大学物理D-09波动光学

《大学物理》机械工业出版社,2013年7月,配套

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人类对光的认识过程牛顿的微粒说： 光的直线传播 → 微粒 → 以力学定 律运动，解释了反射、折射

惠更斯创立波动说：

波动说由杨、菲涅耳的实验验证19世纪，法拉第、麦克斯韦、赫兹 →光是电磁波，媒质是以太G c ρ

光的干涉、衍射、偏振证实光是波——波动性 1900 年，普朗克提出量子论 → 光子，解释了热辐射 、光电效应、光压现象——微粒性

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两种理论无法解释对方的现象→无法统一 20世纪，德布罗意提出物质波概念才得以统一 光和物质一样都具有波粒二象性 20世纪50年代以来，光学开始了一个新的发展时期 激光、纤维光学(光纤)、红外技术 光学分类 几何光学——光的直线传播规律

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物理光学 波动光学 ——干涉、衍射、偏振 量子光学 ——光和物质的相互作用 现代光学 1960年 第一台红宝石激光器 非线性光学、激光光谱、信息光学、全息、 光纤通讯、集成光学、统计光学等

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大学物理 补充 8.3 电磁波

变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及 远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。最初由麦克 斯韦在理论上预言，1887年赫兹进行了实验证实。

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1、理论预言

V / 0 q / 0 S E ds V d B l E dl S t ds 1 c 3 108 m B ds 0 s 0 0 S E l E dl S 0 ( jc 0 t ) ds

2 E 2E 1 2E 0 0 2 2 2 2 x t u t

2 H 2 E 1 2 H 0 0 2 2 2 2 x t u t

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2.实验证实：赫兹(1887 年完成)火花感应圈

用电磁波重复了所有 光学反射、折射、衍 射、干涉、偏振实验。 理工v11-赫兹 实验4m

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3.、电磁波的产生与传播

理工v11电磁波形成

变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成 电磁波.

T 2 π LC+ Q0 +

1

2π

LC+

L

CQ0

-

-

振荡电偶极子

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不同时刻振荡电偶 极子附近的电场线

振荡电偶极子附近的电磁场线

p p0 cos t B

c

c

+ -

+ + + +

E

E

B

c

c

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极轴

E

传播方向

H r p0r E (r , t ) cos (t ) u 1 4π r u p0 2 sin r H (r , t ) cos (t ) 4π r u

p0 sin 2

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E o H

平面电磁波

u xu x E E0 cos (t ) u x H H 0 cos (t ) u

E H

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10.5

电磁波谱

4、电磁波谱 射 线

X射

紫 外 线

可 见 光10 7

红 外 线

微

线10 10

波

无 线 电 波

10 12核内 粒子 作用

10 3分子 振动 转动 核、 电子 自旋

10 1 ~ 105晶

体、 电子线 路振荡

m

内层 电子 跃迁

外层 电子 跃迁

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电 磁 波 谱10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10频率Hz 长波无线电波 760nm 红外线 紫外线 400nm X射线0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

可见光

射线

短波无线电波 波长 m

108

1044

100

10 4

10 8

10 12

10 16

无线电波 红外线 可见光

6 105 nm ~ 760nm

x 760nm ~ 400nm 射线 0.04nm

3 10 m ~ 0.1cm

紫外光 射线

400nm ~ 5nm 5nm ~ 0.04nm

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色光红

频率( 1014 Hz )4.0 ~4.8

真空中波长(7600 ~6300

) A

橙黄 绿 青 蓝

4.8 ~5.05.0 ~5.3 5.3 ~6.0 6.0 ~6.7 6.7 ~7.0

6300 ~60006000 ~5700 5700 ~5000 5000 ~ 4500 4500 ~4300

紫

7.0

~7.5

4300 ~4000

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知识结构光的 干涉 光的相干性 相干光的获得 光程差 薄膜等 厚干涉 単缝衍射 光栅衍射 偏振态 偏振光的获得 起偏与检偏 偏振片 双折射 反射光与折 射光的偏振 马吕斯定律 双缝干涉 劈尖 牛顿环

光 的 波 动 性

条纹分 布规律极大、极 小位置

菲涅耳衍射 光的 衍射 夫琅禾 费衍射 自然光

光的 偏振 偏振光

布儒斯 特定律

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教学基本要求一 光的干涉1 理解相干光的条件及获得相干光的方法. 2 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关 系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变. 3 能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉 条纹的位置.

4 了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.

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二 光的衍射 1 了解惠更斯-菲涅耳原理及它对光的衍射现 象的定性解释. 2 理解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条 纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹 分布的影响. 3 理解光栅衍射公式 , 会确定光栅衍射谱线的 位置，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布 的影响. 4 了解衍射对光学仪器分辨率的影响. 5 了解x射线的衍射现象和布拉格公式的物理意 义.

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三

光的偏振

理解自然光与偏振光的区别;理解布儒斯特定律和马吕斯定律; 了解双折射现象 ; 了解线偏振光的获得方法和检验方法 .

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教学重点

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◆理解光程、光程差和半波损失的概念，综合运用 干涉原理分析杨氏双缝、增透膜和劈尖模型。 ◆熟练掌握用半波带法分析单缝夫琅禾费衍射的条 纹位置的规律，光栅方程及其应用。 ◆了解圆孔衍射和光学仪器分辨率

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9.1 光的干涉9.1.1 光的相干条件

普通光源与激光光源光源的最基本的发光 单元是分子、原子。

(1)热辐射 (2)电致发光 (3)光致发光

(4)化学发光

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1.普通光源：自发辐射自发辐射跃迁 E2 波列

E1

= (E2-E1)/h发光时间t 10-8s

波列长 L = t c

· ·

独立(不

同原子同一时刻发的光)

独立(同一原子不同时刻发的光)

原子发光：方向不定的振动 瞬息万变的初位相 此起彼伏的间歇振动

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2 激光光源：受激辐射E2

= (E2-E1)/h

完全一样 E1

(频率, 相位,振动方向,传播方向都相同)

可以实现光放大;单色性好;相干性好。 例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zrnj.html