有固定的位相差11.1相干光11.1.1相干光(coherentlight)觀測時(shí)間內(nèi)

平均光強(qiáng)為11.1相干光11.1.2相干光的獲得原子發(fā)光機(jī)理11.1相干光11.1.2相干光的獲得原子發(fā)光機(jī)理11.1相干光11.1.2相干光的獲得原子發(fā)光機(jī)理(熒光發(fā)光)11.1相干光11.1.2相干光的獲得光源11.1相干光11.1.2相干光的獲得光譜11.1相干光11.1.2相干光的獲得具有單一頻率的光波稱為單色光.不同頻率單色光的混合光稱為復(fù)色光光譜曲線譜線寬度自然寬度,多普勒加寬強(qiáng)度譜線及其寬度波長11.1相干光11.1.2相干光的獲得時(shí)間相干性（TemporalCoherence）與空間相干性（SpatialCoherence）11.1相干光11.1.2相干光的獲得相干光的獲得一分為二(哪個(gè)好?)分波面法分振幅法11.1相干光11.1.2相干光的獲得激光光源11.2雙縫干涉

11.2.1雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏(ThomasYong)所作的演示光的干涉效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，第一次推算出光的重要的物理量—波長.分波面，干涉發(fā)生在

兩列波重疊區(qū)域ThomasYoung(13June1773–10May1829)11.2雙縫干涉

11.2.2干涉條紋的位置pr1r2xxDod·11.2雙縫干涉

11.2.2干涉條紋的位置S1和S2處相位相同11.2雙縫干涉

11.2.2干涉條紋的位置11.2雙縫干涉

11.2.2干涉條紋的位置干涉條紋的特點(diǎn)明暗相間的條紋對稱分布于中心O點(diǎn)兩側(cè).相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距.相鄰條紋間距以D/d的比例系數(shù)放大波長l.干涉條紋的基本性質(zhì)同一條紋上的各點(diǎn)的波程差相等,反之也是一樣.相干疊加使能量的空間分布不均勻，但是總能量守恒.?11.2雙縫干涉

11.2.3洛埃鏡實(shí)驗(yàn)當(dāng)屏幕E移至E’

處，從S1和S2到N點(diǎn)的光程差為零，但是觀察到暗條紋，驗(yàn)證了反射時(shí)有半波損失存在.*實(shí)際干涉條紋分析：時(shí)間相干性，空間相干性.縫寬11.3光程與光程差

11.3.1光程(Opticalpathlength)OPL從波程到光程干涉情況與相位差相關(guān)，相位差又與波長相關(guān)，由于波長與介質(zhì)有關(guān)(頻率不變)，所以計(jì)算光波程不能只計(jì)算幾何路程.11.3光程與光程差

11.3.1光程從波程到光程(Opticalpathlength)OPL光程定義:介質(zhì)折射率n與光的幾何路程r之積nr.物理意義:光程是在引起相同相位改變的條件下，與光在折射率為n的介質(zhì)中的幾何路程r相當(dāng)?shù)耐粏紊庠谡婵罩械膫鞑ヂ烦蘮r.r1n1rini11.3光程與光程差

11.3.2光程差用光程差表示干涉加強(qiáng)和減弱的條件，很自然就包含了介質(zhì)因素，而保持公式的形式不變.y11.3光程與光程差

11.3.2光程差薄透鏡的等光程性使用透鏡只能改變

光波的傳播情況，不

會(huì)引起物象間光線的

附加光程差反射光的相位突變和附加光程差11.4薄膜干涉(filminterference)在楊氏干涉實(shí)驗(yàn)前，實(shí)際上我們已經(jīng)看到過光的干涉現(xiàn)象（我們看到什么，取決于我們知道什么，見識決定判斷）薄膜干涉是分振幅還是分波面？11.4薄膜干涉(filminterference)各種干涉問題分析思路：1相干光是誰2波程差(光程差)計(jì)算3條紋特點(diǎn)(形狀、位置、分布、條數(shù)、移動(dòng)等)條紋特點(diǎn)可由光程差結(jié)果來分析得到(因?yàn)闂l紋就是等光程差點(diǎn)的軌跡)4

*光強(qiáng)公式、光強(qiáng)曲線在搞清楚相干光后，計(jì)算光程差是核心.11.4薄膜干涉(filminterference)等傾干涉11.4薄膜干涉(filminterference)光程差計(jì)算11.4薄膜干涉(filminterference)條紋分析形狀：同心圓內(nèi)疏外密（間距）內(nèi)高外低（級次）復(fù)色光：彩色同心圓11.4薄膜干涉(filminterference)面光源從同一點(diǎn)發(fā)出的光，其兩束光之間是相干的，發(fā)生相干疊加.從不同點(diǎn)發(fā)出的光，各自產(chǎn)生的兩束光之間是相干的，而彼此之間不相干，發(fā)生非相干疊加.反射條紋與透射條紋的互補(bǔ)（能量守恒）.11.4薄膜干涉(filminterference)增透膜和高反射膜控制折射率與厚度Multicoatedphotographiclens11.4薄膜干涉(filminterference)11.4薄膜干涉(filminterference)11.4薄膜干涉(filminterference)11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)若薄膜的厚度e不均勻，從垂直于膜面的方向觀察，且視場角范圍很小(即入射傾角i幾乎都相同且接近于零)，膜上厚度相同的位置有相同的光程差，對應(yīng)同一級條紋，或者說，同一干涉條紋是由薄膜上厚度相同處所產(chǎn)生的反射光形成的，故稱為薄膜等厚干涉.等厚干涉條紋對應(yīng)膜的等厚線11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)11.5.1劈尖干涉11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)11.5.1劈尖干涉條紋特點(diǎn)靜態(tài)條紋特征：1)條紋等間距，棱邊通常是暗紋；2)相鄰條紋對應(yīng)膜厚度差為l/(2n)

；3)級次薄低厚高.條紋動(dòng)態(tài)變化規(guī)律：1)劈角變化對條紋的影響----疏密、移動(dòng);2)膜厚度變化引起條紋的移動(dòng).11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)11.5.1劈尖干涉應(yīng)用11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)11.5.2牛頓環(huán)按同樣的方法分析光程差，取n=1，(考慮半波損失)目標(biāo):消去e計(jì)算環(huán)的半徑r(why?)11.5劈尖干涉

牛頓環(huán)11.5.2牛頓環(huán)11.6邁克耳遜干涉儀

*定域干涉與非定域干涉非定域干涉是指兩列波在空間中一定區(qū)域處處相干，即各處都能產(chǎn)生干涉，在光場中任意地方放置毛玻璃都能看到干涉條紋，這是非定域干涉.定域干涉是指兩列波只能在特定位置才能觀察到干涉現(xiàn)象，這是定域干涉.雙縫干涉？薄膜干涉？牛頓環(huán)？邁干儀？11.6邁克耳遜干涉儀

11.7光的衍射現(xiàn)象

惠更斯一菲涅耳原理11.7.1光的衍射(Diffraction)現(xiàn)象按幾何光學(xué)的觀點(diǎn)，光線是直線傳播的.但是光在傳播過程中遇到大小與波長相比擬的障礙物（如：小孔、小屏、狹縫、毛發(fā)和細(xì)針等）時(shí)，由于波振面受到限制，能繞過障礙物而偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射（繞射）.如聲波可以繞過窗戶進(jìn)入室內(nèi)等.衍射現(xiàn)象是一切波動(dòng)的共有特性！11.7光的衍射現(xiàn)象

惠更斯一菲涅耳原理11.7.2菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射菲涅耳衍射：障礙物離光源和考察點(diǎn)的距離都是有限的，或其中之一的距離是有限的.也稱近場衍射.夫瑯禾費(fèi)衍射：光源和考察點(diǎn)到障礙物的距離可以認(rèn)為是無限遠(yuǎn)，即實(shí)際上使用的是平行光束，又稱遠(yuǎn)場衍射.11.7光的衍射現(xiàn)象

惠更斯一菲涅耳原理11.7.2菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射問題：如何實(shí)現(xiàn)夫瑯和費(fèi)衍射(Fraunhoferdiffraction)？11.7光的衍射現(xiàn)象

惠更斯一菲涅耳原理11.7.3惠更斯一菲涅耳原理波傳到的任何一點(diǎn)都是子波的波源，各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度.解決了光不向后傳播;說明了空間光強(qiáng)的重新分布是子波干涉疊加的結(jié)果.根據(jù)這一原理，原則上可計(jì)算任意形狀孔徑的衍射問題.我們的重點(diǎn)不是具體解算上述積分，而是運(yùn)用該原理有關(guān)子波干涉的基本思想去分析和處理一些典型的衍射問題.11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置縫寬AB=a，S

為單色光源11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置方法：如何疊加？矢量圖解法

，F(xiàn)resnel半波帶法，直接積分qq11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射*矢量圖解法附圖/RepresentationOfDiffractionByVectorSummation/11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射半波帶方法P點(diǎn)的光強(qiáng)是由

衍射角均為q的一

束平行光疊加而成.A→P和B→P的光程差d=l時(shí)，q方向?yàn)榘导yd=3l/2

時(shí)，q方向?yàn)槊骷yd=0時(shí)?半波帶半波帶11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射半波帶法圖解11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射半波帶法結(jié)論若d=asinq=ml/2,m為整數(shù)，則m為偶數(shù)時(shí)對應(yīng)q方向?yàn)榘导y，m為奇數(shù)時(shí)對應(yīng)q方向?yàn)槊骷y.若d=asinq=ml/2,m不為整數(shù),則對應(yīng)的q方向不能分為整數(shù)個(gè)半波帶，此方向不明不暗.半波帶法與矢量圖解法相比，優(yōu)缺點(diǎn)？11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射討論條紋特點(diǎn)：各級明紋的光強(qiáng)度隨衍射

角的增加而迅速減小.（剩余

的半波帶的面積減?。┲醒肓翖l紋的寬度等于各

次極大的兩倍，且絕大部分

光能都落在了中央亮條紋上.如果a<

l，或者q=p/2，結(jié)果如何？半角寬度half-angularbreadth11.8單逢的夫瑯和費(fèi)衍射例：將角寬度化為坐標(biāo)表示衍射反比律:中央明條紋的寬度正比于波長l,反比于縫寬aqqq11.9圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射

光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

11.9.1圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射定性上與單縫夫瑯禾費(fèi)衍射一致愛里斑(AiryDisc)半徑11.9圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射

光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

11.9.2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)瑞利準(zhǔn)則(RayleighCriterion)11.9圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射

光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

11.9.2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)瑞利準(zhǔn)則(RayleighCriterion)若兩物點(diǎn)相對于圓孔之間的夾角小于qR則在像屏上無法分辨出是兩個(gè)物點(diǎn).11.9圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射

光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

11.9.2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)11.9圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射

光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

提高分辨本領(lǐng)的途徑有哪些？分辨與放大是一回事嗎？一般人的瞳孔半徑約為2.5mm，肉眼對波長約為555nm的光最敏感，最小分辨角？波長？孔徑？角度？哪一種最好？11.10光柵衍射11.10.1光柵衍射(gratingdiffraction)大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件.11.10光柵衍射實(shí)驗(yàn)裝置11.10光柵衍射對應(yīng)衍射角q

，相臨兩縫對應(yīng)光線的光程差光柵方程11.10光柵衍射*暗紋條件在觀察點(diǎn)P光振動(dòng)的合成振幅為零時(shí)，為暗條紋.暗紋之間是次級明條紋k'=kN為主明紋兩個(gè)主明紋之間有N-1條暗條紋N增加時(shí)，主明紋之間成黑背景/blog/static/96072920075111429247/11.10光柵衍射*暗紋條件11.10光柵衍射*暗紋條件11.10光柵衍射11.10.2光柵光譜缺級（過程不作要求）：光柵衍射圖樣是多縫干涉光強(qiáng)分布受單縫衍射光強(qiáng)分布調(diào)制的結(jié)果.11.10光柵衍射11.10光柵衍射不要四舍五入！

直接取整！11.11X射線的衍射1895年，德國物理學(xué)家倫琴在做陰極射線實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線.電子在陰極K和陽極A之間受到幾萬至幾十萬伏高壓的加速，撞擊陽極，產(chǎn)生X射線.本質(zhì)上，原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時(shí)伴隨的輻射，稱為X射線.X射線特點(diǎn)：1、在電磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

2、使某些物質(zhì)發(fā)熒光，使氣體電離，底片感光具有極強(qiáng)的穿透力.

3、波長較短的電磁波，范圍在10-11m~10-8m11.11X射線的衍射1912年德國物理學(xué)家勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置11.11X射線的衍射Bragg'slaw11.11X射線的衍射有多少個(gè)反射面？11.11X射線的衍射11.12自然光和偏振光雖然人們最先知道光的波動(dòng)性，但經(jīng)歷過一些曲折后才認(rèn)識到光是橫波，光的偏振是光是橫波的最好證明.自然光：一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光.11.12自然光和偏振光偏振光線偏振光部分偏振光11.12自然光和偏振光圓偏振光，橢圓偏振光，部分偏振光11.13起偏和檢偏

馬呂斯定律

11.13.1起偏和檢偏實(shí)踐一下：我們周圍有多少光是自然光？起偏：從自然光獲得偏振光.起偏器:

起偏的光學(xué)器件.起偏的原理：利用某些材料在光學(xué)性質(zhì)上的各向異性.檢偏：用偏振器件分析、檢驗(yàn)光的偏振態(tài)11.13起偏和檢偏

馬呂斯定律

11.13.2馬呂斯定律11.14反射和折射時(shí)光的偏振

自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光11.14反射和折射時(shí)光的偏振

自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光11.14反射和折射時(shí)光的偏振

自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光11.14反射和折射時(shí)光的偏振

Brewster定律實(shí)驗(yàn)證明：i=i0

時(shí)，反射光只有S分量并且

i0

+r0=90o

i

0

—

布儒斯特角或

起偏角11.15光的雙折射現(xiàn)象11.15.1光的雙折射(Birefringent)現(xiàn)象11.15光的雙折射現(xiàn)象11.15.1光的雙折射(Birefringent)現(xiàn)象11.15光的雙折射現(xiàn)象11.15.1光的雙折射(Birefringent)現(xiàn)象單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體尋常光（o光）：遵從折射定律非常光（e光）:一般不遵從折射定律e光折射線也不一定在入射面內(nèi)11.15光的雙折射現(xiàn)象11.15.2晶體的二向色性和偏振片有些透明晶體不僅具有雙折射現(xiàn)象，而且對o光或e光有不同的吸收作用，這種晶體稱為二向色性晶體.利用二向色性晶體的這種特性，可以將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光.例如，電氣石晶體就具有很強(qiáng)的二向色性，當(dāng)自然光射入這種晶體時(shí)，發(fā)生雙折射現(xiàn)象，并對尋常光o有強(qiáng)烈的吸收作用，而對非常光e卻吸收很少，所以大部分非常光能夠透過.11.15光的雙折射現(xiàn)象11.15.2晶體的二向色性和偏振片天然單晶體的體積都是很有限的，一般不容易達(dá)到使用的要求.人們發(fā)現(xiàn)硫酸碘奎寧晶體也具有二向色性，若在被拉伸的塑料基片上淀積一層