波动光学
物理学中的波动光学理论
物理学中的波动光学理论波动光学是物理学中的一门重要分支，研究光的波动性质及其与物质相互作用的规律。
本文将从波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面来论述物理学中的波动光学理论。
一、波的性质光是一种电磁波，具有粒子与波动的双重性质。
波的传播速度可以通过元波前观察获得，波的传播包括相位的传播和波的干涉。
波的传播速度与介质的性质密切相关，光在空气中的传播速度约为3×10^8m/s。
二、光的干涉与衍射光的干涉是指光波在相遇处叠加形成明暗相间的干涉条纹。
干涉现象可以通过双缝干涉、薄膜干涉等实验进行观察。
双缝干涉实验中，当两个狭缝之间的距离接近光波的波长时，会出现明暗相间的干涉条纹，这是由于光波的波动性质所引起的。
薄膜干涉则是通过介质边界的反射和折射引起的光的干涉。
光的衍射是指光波通过障碍物或孔径时发生弯曲扩散的现象。
衍射的特点是波传播到达的区域会出现明暗相间的衍射图样。
其中夫琅禾费衍射是波动光学中的重要现象，它是光波通过狭缝或边缘时发生的衍射，产生衍射波前的形状与狭缝的形状有关。
三、光的偏振光的偏振是指光波的振动方向在某一平面内的现象。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
线偏振光是指光波的振动方向在一个平面上，它可以通过偏振镜实现制备。
而圆偏振光则是指光波的振动方向按照圆弧轨迹进行旋转，它可以通过一系列光学元件进行转换获得。
光的偏振现象广泛应用于光学仪器、光通信等领域中。
例如，偏振片可以用于调节显示屏的亮度和对比度，以及减少反光和反射。
偏振光还可以用于测量物质的性质，例如石英晶体的双折射现象。
总结起来，波动光学理论是物理学中研究光波传播和与物质相互作用的重要理论，它包括波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面。
波动光学的研究对于理解光的行为和光学现象具有重要的意义，也促进了光学技术的发展与应用。
随着科技的进步，波动光学理论将会在更多的领域中得到应用和拓展。
物理中的波动光学
物理中的波动光学引言：波动光学作为物理学中的一个重要分支，研究的是光在传播过程中的行为和性质。
它是解释光的传播、衍射、干涉、偏振等现象的基础，对于理解光学现象、应用光学技术具有重要意义。
本教案将以波动光学为主题，探索波动光学的基本概念、原理和实际应用。
一、波动光学概述1. 光的波动性介绍a. 光的本质：电磁波b. 光的波动性体现：干涉、衍射等现象2. 光的传播与波动a. 光的传播介质：真空、介质b. 光的传播速度：光速与介质折射率的关系二、波动光学基本原理1. 光的最小分割单位：光子a. 波粒二象性：光既是粒子又是波动2. 光的波动性质a. 光的特性：波长、频率、振幅b. 光的传播方向：球面波、平面波3. 光的相位和相干性a. 相位差：定性描述光的波形差异b. 相干性：两个或多个光波之间的相位关系4. 光的干涉现象a. 光的叠加原理：干涉现象的基础b. 干涉的分类：分为构造干涉和破坏干涉c. 干涉的应用：光栅、干涉仪、光波导等5. 光的衍射现象a. 衍射的定义：光在通过一个绕过或遮挡障碍物后发生波的传播方向的偏折b. 衍射的特点：产生波动条纹、衍射极限等现象c. 衍射的应用：衍射光栅、衍射成像等6. 偏振光与偏振现象a. 偏振光的特点：仅在一个方向上振动的光b. 偏振现象的发生：透过偏振片、反射、折射等过程发生三、波动光学的实际应用1. 光的干涉与衍射在光学仪器中的应用a. 光学显微镜：干涉衍射成像原理b. 光栅光谱仪：利用干涉衍射原理实现光谱分析c. 激光干涉仪：利用激光的相干性进行精密测量2. 偏振光在光学技术中的应用a. 偏振滤波器：实现光的选择性吸收和透过b. 偏振显微镜：观察和分析材料的结构和性质c. 偏振光干涉仪：测量材料的特性和形貌3. 波动光学技术在通信领域的应用a. 光纤通信：利用光的波导特性传输信息b. 光栅、光波导器件：实现光的调制、分光和耦合等功能四、思考与延伸1. 如何利用波动光学的原理，设计更高效、更精密的光学仪器和设备？2. 波动光学与量子光学有哪些联系和区别？它们在光学研究和应用中的地位如何？3. 波动光学的发展对科技与人类社会有哪些深远影响？如何将其应用于解决现实生活中的问题？结语：波动光学是光学领域中一门重要的学科，对于我们理解光的本质和应用光学技术具有重要的意义。
波动光学
A
P
x
O
C
8
明、暗条纹的讨论
x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) D 2 2d
k=1﹑2、3﹑…
K=1,2,3,…第一个、第二个、第三个…暗条纹
A
s1 S d M s2
N
r1
P
r2
x
O
D
9
C
明、暗条纹的讨论
x D P点加强： d k 或x k k=0、1﹑2、3﹑……。 D d x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) k=1﹑2、3﹑…
D 2 2d
屏上相邻明条纹或相邻暗条纹间距为
D xk 1 xk x d
11
讨论
D 条纹间距 xk 1 xk x d
(k 1)
D一定时，若 变化，则 1）d 、
x 将怎样变化？
λ =700nm
12
550nm
400nm
2）、 D 一定时， 条纹间距 x与
起偏：将自然光变成偏振光的过程称为起偏。
起偏器：能够把自然光变成偏振光的光学器件称为起偏器。
偏振化方向：偏振片只允许某一特定方向的光振动通过，这 个方向称为偏振片的透射轴或偏振化方向。
偏振片 自 然 光
偏 振 化 y或x 方 向 偏 振
光
27
竖直方向振动的光强，可以全部通过； 水平方向振动的光强，不能通过； 其它方向振动的光强，有部分可以通过。 自然光通过偏振片后，光强振动方向与偏振化方向相同。 偏振片 自 偏 振 化 y或x 方 向 偏
有半波损失：
波动光学
在夫
实琅
验禾 中费
S
L1
R
L2
P
实衍
现射
③夫琅和费单缝衍射
θ
L1 A L2
φ
S
φ
a
B C 衍射角：θ
P P0 E
单缝衍射公式
asinθ 2k λ 2
asinθ (2k 1) λ 2
k=1,2,3,… 暗纹 k=1,2,3,… 明纹
波带： 狭缝平面分为许多等面积的带状平面。
φ
波带
半波带：作一些平行于AC的平面，使相邻平面之间的 距离等于入射光的半波长即λ/2，则这些平面将单缝处
①空气中的薄膜反射 12 3
n
δ 2nd λ 2
±2k λ 2
±(2k-1) λ
2
k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
②光学面上的薄膜反射 1 2 3
n
δ 2nd
±2k λ 2
±(2k-1) λ 2
(n1>n) n1 k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
2k 1 λ 2a
f
(明纹位置)
θ
+3
+2
x
x0
+1
-1 -2
O
I
-3
中央条纹间距
x0
λ 2
a
f
条纹间距
x λ f
a
2.光栅衍射
①光栅：大量等间距、等宽的狭缝 构成的光学器件。
缝宽a
光栅常数d=a+b
刻痕宽b
②光栅衍射公式
d
P
θ
P0
E dsinθ =±kλ（k=0,1,2…） 明纹
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
THANKS
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分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
物理学中的波动光学
物理学中的波动光学波动光学是在物理学中独特的分支。
它描述了光的特殊性质，包括光波的性质和如何与介质交互的过程。
它是研究灯光、阴影、色彩和镜头的科学基础。
波动光学作为物理学中的一个领域，它的原理和应用领域具有广泛的应用价值。
本文将详细探讨物理学中波动光学的原理和应用领域。
1. 波动光学的理论基础光的本质是电磁波，可以用波动模型解释。
与其他电磁波一样，光是由电和磁场交替传播的扰动，它们沿着空间中垂直于传播方向的方向震动。
光波经过物理空间的时间性变化，以规律的方式发生偏转。
这些偏转现象都可以通过波动光学解释。
光波的传播速度是非常快的，大约在每秒30万千米的速度下传播。
此外，它还可以在各种介质(如空气、水、玻璃等)中以不同的速度传播。
当光波穿过介质时，由于介质的密度不同，光波的传播速度也会受到影响。
这通常会导致光波的弯曲或偏转，这就是所谓的折射。
除了折射之外，光波还可以发生反射。
当光线遇到一个表面时，如果表面比较光滑，大部分光线将反射回来。
反射现象在镜面和光滑的物体表面上最为常见。
在物理学中，我们还可以通过衍射来了解光波的行为。
当光线通过一个小的孔或棱镜时，它将被分解成宽波谱的颜色。
这种现象被称为衍射，对于比较小和分散的光源来说，衍射现象越严重。
2. 波动光学的应用波动光学领域的研究结果以及技术发展对人类生活的影响是非常深远和广泛的。
以下是一些波动光学在实际生活中的应用：2.1. 摄影近代摄影术的起源正是靠着波动光学的理论来实现的。
在实际应用中，摄影师引导光线，通过相机镜头反射或折射到相片荧幕上，实现影像的捕捉。
随着技术的进步和科学的发展，摄影技术得到了不断的更新，从像片技术到电子影像技术，这些都证明了波动光学在摄影领域中的成功应用。
2.2. 光学设备在物理学领域中，许多光学器具也是基于波动光学的原理进行设计开发的。
例如，各种种类的镜片、光学棱镜、滤光片、激光器等都是波动光学原理所解释的。
2.3. 光纤通讯传统的通信方式都需要依靠电线，这样就会限制其占用空间。
大学物理-第十四章-波动光学
一部分反射回原介质即光线a1， 另一部分折入另一介质，其中一 部分又在Ｃ点反射到Ｂ点然后又 折回原介质，即光线a2。因a1,a2是
从同一光线S1Ａ分出的两束，故
满足相干条件。
S
S1
a
a1
iD
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
31
2 薄膜干涉的光程差
n2 n1
CDAD
sin i n2
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独
立，各波列互不相干.
10
3.相干光的获得：
①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路程之后相遇叠加。
S2
r2
P
20
为计算方便，引入光程和光程差的概念。
2、光程
光在真空中的速度 光在介质中的速度
c 1 00
u 1
u1 cn
介质的 折射率
真空
u n c
介质中的波长
n
n
n n
21
介质中的波长
n
n
s1 *
r1
P
波程差 r r2 r1
k 0,1,2,
x
d
'
d
(2k
1)
k 0,1,2,
暗纹
d
2
k=0,谓之中央明纹，其它各级明（暗）纹相对0点对称分布
大学物理波动光学总结
大学物理波动光学总结引言波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播和干涉衍射现象。
本文将对大学物理中的波动光学进行总结和归纳，内容包括光的波动性质、干涉现象、衍射现象等。
光的波动性质光既具有粒子性质又具有波动性质，可以通过以下实验证明：- 杨氏双缝实验：将一个点光源照射到一个有两条细缝的屏幕上，观察到在屏幕背后的墙上出现一系列亮暗相间的干涉条纹。
实验证明光的干涉现象，说明光具有波动性质。
- 光的衍射现象：光通过某个孔洞或物体边缘时，会沿着扩散波的方式传播，形成衍射图样。
光的衍射现象同样证明了光的波动性质。
干涉现象干涉是两个或多个波相遇时产生的现象，具有以下特点： 1. 干涉是波动性质的直接表现，只有至少两束波才能产生干涉现象。
2. 干涉分为相干干涉和非相干干涉。
相干干涉是指波源的频率和相位相同或相近，非相干干涉指波源的频率和相位差异较大。
3. 干涉现象包括等厚干涉、薄膜干涉、牛顿环等。
等厚干涉等厚干涉是在等厚体（如平行板）两个表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 干涉条纹的间距是由波长、介质折射率差和等厚体厚度决定的。
- 等厚干涉的应用包括测量薄膜厚度、判断材料性质等。
薄膜干涉薄膜干涉是在薄膜表面和基底表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 薄膜干涉的颜色随着入射光的颜色和薄膜厚度的改变而改变。
- 薄膜干涉的应用包括光学镀膜、光学仪器等领域。
牛顿环牛顿环是一种由大气中的薄膜产生的干涉现象，具有以下特点： - 牛顿环是由于光的不同波长在大气中的衍射和干涉引起的。
- 牛顿环的中心位置与基座材料的折射率有关，可用于测量折射率。
衍射现象衍射是波传播过程中遇到障碍物或传播介质发生扰动时发生的现象，具有以下特点： 1. 衍射现象是波动性质的直接表现，与波的传播方式密切相关。
2. 衍射现象包括单缝衍射、双缝衍射、衍射光栅等。
单缝衍射单缝衍射是在缝隙较小的板上通过光时产生的衍射现象，具有以下特点： - 单缝衍射的衍射图样主要包括中央最亮的主极大和两侧的次级最暗区。
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第十四章波动光学
光的干涉
一、选择题
1、来自不同光源的两束白光，例如两束手电筒光照射在同一区域内，是不能产生干涉图样的，这是由于[ ]
(A)白光是由不同波长的光构成的(B)两光源发出不同强度的光
(C)两个光源是独立的，不是相干光源(D)不同波长的光速是不同的
2、杨氏双缝干涉实验是：[ ]
(A) 分波阵面法双光束干涉(B) 分振幅法双光束干涉
(C) 分波阵面法多光束干涉(D) 分振幅法多光束干涉
3、在相同的时间内，一束波长为λ的单色光在空气中和在玻璃中
(A) 传播的路程相等，走过的光程相等
(B) 传播的路程相等，走过的光程不相等
(C) 传播的路程不相等，走过的光程相等
(D) 传播的路程不相等，走过的光程不相等
4、光在真空中和介质中传播时，正确的描述是: [ ]
(A)波长不变，介质中的波速减小(B) 介质中的波长变短，波速不变
(C) 频率不变，介质中的波速减小(D) 介质中的频率减小，波速不变
5、一束波长为λ的光线，投射到一双缝上，在屏幕上形成明、暗相间的干涉条纹，那么对应于第一级暗纹的光程差为：[ ]
(A) 2λ(B) 1/2λ (C) λ(D) λ/4
6、在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是[ ]
(A) 使屏靠近双缝(B) 把两个缝的宽度稍微调窄
(C) 使两缝的间距变小(D) 改用波长较小的单色光源
7、用单色光做杨氏双缝实验，如现将折射率n=1.5的薄透明玻璃片盖在上侧缝上，此时中央明纹的位置将：[ ]
(A)向上平移且条纹间距不变(B)向下平移，且条纹间距不变
(C)不移动，但条纹间距改变(D)向上平移，且间距改变
8、.光波从光疏媒质垂直入射到光密媒质，当它在界面反射时，其[ ]
(A)相位不变(B)频率增大(C)相位突变(D)频率减小
9、.如图所示，折射率为n2、厚度为e的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为n1和n3，已知n1 ＜n2 ＞n3，若用波长为的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下两表面反射的光束（用①②示意）的光程差是：[ ]
(A) 2n 2e (B) 2n 2e －/(2 n 2 ) (C) 2n 2e － (D) 2n 2e －/2
10、两个几何形状完全相同的劈尖：一个由空气中的玻璃形成，一个由玻璃中的空气形成。
用相同的单色光分别垂直照射它们时，从入射光方向观察到干涉条纹间距
[ ]
(A)玻璃劈尖干涉条纹间距较大 (B)空气劈尖干涉条纹间距较大
(C)两劈尖干涉条纹间距相同 (D)已知条件不够，难以判断
二、填空题
1、波长为λ的单色光在折射率为n 的媒质中，由a 点传到b 点相位改变了π，则对应的光程差（光程）为 。
2、在双缝干涉实验中，用白光照射时，明纹会出现彩色条纹，明纹内侧呈 色。
3、用白光进行双缝实验时，如果用纯红色滤光片和纯蓝色滤光片分别盖住两缝，则 产生干涉条纹。
（填能或不能）
4、若在杨氏双缝其中一缝后加一透明媒质薄片，使原光线光程增加λ5.2，则此时屏中心处将变为 纹。
（填明或暗）
5、薄钢片上有两条紧靠着的平行细缝，用双缝干涉方法来测量两缝间距。
如果用波长nm 1.546=λm)10nm 1(9-=的单色光照射，双缝与屏的距离mm 300=D 。
测得中央明条纹
两侧的两个第五级明条纹的间距为m m 2.12。
则两缝间距离为 mm 。
6、一束波长为 的单色光由空气垂直入射到折射率为n 的透明薄膜上，透明薄膜放在空气中，要使透射光得到干涉加强，则薄膜最小的厚度为 。
7、在垂直照射的劈尖干涉实验中，当劈尖的夹角变大时，干涉条纹将向劈尖棱方向移动，相邻条纹间的距离将 。
（填变大、变小或不变）
8、在空气中有一劈尖形透明物，其劈尖角rad 100.14-⨯=θ，在波长700=λnm 的单色光垂直照射下，测得干涉相邻明条纹间距l=0.25cm ，此透明材料的折射率n =_________。
9、波长为λ的单色光垂直照射在由两块玻璃迭合形成的空气劈尖上，其反射光在劈棱处产生暗条纹。
这是因为空气劈下表面的反射光存在 。
三、判断题
1、普通光源发光特点是断续的，每次发光形成一个短短的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干。
（ ）
2、在相同的时间内，一束波长为λ的单色光在空气中和在玻璃中传播的路程相等，走过的光程不相等。
（ ）
3、光在真空中和介质中传播时，波长不变，介质中的波速减小。
（ ）
4、.真空中波长为500nm 绿光在折射率为1.5的介质中从A 点传播到B 点时，相位改变了5π，则光从A 点传到B 点经过的光程为1250nm 。
（ ）
5、若将在双缝干涉实验放在水中进行，和空气中相比，相邻条纹间距将减小（ ）
6、波长为λ的单色光垂直照射在由两块玻璃迭合形成的空气劈尖上，其反射光在
劈棱处产生暗条纹，这是因为空气劈上表面的反射光存在半波损失。
（ ）
四、计算题
1、如图所示，双缝干涉实验中21SS SS =，用波长λ
的光照射1S 处为第三和2S ，通过空气后在屏幕上形成干涉条纹，已知P 点
装置放在级亮条纹，求1S 到P 和2S 到P 点的光程差，若将整个
某种透明液体中，P 点为第四级亮条纹，求该液体的折射率。
2、有一劈尖折射率4.1=n ，尖角rad 410-=θ。
在某一单色光的垂直照射下，可测得相邻明条纹间的距离为cm 25.0，试求：（1）此单色光的波长；（2）如果劈尖长为cm 5.3，那么总共可出现多少条明条纹？
3、如图所示：检查一玻璃平晶（标准的光学玻璃
平板）两表面的平行度时，用波长nm 8.632=λ的氦-氖激光器垂直照射，得到20条干涉条纹， 且两端点M 与N 都是明条纹，设玻璃的折射率50.1=n ，求平晶两端的厚度差。
光的干涉答案
选择题： 1-5 CACCB 6-10 CACDB
填空题：1、λ/2；2、紫；3、不能；4、暗；5、m m 134.0；6、
/ (2 n )；
7、变小；8、1.4；9、半波损失。
判断题：1、对；2、错；3、错；4、对；5、对；6、错。
计算题：
1、解：因为P 点处为第三级亮条纹，由定义：
λδ3)(121122=-=+-+=P S P S P S SS P S SS
放在某种透明液体中时，光波长会变为'λ，
此时有 λλ3'4=所以 λλ43'=，但n λλ=' 故33.13
4==n 2、解：（1）劈尖干涉的条纹间距为θλθλn n x 2sin 2≈=∆ 因而光波长nm m m x n 700107.01025.0104.122624=⨯=⨯⨯⨯⨯=∆⋅=---θλ
（2）在长为cm 5.3劈尖上，明条纹总数为 141025.0105.32
2
=⨯⨯=∆=--x L N 3、解：设玻璃的宽度为l ，厚度差为d ，则d ≈θsin 。
劈尖干涉的条纹间距为 nd
l n x 2sin 2λθλ==∆ 由于端点M 与N 都是明条纹，间隔数目为)1(-N 个。
由题意：
1-=∆N x l 于是玻璃厚度差为
m m m n N x l n d μλλ
01.41001.45.12)120(1043282)1(2610=⨯=⨯-⨯⨯=-=∆⋅=--。