北京交通大学波动光学大学物理实验(实验结果分析)
大学物理中的波动光学光的衍射和干涉现象
大学物理中的波动光学光的衍射和干涉现象大学物理中的波动光学：光的衍射和干涉现象波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播与干涉、衍射、偏振等现象。
其中，光的衍射和干涉是波动光学中的两个重要现象。
本文将对光的衍射和干涉进行详细讨论和解析，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、光的衍射现象光的衍射是指光通过狭缝或障碍物后的传播过程中，光波的干涉和折射产生的现象。
当光波通过一个狭缝时，光波会在狭缝的边缘发生弯曲，进而产生波动的干涉效应。
这个过程称为光的衍射。
光的衍射现象在日常生活中有各种各样的应用。
例如，CD、DVD 和蓝光碟等光盘的读写原理就是基于光的衍射现象。
光的衍射也被广泛应用于显微镜、望远镜和天文学的观测中，使我们能够更清晰地观察微观和宇宙中的远处物体。
二、光的干涉现象光的干涉是指两个或多个光波相互叠加产生干涉的现象。
当两束或多束光波相遇时，它们会发生叠加干涉现象，形成交替出现明暗的干涉条纹。
这种现象称为光的干涉。
光的干涉现象在很多实验中都有应用。
例如，杨氏双缝干涉实验就是利用光的干涉现象来观察和研究波的性质。
干涉技术还被广泛应用于光学测量、图像处理和激光干涉等领域。
干涉技术的应用使得我们可以实现高精度测量、光栅分析和光学干涉计等。
三、衍射与干涉的区别与联系尽管光的衍射和干涉是两个不同的现象，但它们之间有着紧密的联系。
首先，光的衍射和干涉都是由于光波的波动性质而产生的。
其次，它们都是波动光学中干涉和折射效应的体现。
不同之处在于，光的干涉是多个光波相互叠加产生的干涉现象，而光的衍射是光通过狭缝或障碍物后的波动干涉和弯曲现象。
此外，光的干涉通常需要明确的相位差和干涉构成条件，而光的衍射则更多地受到波长、狭缝尺寸和物体形状的影响。
无论是光的衍射还是干涉，在物理学的研究和实际应用中都起着重要的作用。
无论是在光学器件设计、成像技术还是光学测量中，都需要充分理解和应用这些光学现象。
同时，通过对光的干涉和衍射的研究，我们可以更深入地了解光与物质相互作用、光的传播特性和波动性质等问题，有助于推动光学科学和技术的发展。
波动光学专题实验
§ 8.1 干涉测量专题
光的干涉是重要的光学现象之一，是光的波动性的重要实验依据。两列频率 相同、振动方向相同且相位差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或 减弱现象，即光的干涉现象。光的波长虽然很短(在 10-7m量级)，但干涉条纹的间 距和条纹数却很容易用光学仪器测得。根据干涉条纹数目和间距的变化与光程差、 波长等的关系式，可以推出微小长度变化(光波波长数量级)和微小角度变化等， 因此干涉现象在照相技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力及形变研究等 领域有着广泛的应用。
光的本性是光学研究的重要课题，微粒说和波动说两种理论的争论构成了光 学发展史中最具魅力的风景线。波动光学的体系初步形成于 19 世纪初。1801 年 托马斯·杨（Thomas Yong）圆满地解释了薄膜颜色和双缝干涉现象，并第一次成 功地测定了光的波长。1819 年菲涅尔（A.J. Fresnel）实验观察到光通过障碍物 后的衍射图样，并补充了惠更斯原理，形成了人们熟知的惠更斯-菲涅尔原理，圆 满地解释了光的干涉和衍射现象，以及光的直线传播等现象，奠定了波动光学的 基础。此后，麦克斯韦（J.C. Maxwell）、赫兹（H.R. Hertz）等人进一步完善了 光的电磁理论。
圆环条纹的级数 k 越高，在中心
处，i = 0 级次最高。当M1和M2′ 的间距 d 逐渐增大时，对任一级
干涉条纹 k 级，必定是以减少
cos ik 的值来满足式 (E1-2)的，故 该干涉条纹间距向 ik 变大的方向
移动，即向外扩展。这时，观察者
将看到条纹好像从中心向外“涌
大学物理实验报告测量双缝衍射的光强分布
测量双缝衍射的光强分布是一个经典的大学物理实验，它可以帮助学生理解波动光学和干涉现象。
以下是一个可能的实验报告结构，供你参考：
实验目的
本实验旨在通过测量双缝衍射的光强分布，观察和分析干涉现象，验证双缝衍射理论，并探索光波的波动性质。
实验原理
介绍双缝衍射的基本原理，包括波动光学的基本概念、双缝干涉条件、叠加原理等。
对于光强分布的理论推导也应包括在内。
实验装置
列出实验所用的仪器和设备，包括光源、双缝装置、光屏、测量仪器等，并附上相应的示意图或照片。
实验步骤
1. 调整实验装置，使光源发出的光通过双缝装置后在光屏上形成清晰的衍射图样。
2. 使用测量仪器（如光强计或光电探测器）在光屏上不同位置测量光强，并记录数据。
3. 依次改变双缝间距、波长等参数，重复测量光强分布曲线。
数据处理与分析
将实验测得的光强分布数据进行处理和分析，可以绘制出光强与位置的关系图，并与理论曲线进行对比。
分析实验结果是否符合双缝衍射的理论预期。
实验结论
总结实验的主要结果和观察到的现象，讨论实验结果与理论预期的一致性或差异，指出实验中存在的误差和不确定性，并提出可能的改进方法。
实验心得
个人对实验过程和结果的体会和反思，包括对物理原理的理解、实验操作的感受以及可能的改进方向。
参考文献
列出实验报告所依据的参考文献和资料，包括相关的物理学教科书、学术论文等。
实验数据
如果可能，可以附上实验原始数据、数据处理的电子表格或图表等附录资料。
以上是一个实验报告的大致结构，你可以根据实际情况和老师的要求进行适当调整和补充。
大学物理光学实验报告(一)
大学物理光学实验报告（一）引言概述:本实验报告旨在介绍和分析大学物理光学实验的结果和观察。
通过对不同光学现象和装置的研究，我们能够更好地理解光的性质和光学实验的原理。
正文内容:I. 單色光干涉實驗A. Young's Double-Slit干涉實驗1. 描述Young's Double-Slit干涉實驗裝置2. 觀察到的干涉條紋現象3. 分析干涉條紋之間的距離與波長的關係4. 探討干涉條紋的明暗交替原因B. Lloyd's Mirror干涉實驗1. 解釋Lloyd's Mirror干涉實驗的原理2. 觀察到的干涉圖案3. 討論干涉圖案的變化與鏡面角度的關係4. 探討Lloyd's Mirror干涉實驗的應用II. 衍射實驗A. 單狹縫衍射實驗1. 描述單狹縫衍射實驗的裝置2. 觀察到的衍射條紋現象3. 分析衍射條紋的寬度與狹縫寬度的關係4. 探討單狹縫衍射實驗的應用B. 焦鏡和接區衍射實驗1. 介紹焦鏡和接區衍射實驗的原理2. 觀察到的衍射圖案3. 討論不同焦距的透鏡的影響4. 探討焦鏡和接區衍射實驗的應用III. 偏振實驗A. 偏振光通過偏振片的實驗1. 描述偏振光通過偏振片的裝置2. 觀察不同角度的偏振片的現象3. 分析不同偏振片的透光情況4. 探討偏振片在光學設備中的應用B. 雙折射實驗1. 解釋雙折射現象的原理2. 觀察不同材料的雙折射現象3. 討論雙折射在電子顯示器等設備中的應用4. 探討雙折射的應用在光學儀器中的重要性IV. 電磁波的反射和折射實驗A. 描述反射實驗裝置B. 觀察到的反射現象C. 分析反射角和入射角的關係D. 描述折射實驗裝置E. 觀察到的折射現象F. 分析入射角、入射光速度和折射光速度的關係V. 光的干涉技術在科學和工程中的應用A. 干涉技術在干涉式顯微鏡中的應用B. 干涉技術在光柵中的應用C. 干涉技術在光纖傳輸中的應用D. 干涉技術在光學儀器校準中的應用E. 干涉技術在光學表面檢測中的應用結論:通过本次实验的各个部分，我们对光学实验的原理和现象有了更深入的理解。
北京交通大学物理演示实验
力学部分1. 滚摆一、演示目的1. 通过滚摆的滚动演示机械能守恒；2. 演示滚摆的平动、转动动能之和与重力势能之间的转换。
二、原理重力作用下滚摆的运动是质心的平动与绕质心的转动的叠加，其动力学过程的计算可用质心运动定理和质心角动量定理。
滚摆的受力如图1所示，其动力学方程组如下：解得滚摆从静止开始下落，下落高度为h.质心平动动能为：绕质心转动动能为：总动能为：由此可知，重力势能变成了质心的平动动能与绕质心的转动动能，总机械能守恒。
三、装置滚摆四、现象演示1 调节悬线，使滚摆轴保持水平，然后转动滚摆的轴，使悬线均匀绕在轴上（绕线不能重叠）。
当滚摆到达一定高度，使轮在挂线悬点的正下方，放手使其平稳下落。
2 在重力作用下，重力势能转化为轮的转动动能。
轮下降到最低点时，轮的转速最大，转动动能最大；然后又反向卷绕挂绳，转动动能转化为重力势能，轮的转速减小，位置升高。
如此可多次重复直至停止。
五、讨论与思考：1 分析滚摆下落速度(平动)与位置高度的关系；2 分析滚摆上下平动的周期与轴径的关系；3 分析滚摆上下平动的周期与滚摆质量的关系；4 分析滚摆上下平动的周期与滚摆转动惯量的关系。
2. 茹科夫斯基椅一、演示目的定性观察合外力矩为零的条件下，物体系统的角动量守恒。
二、原理质点系绕定轴转动时，若其所受到的合外力矩为零，则质点系的角动量守恒，L＝Jw＝恒量。
因为内力矩不会影响质点系的角动量，若质点系在内力的作用下，质量分布发生变化，从而使绕定轴转动的转动惯量改变，则它的角速度将发生相应的改变以保持总角动量守恒。
本实验的对象是手持哑铃坐在轮椅上的操作者，若哑铃位置改变，则操作者及轮椅系统的转动惯量改变，从而系统角速度随之改变。
三、装置茹科夫斯基椅四、现象演示1 操作者坐在可绕竖直轴自由旋转的椅子上，手握哑铃，两臂平伸。
2 其他人推动转椅使转椅转动起来，然后操作者收缩双臂，可看到操作者和椅的转速显著加大。
两臂再度平伸，转速复又减慢。
波动与光学实际应用案例分析
波动与光学实际应用案例分析波动是物理学的一个重要概念，广泛应用于各个领域，尤其在光学领域中有着重要的实际应用。
本文将通过分析几个光学中的实际案例，探讨波动的应用和影响。
一、光的干涉与衍射1. 折射现象在光学中，折射现象是光从一种介质传播到另一种介质时发生的现象，由于介质的不同密度造成光线的折射，其中的波动性质起到关键作用。
例如，光在从空气进入水中时会发生折射，这就是由光波的波长和介质的折射率决定的。
2. 杨氏双缝干涉实验案例杨氏双缝干涉实验是干涉现象的典型案例，通过实验可以观察到光波的干涉和衍射效应。
当一束光通过一个有两个狭缝的屏幕时，产生的干涉图样会显示出亮暗交替的条纹。
该实验证明了光的波动性质，以及波动对光的传播和干涉的影响。
3. 衍射光栅衍射光栅是光学中常见的实际应用之一。
它是由一系列等间距的狭缝组成的，通过光线的衍射和干涉现象来实现光的分光。
衍射光栅广泛应用于光谱仪、光通信等领域，通过波动的干涉效应，将光分成不同波长的色光，实现光信号的传输和分析。
二、激光技术1. 激光切割和焊接激光技术在工业领域中有广泛的应用，特别是在切割和焊接领域。
激光的波动性质使得它可以成为一种高精度、高能量的切割和焊接工具。
通过控制激光的功率和聚焦度，可以实现对材料的精确切割，同时激光焊接也可以做到小型化和高效率。
2. 激光医疗激光在医疗领域中也有广泛的应用，特别是在眼科、皮肤科等领域。
激光的波动特性使其能够精确地聚焦光束，用于杀灭或切除异常细胞，治疗疾病。
例如，激光在近视手术中可以通过改变角膜曲率来矫正视力，成功应用于临床。
三、光纤通信光纤通信是一种基于光的信号传输技术，利用光的波动性实现高速、远距离的信号传输。
光纤通信采用了光的折射和衍射原理，通过光纤中的光波的反射和折射来实现信号的传输。
波动性的特性使得光信号可以以光的速度在光纤中传播，并且减少了信号传输的损耗和干扰。
结论综上所述，波动在光学中有着重要的实际应用。
精选-大学物理波动光学总结
大学物理学波动光学的学习总结（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院131715班北京 100191）摘要：文章就大学物理学中的波动光学中的核心部分包括干涉，衍射，偏振部分的知识做了梳理，并就对推动波动光学理论建立的光学实验做了总结性的介绍和研究。
关键词：波动光学干涉衍射偏振实验19世纪初，人们发现光有干涉、衍射、和偏振等现象。
例如，在日常生活中常可看到在太阳光的照耀下，肥皂泡或水面的油膜上会呈现出色彩绚丽的彩色条纹图样；又如，让点光源发出的光通过一个直径可调的圆孔，在孔后适当位置放置一屏幕，逐渐缩小孔径，屏幕上上会出现中心亮斑，周围为明暗相间的圆环形图案等等。
这些现象表明光具有波动性，用几何光学理论是无法解释的。
由此产生了以光是波动为基础的光学理论，这就是波动光学。
19世纪60年代，麦克斯韦建立了光的电磁理论，光的干涉，衍射和偏振现象得到了全面说明。
本文将从光的干涉衍射和偏振来讨论光的波动性以及波动光学中的经典实验。
一、光的干涉1.光波定义光波是某一波段的电磁波，是电磁量E和H的空间的传播.2.光的干涉定义满足一定条件的两束(或多束)光波相遇时，在光波重叠区域内，某些点合光强大于分光强之和，在另一些点合光强小于分光强之和，因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，称为光的干涉现象，光波的这种叠加称为相干叠加，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布称为干涉条纹，其中强度极大值的分布称为明条纹，强度极小值的分布称为暗条纹.3.相干条件表述两束光波发生相干的条件是:频率相同，振动方向几乎相同，在相遇点处有恒定的相位差.4.光程差与相位差定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差;两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差.5.双光束干涉强度公式表述在满足三个相干条件时，两相干光叠加干涉场中各点的光强为式子中，相位差保持恒定，若021I I I ==则6.杨氏双缝千涉实验实验装置与现象如图1所示，狭缝光源S 位于对称轴线上，照明相距为a 的两个狭缝1S 和2S ，在距针孔为D 的垂轴平面上观察干涉图样，装置放置在空气(n=1)中，结构满足θθtan sin ,,≈≥≤x D D d .在近轴区内，屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹，屏幕上P 点的光程差δ为相应明暗纹条件是\干涉条纹的位置是式中，整数k 称为干涉级数，用以区别不同的条纹.7.薄膜干涉实验装置如图2所示，扩展单色光源照射到薄膜上反射光干涉的情况，光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后，形成两条光线①、②，在实验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观察，在膜的上下两个表面反射的两束光线①和②的光程差为二、光的衍射1.光的衍射现象定义一束平行光通过一狭缝K，在其后的屏幕上将呈现光斑，若狭缝的宽度比波度大得多时，屏幕E上的光斑和狭缝完全一致，如图3 Ca)所示，这时可成光沿直线传播的;若缝宽与光波波长可以相比拟时，在屏幕E上的光斑亮度虽然降低，但光斑范围反而增大，如图3 Cb)所示的明暗相间的条纹，这就是光的衍射现象，称偏离原来方向传播的光为衍射光.2.惠更斯一菲涅耳原理表述任何时刻波面上的每一点都可以作为子波的波源，从同一波面上各点发出的子波在空间相遇时，可以相互叠加产生干涉.3.菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射定义光源到障碍物，或障碍物到屏的距离为有限远，这类衍射称为菲涅尔衍射:光源到障碍物，以及障碍物到屏的距离都是无限远，这时入射光和衍射光均可视为平行光，这类衍射称为夫琅禾费衍射.三、光的偏振1.光的偏振性定义光波是电磁波，其电矢量称为光矢量，在垂直于传播方向的平面内，光矢量E可能具有的振动状态(矢量端点的轨迹)，称为光的偏振态.光矢量的振动方向与光传播方向所组成的平面称为振动面.2.偏振光定义振动方向具有一定规则的光波，称为偏振光。
波动光学实验报告
一、实验目的1. 理解波动光学的原理，掌握光的干涉、衍射和偏振现象。
2. 通过实验验证波动光学的基本原理，加深对光学知识的理解。
3. 培养学生的实验操作能力和分析问题的能力。
二、实验原理波动光学是研究光的波动性质的科学，主要研究光的干涉、衍射、偏振现象以及光与物质的相互作用。
本实验主要验证以下原理：1. 干涉现象：当两束相干光波相遇时，它们会相互叠加，形成干涉条纹。
干涉条纹的间距与光的波长和两束光之间的距离有关。
2. 衍射现象：当光波通过一个障碍物或狭缝时，会发生衍射现象。
衍射条纹的间距与光的波长和障碍物或狭缝的尺寸有关。
3. 偏振现象：光波是一种横波，可以通过偏振片使光波的电矢量振动方向限定在一个平面内。
通过观察偏振光的变化，可以验证光的偏振现象。
三、实验仪器与设备1. 激光器2. 双缝干涉装置3. 衍射光栅4. 偏振片5. 光屏6. 光具座7. 刻度尺8. 计时器四、实验步骤1. 干涉实验（1）将激光器发出的光通过扩束镜，使其成为平行光。
（2）将平行光照射到双缝干涉装置上，调整双缝间距，使干涉条纹清晰可见。
（3）观察并记录干涉条纹的位置、间距和亮度。
2. 衍射实验（1）将激光器发出的光通过光栅，使光发生衍射。
（2）调整光栅角度，观察并记录衍射条纹的位置、间距和亮度。
3. 偏振实验（1）将激光器发出的光通过偏振片，使其成为偏振光。
（2）调整偏振片角度，观察并记录偏振光的变化。
五、实验数据与分析1. 干涉实验（1）根据实验数据，计算干涉条纹的间距。
（2）根据干涉条纹的间距和光的波长，验证干涉现象。
2. 衍射实验（1）根据实验数据，计算衍射条纹的间距。
（2）根据衍射条纹的间距和光栅的尺寸，验证衍射现象。
3. 偏振实验（1）根据实验数据，观察偏振光的变化。
（2）根据偏振光的变化，验证光的偏振现象。
六、实验结论1. 通过干涉实验，验证了光的干涉现象，加深了对波动光学原理的理解。
2. 通过衍射实验，验证了光的衍射现象，加深了对波动光学原理的理解。