大学物理电子教案之第11章光

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1、第11章光本章要点：1.光的本性2.光的干涉获得相干光的方法杨氏双缝干涉实验3.光的衍射惠更斯—菲涅耳原理单缝衍射4.光的传播光的反射和折射11.1光的本性光学是物理学中最早得到发展的学科之一。我国古代在光学发展史上曾有过重要贡献。早在周朝，我国已经利用铜凹镜取火，用铜锡合金制成的镜子照人。在公元前四百年的墨经中，还系统记载了光的直线传播以及平面镜、凸面镜和凹面镜的成像。到了宋朝，科学家宋扩在“梦溪笔谈”中对小孔成像、凸面镜和凹面镜的成像，以及凹面镜的焦点作了详细的叙述。所有这些，在世界科学史上均占有重要的地位。除了反射、折射、成像等现象外，关于光的本性和传播等问题，也很早

2、就引起人们的注意。古希腊和古埃及对光学的发展也作了重要的贡献。古希腊的哲学家们曾提出下面的看法：太阳和其他一切发光与发热的物体发出微小的粒子，这些粒子能引起人们的光和热的感觉。十七世纪和十八世纪是光学发展史上的一个重要时期。十七世纪初叶，在荷兰人李普塞（Lippershey，1587－1619）、伽里略和开普勒等人的努力下，创制了用于天象观测的望远镜。1621年，斯涅耳（W·Snell，1591－1626）发现了光线在两种介质界面穿过时，光线传播方向发生变化的光的折射定律。过后不久，笛卡儿（R·Descartes，1596－1650）导出了现在大家所熟悉的用正弦函数表达的折

3、射定律。关于光的本性的认识，长期以来就存在着争论，有两派不同的学说。一派是牛顿所支持的光的微粒说，认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间传播的一种微粒。利用微粒说不仅可以说明光的直线传播，而且可以说明光的反射和折射，只不过在说明折射时，认为光在水中的速度要大于空气中的速度。另一派是惠更斯所倡议的光的波动说，认为光是在介质中传播的一种波动。利用波动说也能说明反射和折射现象，而且还解释了方解石的双折射现象，但认为光在水中的速度要小于空气中的速度。当时人们还不能准确地用实验方法测定光速，因而无法根据折射现象去判断这两种学说的优劣。此外，在说明光的直线传播时，波动说也遇到了困难

4、。总之，即使光的波动说取得了一些成就，但由于牛顿的崇高威望，在十八世纪光的波动说仍处在被压抑的地位，而微粒说占了统治地位。十九世纪初，人们发现光有干涉、衍射和偏振等现象，这些现象的波动的特征，和微粒说是不相容的。1801年英国物理学家杨（T·Young，1773－1829）最先用实验显示了光的干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，并用干涉原理成功地解释了白光下薄膜彩色的形成，为波动说奠定了实验基础。十几年以后，法国人菲涅耳在阿喇果（D·Arago，1786－1853）的支持与合作下，系统地用光的波动说和干涉原理研究了光通过障碍物和小孔时所产生的衍射图样，并对光的直线传播作

5、了满意的解释。至此，波动说取得了胜利，确立了应有的地位。后来，在马吕斯（E·Malus，1775－1812）、杨、菲涅耳和阿喇果的努力下，对光的偏振现象做了进一步研究，从而确认光具有横波性。1850年，傅科（J·B·Foucault，1819－1868）又从实验证明光在水中的速度小于空气中的速度。这样，波动说最后以无可辩驳的事实彻底否定了微粒说，在十九世纪中叶形成了波动光学的体系。然而，此时的波动说仍是以光的机械波理论为基础的。在寻找光赖以传播的弹性媒质“以太”时，这个理论遇到了无法克服的困难。1865年麦克斯韦在电磁理论的研究中，指出光也是一种电磁波。这个预言被以后的一系

6、列实验所证实。这样，旧波动说才摆脱了机械论而得到根本的改造，人们对光的本性的认识因此而产生了一个新的飞跃。从此，波动光学就在电磁理论的基础上进一步发展完善起来。可是从十九世纪末期到二十世纪初期，通过对黑体辐射、光电效应和康普顿效应的研究，人们又发现，这些新现象不能用波动理论来解释，必须假定光是具有一定能量和动量的粒子所组成的粒子流，这种粒子称为光子。这样，人们对光的本性的认识又向前推进了一步。迄今为止近代物理的理论和大量实验事实都证明，光不但具有波动性还具有微粒性，这是光的本性中既矛盾又统一的两个方面，称为光的波粒二象性。11.2光的干涉11.2.1相干光干涉现象是波动过程

7、的基本特征之一。在波动中已经指出：由频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波，在两束相干波相遇的区域里，有些点的振动始终加强，有些点的振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象。对于机械波、无线电波等这类由宏观波源发出的波，我们比较容易观察到干涉现象。例如，使两个频率相同的音叉在房间里振动，就可以听到房间里有些点的声振动始终很强；而另一些点的声振动始终很弱。然而，对于光波，就不容易观察到干涉现象。例如，在亮着一盏单色黄光的钠灯的实验室里，再打开另一盏频率完全相同的单色黄光的钠灯，