下载文档原格式
光的干涉与衍射光的干涉和衍射是光学中重要的现象，它们揭示了光波的波动性质和光的特殊性质。
本文将介绍光的干涉和衍射的基本原理、实验现象以及在现实生活中的应用。
一、光的干涉1.1 光的干涉原理光的干涉是指两束或多束相干光交叠叠加后产生的干涉现象。
相干光是指频率相同、相位差恒定的光波。
光的干涉基于光波的叠加原理，当光波相干叠加时，互相干涉形成明暗相间的干涉条纹。
1.2 干涉实验现象干涉实验中常见的现象包括双缝干涉、单缝干涉和薄膜干涉。
以双缝干涉为例，当一束光通过两个相隔较远的狭缝时，由于光的波动性质，形成的光波前沿会出现交替的明暗条纹，称为干涉条纹。
这种干涉现象可以用杨氏干涉实验来观察和解释。
1.3 干涉的应用光的干涉广泛应用于科学研究和技术领域。
在光学显微镜中，使用干涉仪可以增强显微镜的分辨率。
在光谱仪中，干涉技术可以用于分析物质的光谱特性。
此外，干涉还应用于激光干涉测量、平板反射干涉等领域。
二、光的衍射2.1 光的衍射原理光的衍射是指光通过一个缝隙或物体边缘时，光波前沿会发生弯曲、弥散和衍射现象。
光波在遇到障碍物或缝隙时会发生弯曲和扩散，形成新的波前和波峰，从而产生衍射现象。
2.2 衍射实验现象衍射实验中常见的现象包括单缝衍射和双缝衍射。
单缝衍射实验中，当光通过一个狭缝时，出射光在屏上形成一系列明暗相间的衍射条纹。
双缝衍射实验中，当光通过两个相隔较远的狭缝时，出射光在屏上形成一组中央明亮、两侧弱光的衍射条纹。
2.3 衍射的应用光的衍射在实际应用中有着广泛的应用价值。
在光学显微镜中，利用衍射原理可以观察到更高分辨率的显微图像。
在激光技术中，衍射是生成激光光束的重要过程。
此外，衍射还应用于天文观测、无线通信和图像处理等领域。
三、光的干涉与衍射的联系与区别光的干涉和衍射都是光波的特性，都是光波的波动现象。
它们之间存在联系和区别。
干涉主要是由于光的波动性质和光前沿的叠加相干，产生明暗相间的干涉条纹。
而衍射则是光波在遇到障碍物或缝隙时的弯曲和扩散现象，形成新的波前和波峰。
光的干涉现象光的干涉现象是光学中重要而又有趣的现象之一。
它揭示了光的波动性质，并深化了人们对光的理解。
本文将通过对光的干涉现象的介绍和实例分析，探讨其原理、应用以及对科学研究和技术发展的影响。
一、光的干涉现象简介光的干涉现象指的是两束或多束光波相互叠加产生的干涉条纹现象。
当两束光波的相位差满足某一特定条件时，它们在空间中会相互干涉。
干涉的结果是光的强弱发生变化，形成了明暗相间的条纹。
在光的干涉现象中，存在两种类型的干涉：同态干涉和非同态干涉。
同态干涉是指两束来自同一光源的光波相互叠加产生的干涉现象，如杨氏双缝干涉和牛顿环等。
非同态干涉是指两束或多束不同光源的光波相互叠加产生的干涉现象，如薄膜干涉和透明薄板干涉等。
二、光的干涉现象原理光的干涉现象可以用波的叠加原理解释。
当两束光波相遇并叠加时，它们的电场强度相互叠加，形成一个新的电场强度分布。
而光的亮暗程度与电场强度的平方成正比，因此，新的电场强度分布也决定了光的亮暗程度。
在同态干涉中，双缝干涉是最典型的实例。
当一束光通过一个有两个细缝的屏幕时，射到屏幕后，光波会分成两束继续传播。
这两束光波在屏幕后再次相遇并叠加，产生干涉现象。
干涉的结果是在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹，称为干涉条纹。
三、光的干涉现象应用光的干涉现象在科学研究和技术应用中具有重要意义。
以下是一些常见的应用。
1. 干涉测量：利用光的干涉现象，可以进行高精度的测量。
例如，通过测量干涉条纹的间距和光波的波长，可以计算出被测物体的长度或形状。
2. 光学薄膜：通过在透明介质表面上涂敷一层薄膜，可以利用薄膜的干涉现象来改变光的反射和透射性质。
这在光学元件的设计和制造中有广泛的应用。
3. 涡旋光：涡旋光是一种具有自旋角动量的光。
通过制造特殊形状的相位板，可以实现光的幅度和相位的分离，产生具有涡旋光性质的光束。
涡旋光在光学通信和光学显微镜等领域有重要应用。
4. 光学干涉仪器：干涉仪器是利用光的干涉现象设计和制造的仪器。
光的干涉与衍射光是我们日常生活中一种常见的现象，我们常常用来照明和观察周围的世界。
光的行为充满了奇妙和神秘，其中干涉和衍射是光学中重要的概念。
本文将就光的干涉与衍射进行深入的探讨和解析。
一、光的干涉干涉是指两束或多束光相互叠加产生的干涉现象，其中包括构造干涉和干涉条纹。
比如两束平行光通过一透明介质，会发生光波的叠加和波程差的变化，从而形成明暗相间的干涉条纹。
干涉现象的发生是由于波动性质导致的，当两束光波相遇时，迎面相碰的部分光波形成干涉现象，而波程差的变化则决定了干涉条纹的特性。
干涉现象对实际生活和科学研究有着广泛的应用。
例如，利用干涉现象，我们可以测量薄膜的厚度和光的波长，还可以通过光的多普勒效应来研究天文学领域。
二、光的衍射衍射是指当光波通过一个障碍物或者通过一个有限的开口时，会发生光波的弯曲和扩散现象。
当光经过障碍物的边缘或者开口时，光波会弯曲并产生衍射现象，从而形成明暗相间的衍射图样。
衍射现象是光的波动性质的直接体现。
当光通过一个小孔或者细缝时，经过衍射现象后会产生衍射斑，这一现象证明了光是一种波动的现象。
衍射现象不仅仅是光学研究中重要的现象，还在无线电、声波等领域中得到广泛应用。
例如，利用衍射现象，我们可以实现无线电通信中的信号传输和天线的设计。
三、干涉与衍射的区别和联系干涉和衍射是光波的基本性质，二者在理论和实际应用中都有一些区别和联系。
首先，干涉是由两束或多束光相互叠加形成的，而衍射则是由光通过障碍物或者开口产生的光波扩散现象。
其次，干涉中的波程差变化决定了干涉条纹的明暗程度，而衍射中的光波通过障碍物或者开口后会产生不同的衍射图样。
干涉和衍射在一些实际应用中也存在密切联系。
例如，在光学中，干涉和衍射可以结合使用来实现更精确的测量和观察结果。
总结起来，光的干涉和衍射是光学中非常重要的现象。
干涉和衍射的发生是由光的波动性质导致的，并且在科学研究和实际生活中都有广泛应用。
通过对干涉和衍射的研究，我们可以更深入地了解光的行为和性质，推动光学领域的发展和应用。
物理知识点光的干涉光的干涉是光学中的重要概念之一，它揭示了光波的波动性质及其产生的干涉现象。
本文将依据物理知识点，对光的干涉进行详细论述。
一、干涉现象的基本原理光的干涉是指两个或多个光波相互叠加所形成的干涉图案。
干涉现象的产生需要满足两个基本条件：光源是相干光源，波长相同。
当光波经过不同路径传播后再次相遇时，它们会相互干涉，产生增强或减弱的干涉效应。
二、双缝干涉1. 双缝干涉的实验装置双缝干涉实验一般采用光源、狭缝、透镜和屏幕等组成。
光源发出的光经狭缝后，形成一个光源光斑，通过透镜聚焦后照射到屏幕上。
2. 双缝干涉的光程差当光波通过两个缝隙后再次相遇时，其传播路径的长度差称为光程差。
光的干涉现象取决于光程差的大小。
3. 双缝干涉的干涉图案双缝干涉的干涉图案呈现出一系列明暗相间的条纹，称为干涉条纹。
该条纹呈现出一定的规律性，可通过干涉公式和级差条件进行分析和计算。
三、杨氏双缝干涉实验1. 杨氏双缝干涉实验的装置杨氏双缝干涉实验是一种经典的干涉实验方法。
实验装置由一束狭缝光源、双缝、透镜和幕板等组成。
2. 杨氏双缝干涉的干涉条纹杨氏干涉条纹呈现出一系列黑白相间的圆环或直线条纹。
根据实验条件和光波的干涉效应，可以通过杨氏双缝干涉公式进行计算。
四、单缝干涉1. 单缝干涉的实验装置单缝干涉实验通常采用单缝光源、单缝和屏幕等组成。
单缝光源发出的光波通过单缝后形成一个光斑，映射到屏幕上形成单缝干涉图样。
2. 单缝干涉的干涉条纹单缝干涉的干涉条纹呈现出明暗相间且中央最亮的中央极大和两侧较暗的暗条纹分布。
单缝干涉的干涉效应可由单缝干涉公式和级差条件加以说明。
五、干涉现象的应用光的干涉在科学研究和实际应用中有着重要的意义。
1. 干涉仪干涉仪是一种基于光的干涉原理设计的精密仪器，常用于光学测量、干涉剖析和光学检测等领域。
2. 光纤通信光纤通信是一种基于光的传输技术。
光波经光纤传输时，可能会产生干涉现象，影响信号传输质量，因此需要进行干涉相关的优化和控制。
光的干涉与衍射光的干涉与衍射是光学中的两个重要现象，它们揭示了光的波动性质以及光与物质相互作用的规律。
本文将对光的干涉与衍射的基本原理进行解析，并探讨其在现实生活中的应用。
一、光的干涉光的干涉是指两束或多束光波在空间某一区域内叠加相互干涉的现象。
干涉的基本原理是光波的叠加原理，它要求干涉光波的频率相同、相位差恒定。
1. 同源光干涉当一束光经过分光镜或反射后分成两束互为相干光时，它们在相交区域产生干涉现象。
这种干涉称为同源光干涉，实现同源光干涉的方法有劈尖实验、杨氏双缝干涉等。
2. 不同源光干涉不同源光干涉是指来自不同光源的光波相互叠加形成的干涉现象。
在实际应用中，常用的不同源光干涉的方法有薄膜干涉、牛顿环干涉等。
干涉现象的出现与光波的干涉程度有关，光波的干涉程度又与干涉条纹的清晰度和对比度有关。
干涉的调制方式包括相长干涉和相消干涉。
相长干涉指光波的相位差增加，干涉条纹的亮度增加；相消干涉指光波的相位差减小，干涉条纹的亮度减小。
二、光的衍射光的衍射是指光波从一个波阵面向四周的扩散过程。
和干涉一样，衍射的产生也是基于光的波动性质。
衍射现象发生的条件是：光的波长与衍射结构的尺寸相当，且衍射结构的物理性质会对光波进行弯曲、偏折或分解。
衍射实验常用的方法有单缝衍射、双缝衍射、圆孔衍射等。
其中，双缝衍射是衍射实验中最经典且具有代表性的实验方法之一。
通过双缝衍射实验可以观察到明暗交替的干涉条纹，这些条纹的出现证明了光波的波动性质。
衍射现象在生活中有许多应用，例如天边的日出日落时，太阳光经过大气中的微粒衍射而呈现出美丽的红色；CD、DVD等光盘上的信息存储也是利用衍射原理完成的。
三、光的干涉与衍射的应用1. 干涉与衍射在测量领域的应用通过光的干涉与衍射现象，可以开发出许多测量仪器和装置。
例如，在表面粗糙度测量中，通过光的干涉实现了纳米级的表面形貌重建；在干涉仪测量中，通过光的干涉实现了高精度的长度和角度测量。
2. 干涉与衍射在光学显微镜中的应用干涉与衍射在光学显微镜中的应用十分重要。
大学物理Ⅱ
教案
基础部
任课教师岳平
教学单位基础部
授课班级1011、1012、1021 课程总学时32
基本教材大学物理（下册）
二零一一年九月
北京电子科技学院教案
附件１：教学内容
§ 1 相干光
一、机械波相干（回顾上学期内容，采取提问，启发的形式）
1．相干波源：频率相同、振动方向相同、位相差恒定
干涉现象：两列相干波相遇时，某些地方始终振动加强，另一些地方始终振动减弱的现象。
2．P 点的振动是两个同方向同频率简谐振动的叠加
由简谐振动的矢量表示法可知，合振动的振幅与两个分振动的位相差有关
πϕk 2±=∆),2,1,0( =k 时，A 最大 干涉相长 πϕ)12(+±=∆k ),2,1,0( =k 时，A 最小 干涉相消
由波函数
)
2cos(])(cos[ϕλπ
ωϕω+-=+-=r t A u r t A y 可得，P 点的
两分振动的相位差为：
)
(21212r r --
-=∆λ
π
ϕϕϕ
如果两相干波源的初相位相等21ϕϕ=，相干条件简化为： 波程差12r r r -=∆
λk r ±=∆),2,1,0( =k 相长
2)
12(λ
+±=∆k r ),2,1,0( =k 相消
二、光是一种电磁波
１． 电磁波是横波，E 、H
都与传播方向垂直
1
S 2S P
1r 2
r
对人眼、感光仪器起作用的是E 矢量，因此E 矢量称为光矢量，E 矢量
的振动称为光振动。
２．可见光波长：390~760nm （紫~红） 单色光：只含单一波长的光 复色光：含多种波长的光
准单色光：在某个中心波长附近有一定波长范围的光 三、相干光 １．光源的发光机理
光源(light source)的最基本发光单元是分子、原子。
原子通过由高能级跃迁到低能级而以光子的形式辐射出能量，由于能量损失、周围原子的作用，发光的持续时间很短。
因此，一个原子一次发光只能发出一段长度有限、频率一定、振动方向一定的波列。
普通光源的原子辐射是自发辐射，其发光具有间隙性和随机性。
即同一原子在不同时刻发出两个波列，这两个波列的频率、振动方向、相位等一般都不相同，可以说两次辐射发光是互不相关的；而不同原子在同一时刻发出的波列同样互不相关，频率、振动方向、相位等一般都不相同。
因此，普通光源发出的光是由很多原子所发出的、许多相互独立的波列。
这些波列不满足相干条件，普通光源发出的光不能产生干涉现象。
讨论：
1）光源的发光过程实际上是其中大量分子、原子在微观上的自发辐射过程：
波列
秒
810-<τ
1)/h
E 1
E 2
能级跃迁辐射
激发⇒跃迁⇒辐射
2）每个原子的“发光”都是“随机”、“间歇”且“互相独立”的； 3）每个原子每次发出的是一段“频率一定，振动方向一定，初相一定，长度有限（810s -）的光波”——“光波列”
4）同一时刻，不同原子所发出的光波列的频率、振动方向和初相各不相同； 5）同一原子，不同时刻所发出的光波列的频率、振动方向和初相也不相同。
组织讨论：机械波和光波的区别。
２．相干光的获取
把同一个原子的同一次发光分成两部分，再进行叠加，即得到相干光 分波阵面法：杨氏双缝 分振幅法：等倾干涉、等厚干涉
§ 2 杨氏双缝干涉实验
一、杨氏双缝干涉实验（此处为重点内容，必须详细分析，采用启发，讨论的形式，先做演示实验已引起兴趣。
而后共同分析讨论）
1
S 2
S P
x 1
x 0 x
1．线光源S 发出单色光
S1、S2是由S 发出的同一波阵面的两部分，满足相干条件、且同相（到S 距离相等） D>>d
2．波程差
θsin 12d r r r ≈-=∆
由相干条件，若满足：
(1)λθk d ±=sin ，),2,1,0( =k 干涉相长 则P 点为明条纹的中心，k 为明条纹的级次。
k=0的明条纹为中央明纹或零级明纹， ,2,1,0=k 称为第1级、第2级…明纹；正负号表示明条纹对称分布在中央明纹两侧。
由于θ很小，
D x
=
≈θθtan sin ，有：
λ
d D k
x ±=， ,2,1,0=k 为明条纹
(2)
2)
12(sin λ
θ+±=k d ， ,2,1,0=k 干涉相消
则P 点为暗条纹的中心，k 为暗条纹的级次，暗条纹也是对称分布在中央明纹的两侧的。
2)
12(λ
d D k x +±=， ,2,1,0=k 为暗条纹
(3)干涉条纹：中央为零级明纹、两侧对称地分布着较高级次的明暗相间的条纹。
每一条纹都对应一定的波程差
相邻两明纹或两暗纹的距离都是：
λd D x =
∆
说明条纹是等间距排列（θ不太大时）
（可用来求波长） 讨论：
1）杨氏双缝干涉条纹的性质： ——明暗相间，平行、等距的直条纹；
2）条纹间距取决于双缝间距、双缝到屏幕距离及光的波长：
,(500,10.51)D d x nm D m x mm d mm D x d x λλλ↑↑↓↑↑
⎧→∆==∆⇒⎪
∆=⎨
⎪→∆⇒⎩长波的干涉性优于短波 >< 3）杨氏双缝干涉的内涵
⎫
⎪
⇒⎬⎪⎭
双缝间对应点间的干涉的综合效应缝上不同点的非相干叠加 二、劳埃德镜（用讲故事的方法引入洛埃镜干涉；与双缝干涉进行比较，重点在于引出半波损失）
光源S 和虚光源S '发出相干光
若把屏移到平面镜边上，在接触处屏上出现的是暗条纹，说明此处光程差为
2λ的奇数倍，相位差为π的奇数倍。
λk ±),2,1,0( =k 相长
p
Q
'
p '
Q
=
+
=∆2
sin λ
θd r
2)
12(λ
+±k ),2,1,0( =k 相消
S 与S '为反相光源，反射光的相位跃变了π，反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，这种现象叫做半波损失（相位突变）。
光从光速较大（折射率较小）的介质射向光速较小（折射率较大）的介质时，会发生半波损失。
§ 3 光程
一、光程（以思考题的形式引出光程的概念和意义，组织学生进行讨论）
1．12ϕϕ=时，
r
∆=
∆λ
πϕ2
在同一种介质中，由r ∆即可确定ϕ∆。
在不同介质中，v 不同、λ不同，不能只根据r ∆确定ϕ∆。
2．设一单色光在真空中频率为ν，波长为λ，传播速度为c 。
当它在折射率
为n 的介质中传播时，波速为
n c v =
、波长为n n λ
λ=。
若光在该介质中传播了距离r ，则相位改变为：
nr
r n
λ
π
λπ
ϕ22=
=
∆
即相当于光在真空中传播距离nr 的相位变化。
3．光程nr ：统一用光在真空中的波长λ来计算相位变化 光程差∆
∆
=
∆λ
π
ϕ2
λk ±=∆),2,1,0( =k 相长
2)
12(λ
+±=∆k ),2,1,0( =k 相消
例：
12)(r n nd d r n '-+-'=∆
]
)([212r n nd d r n '-+-'=
∆λ
π
ϕ
λ为真空中的波长
二、透镜不引起附加的光程差
平行光透过透镜后，会聚在焦点，形成亮点，说明各光线干涉相长、位相相同。
平行光的同相面与光线垂直，从任一同相面算起，到会聚点，各光线的光程是相等的。
解释：透镜折射率大于空气
1
S 2
S d
n ,n '1
r P
2
r
(b)
光程（介质）
可能影响光程差的因素半波损失
透镜（改变光的传播方向，但不附加光程差）讨论题详见ＰＰＴ。
10。
