大学物理《光学》
大学物理光学总结(二)2024
大学物理光学总结（二）引言概述：光学是物理学中一个重要的分支，研究光的传播、成像以及光与物质的相互作用等问题。
本文将从五个重要的大点出发，对大学物理光学的相关内容进行总结与分析，为读者提供一个快速了解光学的途径。
正文：1. 光的干涉和衍射1.1 光的干涉现象1.1.1 杨氏实验1.1.2 干涉条纹的产生原理1.1.3 干涉的条件和分类1.2 光的衍射现象1.2.1 菲涅尔衍射和菲涅耳衍射公式1.2.2 高斯衍射公式1.2.3 衍射的条件和分类2. 光的偏振与散射2.1 光的偏振现象2.1.1 偏振光的产生与检测2.1.2 光的偏振态和偏振光的超精细结构2.1.3 光的偏振与光的传播方向2.2 光的散射现象2.2.1 雷利散射和米氏散射2.2.2 瑞利散射公式和米氏散射公式2.2.3 光的散射与物质的介电性质3. 光的色散与光的成像3.1 光的色散现象3.1.1 光的折射定律3.1.2 不同介质中的光速和折射率3.1.3 瑞利公式和阿贝尔公式3.2 光的成像现象3.2.1 薄透镜成像的基本原理3.2.2 薄透镜成像的光学公式3.2.3 光的几何光学成像和实际成像的区别4. 光的波动和相干性4.1 光的波动现象4.1.1 光的起源和光的波动理论4.1.2 光的波动性质和波动光的衍射4.1.3 光的波动与光的电磁理论4.2 光的相干性现象4.2.1 相干的条件与相干光的特点4.2.2 干涉仪器与相干的应用4.2.3 光的相干性与光的相长相消干涉5. 光的光学仪器与光的应用5.1 光谱仪及其应用5.1.1 分光器的原理和结构5.1.2 分光光度计和光谱仪的构成5.1.3 火焰光谱法和原子吸收光谱法5.2 光的干涉仪器与应用5.2.1 迈克尔逊干涉仪和弗洛姆干涉仪5.2.2 干涉仪的干涉条纹和精密测量的应用5.2.3 波段干涉仪和干涉滤波器的原理与应用总结：本文从干涉和衍射、偏振与散射、色散与成像、波动与相干性以及光学仪器与应用等五个大点，对大学物理光学的相关知识进行了概要总结。
《大学物理》第十二章 光学
h
结束 返回
解：
=a
acos2
+
2
=
2asin2
=
2
asin =h
sin =4h
a 2
h
结束 返回
12-5 一平面单色光波垂直照射在厚度 均匀的薄油膜上，油 膜 覆盖在玻璃板上， 所用 单色光的波长可以连续变化，观察到 500nm与700nm这两个波长的光在反射 中消失，油的折射率为 1.30，玻璃的折射 率为1.50。试求油膜的厚度 。
第二级明纹的宽度为
Δx
´=
Δx 2
=2.73 (mm)
结束 返回
12-15 一单色平行光束垂直照射在宽 为 1.0mm 的单缝上，在缝后放一焦距为 20m的会其透镜，已知位于透镜焦面处的 屏幕上的中央明条纹宽度为2.5mm。求入 射光波长。
结束 返回
解：
=
aΔx 2D
=
1.0×2.5 2×2.0×103
sinj
=
k (a+b)
sin =0.1786k-0.5000
在 -900 < j < 900 间，
对应的光强极大的角位置列表如下：
k
sinj j
k
sinj j
0
-0.500 -300
1
2
-0.3232 -0.1464
-18051’ -8025’
3
4
0.0304 0.2072
1045’ 11057’
结束 返回
12-22 一光栅，宽为2.0cm，共有
6000条缝。如用钠光(589.3nm)垂直入射，
中央明纹的位置? 共有几级？如钠光与光
大学物理光学
3、普通光源获得相干光的途径 思路： 同出一源，分开再合
同一发光 原子的同 一次发光
单缝 双缝 屏
三、光程与光程差
1、光程 定义 L=nr为光程。 2、光程差（ ）与相差（ △ ）的关系 P n r n r n1 r1 S1 易知：两光波传至P点 同相相 r2 干光源 的相差为 2 n2 S2
可将缝分为两个半波带。 时，
1 2 1′ 2′
f2
光线1(2…)与1 ′(2 ′…)在P点 的光程差为/2，
/2
∴两半波带发的光在P处 干涉相消形成暗纹中心。
▲当 a sin
B a A
3 2
/2
时，可将缝分成三个半波带。 其中两个相邻的半波带发的 光在P处干涉相消，剩一个半 波带发的光在P处合成。 ∴P处为明纹中心。
0 0 0 0
合振动：
E E 0 cos( t 0 )
令 2 1
0
0
合振幅
E0
E 1 E 2 2 E 1 E 2 cos
2 2
0 0 0 0
又：光的强度
I E0
2
定义： 相对光强 I E0 对相干光的叠加： ▲ 相长干涉（明） ▲相消干涉（暗）
e=0(中心)为零级暗纹（暗斑）。
r R (R e) 2R e e
2 2 2 2
R e e 2 Re
2
r
2 Re
⊥入射
R>>e
r
(k
1 2
) R / n 2 , k 1,2 明
kR / n 2 , k 0 ,1 暗
大学物理光学部分知识点
大学物理光学部分知识点一、光的反射1、光源：能够发光的物体叫光源2、光在均匀介质中是沿直线传播的大气层是不均匀的，当光从大气层外射到地面时，光线发了了弯折3、光速光在不同物质中传播的速度一般不同，真空中最快，光在真空中的传播速度：C = 3×108 m/s，在空气中的速度接近于这个速度，水中的速度为3/4C，玻璃中为2/3C4、光直线传播的应用可解释许多光学现象：激光准直，影子的形成，月食、日食的形成、小孔成像等5、光线光线：表示光传播方向的直线，即沿光的传播路线画一直线，并在直线上画上箭头表示光的传播方向(光线是假想的，实际并不存在)6、光的反射光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光返回原来介质中，使光的传播方向发生了改变，这种现象称为光的反射7、光的反射定律反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的两侧;反射角等于入射角可归纳为：“三线一面，两线分居，两角相等”理解：(1) 由入射光线决定反射光线，叙述时要“反”字当头(2) 发生反射的条件：两种介质的交界处;发生处：入射点;结果：返回原介质中(3) 反射角随入射角的增大而增大，减小而减小，当入射角为零时，反射角也变为零度8、两种反射现象(1) 镜面反射：平行光线经界面反射后沿某一方向平行射出，只能在某一方向接收到反射光线(2) 漫反射：平行光经界面反射后向各个不同的方向反射出去，即在各个不同的方向都能接收到反射光线注意：无论是镜面反射，还是漫反射都遵循光的反射定律大学物理光学学习方法一、认真预习，画出疑难。
在这个环节中，必须先行学习教程(提前任课教师两个课时)，画出自己理解不清，理解不了的部分。
预习教材后，如果“没有”疑难，那么马上做教材所配置的练习，帮助画出重点和难点。
预习中，自己画出重点和难点，这是非常重要的，是为提高听课效率所应该准备的一个环节。
二、带着问题，进入课堂。
带着问题进课堂，通过教师讲解，解决预习中的疑难问题;若课堂中没有听懂，尽量利用课间时间，当场解决。
《大学物理》光学练习题
《大学物理》光学练习题一、简答题1、相干光产生的条件是什么? 获得相干光的方法有几种? 分别是什么?答：相干光产生的条件：两束光频率相同，振动方向相同，相位差恒定获得相干光的方法有两种，分别是振幅分割法和波阵面分割法。
2、何谓光程?其物理意义是什么? 使用凸透镜能不能引起附加光程差? 请给出你的解释?答：介质折射率n和光在介质内走过的几何路程L的乘积nL叫光程，其物理意义是光程就是把光在媒质中通过的几何路程按相位差相等折合为真空中的路程.使用凸透镜不能引起附加的光程差。
3、什么是等厚干涉? 什么是等顷干涉? 试各举一例答：薄膜厚度d一定，光程差随入射角i 变化而变化，同一入射角i 对应同一干涉条纹级次，不同入射角对应不同条纹级次，这样的干涉叫等顷干涉。
入射角i一定(平行光入射)，光程差随薄膜厚度d变化而变化，同一厚度对应同一干涉条纹不同厚度对应不同干涉条纹，条纹形状与薄膜等厚相同。
4、空气中的肥皂泡，随着泡膜的厚度的变薄，膜上将出现颜色，当膜进一步变薄并将破裂时，膜上将出现黑色，试解释之?答：起初肥皂膜泡厚度很大，使得由泡膜上下表面产生的光程差大于光的相干长度，随着泡膜厚度变薄时，当在相干长度内以，泡膜上下表面反射不同波长的可见光叠加，形成彩色条纹，当膜进一步变薄并将破裂时，厚度将趋于零，反射干涉消失，膜上出现黑色。
5、大多数光学镜头上要镀一层增透膜，在计算增透膜产生的光程差时，并没有加上半波损失，为什么?答：玻璃表面镀上一层增透薄膜，其折射率介于玻璃和空气之间，比玻璃的折射率小，比空气的折射率大，所以在增透膜的上下表面都有相位的突变，总的附加光程差为零，所以没有半波损失。
6、什么是光的衍射现象？答：光作为一种电磁波，在传播中若遇到尺寸比光的波长大得不多的障碍物时，它就不再遵循直线传播的规律，而会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布，这就是光的衍射现象。
7、什么是菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射，两者的区别是什么？答：菲涅耳衍射：在这种衍射中，光源或显示衍射图样的屏，与衍射孔（或障碍物）之间距离是有限的，若光源和屏都距离衍射孔（或障碍物）有限远，也属于菲涅耳衍射。
大学物理(光学部分)试题库及答案解析
PS 1 S 2r 1n 1n 2t 2r 2t 1大学物理（光学部分）试题库及答案解析一、选择题1. 有一平面透射光栅，每毫米有500条刻痕，刻痕间距是刻痕宽度的两倍。
若用600nm 的平行光垂直照射该光栅，问第几级亮条纹缺级？能观察到几条亮条纹？ ( C )A. 第1级，7条B. 第2级，6条C. 第3级，5条D. 第2级，3条2. 下列情形中，在计算两束反射光线的光程差时，不需要计算因半波损失而产生的额外光程的是：（ D ）A BCD3. 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（ C ） (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. 如图，S 1、S 2是两个相干光源，它们到P 点的距离分别为r 1和r 2。
路径S 1P 垂直穿过一块厚度为t 1、折射率为n 1的介质板，路径S 2P 垂直穿过厚度为t 2、折射率为n 2的另一介质板，其余部分可看作真空，这两条路径的光程差等于( B )(A) )()(111222t n r t n r +-+(B) ])1([])1([111222t n r t n r -+--+ (C) )()(111222t n r t n r ---空气油膜n=1.4 水MgF 2 n=1.38 空气玻璃 n=1.5油膜n=1.4 空气 水空气MgF 2 n=1.38玻璃 n=1.5(D) 1122t n t n -5、如图所示，平行单色光垂直照射到薄膜上，经上下两表面反射的两束光发生干涉，若薄膜的厚度为e ，并且n 1＜n 2＞n 3，1λ为入射光在折射率为n 1的媒质中的波长，则两束反射光在相遇点的相位差为 ( C )(A) )/(2112λπn e n (B) πλπ+)/(4121n e n (C) πλπ+)/(4112n e n(D) )/(4112λπn e n6、在真空中波长为λ的单色光，在折射率为n 的透明介质中从A 沿某路径传播到B ，若A 、B 两点相位差为3π，则此路径AB 的光程为（ A ）(A) 1.5 λ(B) 1.5 λ / n(C) 1.5n λ(D) 3 λ7、一束光强为I 0的自然光垂直穿过两个偏振片，且此两偏振片的透振方向成45°角，则穿过两个偏振片后的光强I 为（ B ）(A) 24/0I（B ）4/0I（C ）2/0I(D)2/20I8、波长为λ的单色光垂直入射于光栅常数为d 、缝宽为a 、总缝数为N 的光栅上。
《大学物理光学》PPT课件
3
光学仪器的发展趋势 随着光学技术的不断发展，光学仪器正朝着高精 度、高灵敏度、高分辨率和自动化等方向发展。
03
波动光学基础
Chapter
波动方程与波动性质
波动方程
描述光波在空间中传播的数学模型，包括振幅、频率、波长等参现象，是波动光学的基础。
偏振现象及其产生条件
干涉仪和衍射仪使用方法
干涉仪使用方法
通过分束器将光源发出的光波分成两束，再经过反射镜反射后汇聚到一点，形成干涉图样。通过调整反射镜的位 置和角度，可以观察不同干涉现象。
衍射仪使用方法
将光源发出的光波通过衍射光栅或单缝等衍射元件，观察衍射现象。通过调整光源位置、衍射元件参数等，可以 研究光的衍射规律。
光的反射与折射现象
光的反射
光在两种介质的分界面上改变传播方向又返回原来 介质中的现象。反射定律：反射光线、入射光线和 法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线 两侧，反射角等于入射角。
光的折射
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生 改变的现象。折射定律：折射光线、入射光线和法 线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两 侧，折射角与入射角的正弦之比等于两种介质的折 射率之比。
了解干涉条纹的形成和特点。
衍射光栅测量光谱线宽度
03
使用衍射光栅测量光谱线的宽度，掌握衍射光栅的工作原理和
测量方法。
量子光学实验项目注意事项
单光子源的制备与检测 了解单光子源的概念、制备方法及其检测原理，注意实验 过程中的光源稳定性、探测器效率等因素对实验结果的影 响。
量子纠缠态的制备与观测 熟悉量子纠缠态的基本概念和制备方法，掌握纠缠态的观 测和度量方法，注意实验中的环境噪声、探测器暗计数等 因素对纠缠态的影响。
《大学物理》光学公式
可以观察到的主级大明条纹的最大级数
谱线的缺级
明纹出现的位置 当满足光栅方程的角度同时也满足单缝衍射暗纹条件时缺级
线宽度 角宽度
2倍的关系
光的干涉
光程： 相位差与光程差：
相消干涉和相长干涉：
用光程差表示：
光程差：
杨氏双缝干涉
明条纹的位置： 暗条纹的位置： 相邻的明（暗）条纹的间距：
反射光的光程差： 透射光的光程差： 等倾干涉（垂直入射到薄膜）光程差：
薄膜干涉
增透膜和增反膜：
等厚干涉：
劈尖干涉：
明（暗）条纹对应的薄膜厚度
明条纹： 暗条纹：
相邻的明（暗）条纹对应的厚度差：
相邻的明（暗）条纹间距：
应用
测量微小的角度 测量微小长度
牛顿环光程பைடு நூலகம்：
明暗环半径
明环： 暗环：
光学公式
光的衍射 衍射光栅
半波带数：
单缝衍射
明暗纹条件： 中央明纹：
明暗条纹在屏上的位置条纹距离中央明纹的距离与衍射角的关系：
明暗纹位置
暗纹位置 明纹位置
圆孔夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领
第一级暗环：
明条纹的宽度
中央明纹的宽度 次级明纹宽度
艾里斑半角宽度：
如果一个物体在象平面上形成的艾里斑中心恰好落在了另一个物体衍射的第一级暗环 上，则这两个物体恰能分辨
最小分辨角：
分辨率
提高分辨率的途径
较少工作波长 增大孔径D
光栅常数d=a+b
a:透光狭缝的宽度 b:不透光部分的宽度
明纹条件：
光栅方程
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更快，这就是费马原理： “光所选择的路径是最节
解析几何学创始人之一。得 到确定光在介质中传播所走 的路径和光程极值原理。
省时间的路环
早在剑桥大学高年级时，牛顿通过三棱镜实验研究太 阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同 的折射率。牛顿通过日光分光实验，发现白光是由红、 橙、黄、绿、蓝、靛和紫七色光组成，这种分解出来的 单色光再通过第二个棱镜时没有增加任何新的成分，而 将第一次分解的光也可以再用另一个棱镜合成白光。
牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟 了道路，被美国《物理学世界》评为历史上 “最美丽的十大物理实验”之一。
牛顿发明反射望远镜
牛顿的微粒说
牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子， 它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行， 人们感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔。
微粒说
解释光的反射
无法解释干涉，还出现合速度大于真
开
斯
普
涅
勒
耳
反射定律 ： 反射角＝入射角θi=θt 折射定律：光从疏介质入射密 介质，折射角小于入射角。 n1* sinθ1= n2 * sinθ2
色散：波速随波长而改 变的性质称为色散
在岸边看到落水的人，如 何用最短的时间去救他。
选择1绕远必然被放弃，选
择2是最短路线，但我们却
选择3，因为在陆地上速度 费马，法国数学家物理学家，
波动光学： 干涉 衍射 偏振
光学的发展：
几何光学 波动光学 量子光学
波动光学： 干涉 衍射 偏振
§12-1 几何光学简介 一、光的传播规律 3.费马原理
光从空间的一点到另一点是沿光程为 最短的路径传播的。
若 n1< n2
媒质1 光疏媒质
n1
媒质2 光密媒质
n2
二、光的全反射
全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射 角大于某临界角时，光将全部反射回来。
cri
arcsin
nb na
(na nb )
应用举例：光纤
光 纤
光纤照片
会传像的光纤
激光是目前最理想的相干光源，它不仅同 一光源上同一点发出的是相干光，而且同一 光源上两个不同的部分也具有很好的相干性， 甚至两个独立激光器的光波也能相干。
在用微粒说解释光的折射时，他又用了 机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入 介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力， 获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度 与原来的速度相加的结果，合速度的方向向 界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了
合速度的大小将大于空气中的光速c。
可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说 正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对 此进行判断。
空光速c 的情况
牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的 ？
基于光的直线传播和他的自然哲学思想 。牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质 点”，研究化学时，他相信“原子说”；加 上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光 学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为 光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也 是很自然的。
第十二章
光学
人类对光学的研究早在两三千年前就初见端 倪。
《墨经》中的光学
在《墨经》中记载了丰富的 几何光学知识。墨子在当时就已 知道光是沿直线传播的。墨子和 他的学生做了世界上最早的“小 孔成像”实验，并对实验结果做 出了精辟的见解。
17世纪以来由于天文学研究的需要，光学得到 了较快的发展。在近代科学史上，第一个对光现象 进行系统研究的是开普勒，他首先提出了光度学定 理。还研究了光的折射现象和透镜成像问题。17 世纪初，荷兰数学家斯涅尔(1580——1628)发现 了光的反射和折射定律。
为什么光的微粒说能统治一百多年？
一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微 粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方 面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社 会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。
值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光 现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认 识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的 思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。
光的波动说
惠更斯的波动说
惠更斯在笛卡儿、胡克等人 的基础上提出了光是振动传播的 假说。他认为“光是发光体中微 小粒子的振动在弥漫于宇宙空间 的完全弹性的介质（以太）中的 传播过程。”他称这种波为以太 波。
2-5-1
惠更斯
光学的发展：
几何光学 波动光学
量子光学
光学的发展：
几何光学 波动光学 量子光学