大物光的干涉和衍射
大学物理中的光的干涉与衍射光的干涉与衍射现象
大学物理中的光的干涉与衍射光的干涉与衍射现象大学物理中的光的干涉与衍射光的干涉与衍射现象是大学物理中一个重要且有趣的研究课题。
这些现象揭示了光的波动性质，以及波动性对光的传播与相互作用的影响。
本文将系统地介绍光的干涉与衍射现象，并探讨其在物理学与现实生活中的应用。
一、光的干涉现象光的干涉是指两列或多列光波相互叠加形成的明暗条纹图案。
常见的干涉现象包括杨氏双缝干涉、杨氏单缝干涉、牛顿环等。
1.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉是光的干涉现象中最典型的实验之一。
它利用一束光通过两狭缝后产生的明暗交替的干涉条纹来说明光的波动性质。
当光线经过两条狭缝时，由于来自不同狭缝的光波具有相位差，它们会相互干涉，形成一系列明暗相间的条纹。
1.2 杨氏单缝干涉杨氏单缝干涉是光的干涉现象中较为简单的一种。
它是通过单个狭缝产生的衍射效应，导致在观察屏幕上出现明暗相间的条纹。
单缝干涉通常用于分析光的波长和狭缝大小之间的关系。
1.3 牛顿环牛顿环是一种非常有趣的干涉现象。
它是由一片凸透镜与平面玻璃片之间的空气薄膜所形成的。
当光线垂直照射到凸透镜与平面玻璃片之间的空气薄膜时，由于空气薄膜的厚度不均匀，光线在不同厚度处产生不同的相位差，从而形成一系列明暗相间的圆环。
二、光的衍射现象光的衍射是指光通过物体的边缘或孔径时发生偏离直线传播的现象。
常见的衍射现象包括夫琅禾费衍射、菲涅耳衍射等。
2.1 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是一种通过窄缝衍射的现象。
当一束平行光通过一个窄缝时，光波会在缝口处发生衍射，形成一系列明暗相间的条纹。
这种衍射现象的强度分布与缝口的大小和光波的波长有关。
2.2 菲涅耳衍射菲涅耳衍射是一种通过物体边缘衍射的现象。
当一束平行光照射到物体的边缘时，光波会在物体边缘发生衍射，从而形成明暗相间的衍射图样。
菲涅耳衍射常用于分析物体的形状和边缘的特性。
三、光的干涉与衍射在应用中的意义光的干涉与衍射现象在科学研究和实际应用中具有重要意义。
大学物理中的波动光学光的干涉和衍射现象
大学物理中的波动光学光的干涉和衍射现象大学物理中的波动光学：光的干涉和衍射现象波动光学是物理学中的一个重要分支，主要研究光的传播与相互作用的波动性质。
在这个领域中，光的干涉和衍射现象是两个关键概念。
本文将以大学物理的角度，对波动光学中的干涉和衍射进行探讨。
1. 干涉现象干涉是指两个或多个光波相遇时所产生的明暗相间的干涉条纹现象。
它的基本原理是光波的叠加效应。
当两束光波相遇时，会发生干涉现象。
根据相位差的不同，干涉可分为相干干涉和非相干干涉两种。
1.1 相干干涉相干干涉指的是两束或多束光波的相位和振幅有固定的关系，使得它们在相遇的区域内能够产生稳定而有规律的干涉图样。
在相干干涉中，常见的一种情况是等厚干涉。
比如，当光线通过一个厚度均匀的平行光学板时，会因光速在介质中的改变而引起相位差，从而产生干涉现象。
1.2 非相干干涉非相干干涉指的是两束或多束光波的相位关系不稳定，在相遇的位置不会产生规律可辨的干涉图样。
光源的宽度、时间相干性以及光的偏振状态等因素都会影响非相干干涉。
2. 衍射现象衍射是指当光通过具有一定尺寸障碍物的缝孔或物体边缘时，光的传播方向发生偏离并产生干涉条纹的现象。
衍射实验是研究光的波动性质的重要手段之一。
著名的夫琅禾费衍射实验就是其中之一。
夫琅禾费衍射实验中，光通过狭缝后发生衍射，产生干涉条纹。
2.1 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是狭缝衍射的一种特殊情况，在物理学中具有重要的研究价值。
当一束平行光波通过一个非常窄的缝隙时，光会弯曲和发散，产生强弱交替的干涉条纹。
这里的交替现象是因为光的波动性质叠加所致。
夫琅禾费衍射给我们提供了研究光的波动特性的重要线索，对于理解光的传播和干涉现象有着重要的意义。
2.2 衍射光栅衍射不仅限于狭缝，还可以通过光栅来实现。
光栅是一种由有规则的孔或条带构成的光学元件，可以用于衍射实验。
由于光栅具有多个凹槽（或条带），光通过光栅后会发生衍射，产生出多个明暗相间的衍射条纹。
光的干涉与衍射的现象与公式
光的干涉与衍射的现象与公式在物理学中，光的干涉与衍射是两种常见的光现象，它们具有不同的特点和应用。
本文将探讨光的干涉与衍射的基本概念、现象以及相关的公式。
一、光的干涉现象与公式光的干涉是指两束或多束光波相遇时产生的相互作用。
干涉可以分为干涉条纹的产生和干涉的条件两个方面。
1. 干涉条纹的产生当两条相干光波相遇时，它们会相互干涉形成一系列的亮暗条纹，称为干涉条纹。
这是因为两束光波以相同的频率、相同的相位或相干长度相遇，其光强的叠加会出现干涉现象。
2. 干涉的条件光的干涉需要满足以下几个条件：a. 光源必须是相干光源，即光波的频率和相位相同。
b. 光波的干涉路径差应小于波长的一半。
关于干涉现象的描述和分析，我们可以使用以下公式：1. 干涉条纹的宽度公式干涉条纹的宽度可以通过以下公式计算：Δx = λL/d其中，Δx表示干涉条纹的宽度，λ为入射光波的波长，L为光源到屏幕的距离，d为狭缝或介质的厚度。
2. 杨氏双缝干涉公式杨氏双缝干涉公式描述了双缝干涉条纹的位置和间距：y = mλD/d其中，y表示干涉条纹的位置，m为干涉级数，λ为光的波长，D为两缝到屏幕的距离，d为两缝的间距。
3. 薄膜干涉公式薄膜干涉是指光线穿过薄膜发生的干涉现象，可以用以下公式描述：2nt = (m + 1/2)λ其中，n为薄膜的折射率，t为薄膜的厚度，m为暗纹的干涉级数，λ为入射光的波长。
二、光的衍射现象与公式光的衍射是当光波通过一个小孔或物体的边缘时，会发生弯曲和弥散的现象。
衍射的大小与光的波长和衍射物体的尺寸相关。
1. 衍射公式光的衍射可以使用弗能尔衍射公式来进行描述：a sinθ = mλ其中，a为衍射孔的尺寸，θ为衍射角，m为衍射级数，λ为入射光的波长。
2. 单缝衍射公式单缝衍射是一种常见的衍射现象，可以通过以下公式来计算条纹的位置和间距：y = mλL/a其中，y表示条纹的位置，m为衍射级数，λ为入射光的波长，L为光源到屏幕的距离，a为衍射孔的宽度。
什么是光的干涉和衍射
什么是光的干涉和衍射知识点：光的干涉和衍射光的干涉是指两束或多束光波相互叠加时产生的干涉现象。
当这些光波相遇时，它们的振幅可以相互增强（相长干涉）或相互抵消（相消干涉），从而产生明暗相间的条纹。
光的干涉现象可以用杨氏双缝干涉实验来说明，其中光通过两个非常接近的狭缝后，会在屏幕上形成一系列亮暗相间的条纹。
光的衍射是指光波遇到障碍物或通过狭缝时，光波会向各个方向传播并发生弯曲现象。
衍射现象可以用明显的例子如单缝衍射和圆孔衍射来说明。
在单缝衍射实验中，光通过一个狭缝后，在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹，中心亮条纹最宽最亮。
而在圆孔衍射实验中，光通过一个小圆孔后，在屏幕上形成一系列以圆心为中心的亮环。
光的干涉和衍射都是波动光学的基本现象，它们可以帮助我们了解光的本质和光的传播方式。
这些现象在科学技术中有广泛的应用，如光学显微镜、光学干涉仪、激光技术等。
光的干涉和衍射现象也是物理学中的重要研究领域，对于研究光的波动性和光的本质特性具有重要意义。
习题及方法：1.习题：在杨氏双缝干涉实验中，如果狭缝间的距离为d，入射光的波长为λ，那么在屏幕上形成的干涉条纹的间距是多少？解题方法：根据干涉条纹的间距公式△x = λ(L/d)，其中L是屏幕到狭缝的距离。
将给定的数值代入公式计算即可得到干涉条纹的间距。
答案：干涉条纹的间距为λL/d。
2.习题：在单缝衍射实验中，如果狭缝的宽度为a，入射光的波长为λ，那么在屏幕上形成的衍射条纹的间距是多少？解题方法：根据衍射条纹的间距公式△x = λ(L/a)，其中L是屏幕到狭缝的距离。
将给定的数值代入公式计算即可得到衍射条纹的间距。
答案：衍射条纹的间距为λL/a。
3.习题：在杨氏双缝干涉实验中，如果将入射光的波长从λ1变为λ2（λ1 < λ2），那么干涉条纹的间距会发生什么变化？解题方法：根据干涉条纹的间距公式△x = λ(L/d)，可以看出干涉条纹的间距与波长成正比。
因此，当波长增加时，干涉条纹的间距也会增加。
大学物理中的光的干涉与衍射问题
大学物理中的光的干涉与衍射问题在大学物理中，光的干涉与衍射是一个非常重要的课题。
干涉和衍射现象是光的波动性质所导致的，它们对于我们理解光的本质和物质的性质起到了关键的作用。
本文将详细介绍光的干涉与衍射问题，以及相关的实验和应用。
一、干涉现象干涉是指两束或多束光波相互叠加产生的明暗相间的干涉条纹的现象。
干涉现象的产生需要满足两个条件：一是光源是相干光源，二是光的传播路径存在差异。
1. 条纹的产生当两束相干光波相遇时，会在空间中形成干涉条纹。
这些干涉条纹的产生可以通过弗朗霍夫衍射公式来解释，该公式描述了光通过一个狭缝时的衍射现象。
2. 干涉条纹的特征干涉条纹具有明暗相间的特征，这是因为光波的干涉会导致光的增强和相消干涉。
光的增强会使得干涉条纹出现明亮区域，而光的相消干涉则会导致干涉条纹出现暗区。
二、衍射现象衍射是指光波传播时发生弯曲和障碍物附近出现干涉效应的现象。
衍射现象的产生需要满足光波传播经过障碍物或者经过狭缝。
1. 衍射的产生光的衍射现象可以由基尔霍夫衍射公式来解释，该公式描述了光波传播经过一个孔径时所发生的衍射现象。
2. 衍射的特征衍射现象会导致光波的扩散，使得光的传播区域扩大。
衍射还会导致光的强度分布不均匀，形成明暗相间的衍射图案，这一特征是衍射现象的重要标志。
三、实验与应用光的干涉与衍射是许多实验和应用领域的基础。
以下是一些与干涉与衍射相关的实验和应用：1. 杨氏干涉实验杨氏干涉实验是用来观察干涉现象的经典实验之一。
通过在两面平行的玻璃板之间引入光源和接收屏，可以观察到明暗相间的干涉条纹。
2. 双缝干涉实验双缝干涉实验是观察干涉现象的经典实验之一。
通过在光源前放置两个狭缝，可以观察到通过狭缝后形成的干涉条纹。
这个实验不仅可以用来验证光的波动性质，还可以用来测量光的波长等重要参数。
3. 衍射光栅衍射光栅是一种利用光的衍射现象来实现光谱分析和波长测量的装置。
它由许多平行的狭缝构成，通过光的衍射，可以将不同波长的光分散成明暗相间的衍射光谱。
大学物理光的干涉和衍射
2
2
R2
2d
2
(2k 1)
d2
d1
d r
O
R1
2 (k 0,1,2,)
2 2
r4 r4 k 4, 2d 4 R1 R2
R2 102.8 cm
例14 当把折射率为n=1.40的薄膜放入迈克耳孙干涉仪的一 臂时，如果产生了7.0条条纹的移动，求薄膜的厚度。（已知 钠光的波长为 = 589.3 nm） 解：
2(n 1)t k
k t 2(n 1)
7 589.3 109 m 5.154 6 m 2(1.4 1)
t
光的衍射
3.单缝的夫琅禾费衍射
以垂直入射为例
半波带法
2 2
2
9 2R(d e) Rλ( k) 2
(2)
d max 2
由明纹条件
2d
kmax
2 2 4.5 4
max
2k
得
λ 1 d k 2 3)条纹向外侧移动
d
A
B
例11. 在牛顿环装置中，如果平玻璃由冕牌玻璃（n1=1.50） 和火石玻璃（n2=1.75）组成，透镜由冕牌玻璃组成，而 透镜与平玻璃间充满二硫化碳（n3=1.62）。试说明在单 色光垂直入射时反射光的的干涉图样是怎样的？
2n2d
2
k
2n2d k 1 2
取 k = 1，2，3代入上式，分别得
1 4n2 d 1700 nm
4 2 n2 d 567 nm 3 4 3 n2 d 341 nm 5
红外线 黄光！ 紫外线
例7. 平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆盖在玻 璃板上。所用光源波长可以连续变化，观察到500 nm与700 nm波长的光在反射中消失。油膜的折射率为1.30，玻璃折射 率为1.50，求油膜的厚度。
光的干涉与衍射现象高考物理中的光学关键概念
光的干涉与衍射现象高考物理中的光学关键概念光学作为物理学的一个重要分支，研究了光的发射、传播和相互作用等现象。
在高考物理中，光学作为一个重要的知识点，包含了许多关键概念，其中光的干涉与衍射现象是其中的重点内容。
本文将对光的干涉与衍射现象进行详细解析，旨在帮助考生更好地理解相关概念。
一、光的干涉现象1.1 干涉现象的概念光的干涉现象指的是两束或两束以上光波相互作用后产生的干涉效应。
当两束光波相遇时，由于光波的性质，会出现干涉现象。
1.2 干涉的条件光的干涉需要满足两个基本条件：一是光源必须是相干光源，二是光波应满足相长干涉或相消干涉的条件。
1.3 干涉现象的分类光的干涉现象可分为两类：一是光的波前干涉，二是光的振幅干涉。
波前干涉中，干涉是由波前的相遇造成的，常见的例子为杨氏实验；振幅干涉中，干涉是由光波的振幅相加或相减造成的，典型例子为牛顿环。
二、光的衍射现象2.1 衍射现象的概念光的衍射现象指的是当光通过一个细缝或遇到一个不透明物体时，出现的光的偏转、扩散或波的弯曲等现象。
光的衍射广泛存在于自然界和生活中的各个领域。
2.2 衍射的条件光的衍射需要满足细缝或物体的尺寸与光波波长的比值在一定范围内。
当尺寸接近或小于光波的波长时，衍射现象就会显现出来。
2.3 衍射现象的分类光的衍射现象可分为一维衍射、二维衍射和三维衍射。
一维衍射指的是光通过一个狭缝或细缝后引起的衍射，二维和三维衍射则是指光通过较为复杂的衍射物体后呈现出的衍射效应。
三、光的干涉与衍射的应用3.1 干涉与衍射在光学仪器中的应用干涉与衍射广泛应用于光学仪器中，如显微镜、望远镜、光栅等。
通过利用干涉与衍射现象，光学仪器可以实现更高的分辨率和测量精度，从而在科学研究和技术应用中发挥重要作用。
3.2 干涉与衍射在光艺术中的应用干涉与衍射现象也广泛应用于光艺术中，如光电雕刻、光画等。
通过精心的设计和控制，借助干涉与衍射效应，可以创造出独特的光影效果，给人们带来视觉上的享受和艺术的启发。
光的衍射和干涉的异同
光的衍射和干涉的异同
光的衍射和干涉是光学中的重要现象，它们都涉及到光的波动性质，但也有一些明显的不同之处。
相同之处：
1.衍射和干涉都是光的波动性的表现。
在这两种现象中，光被视为一种波，它可以像水波
一样传播并受到障碍物的干扰。
2.衍射和干涉都需要特定的实验装置或条件来实现。
例如，在干涉实验中，通常需要分束
器、反射镜和干涉仪等设备；而在衍射实验中，可能需要狭缝、透镜或衍射光栅等。
不同之处：
1.产生原因不同：衍射是由于光波在传播过程中遇到障碍物或孔洞时发生的弯曲或绕射现
象；而干涉则是由于两束或多束相干光波的叠加而产生的加强或减弱的现象。
2.表现形式不同：衍射通常表现为光斑的扩大或缩小，以及在障碍物边缘产生的明暗相间
的条纹；干涉则表现为明暗相间的干涉条纹或彩色条纹，通常出现在两束相干光波的叠加区域。
3.应用不同：衍射在日常生活和科学实验中有着广泛的应用，如全息摄影、光学测距等；
干涉则在精密测量、光学仪器和激光技术等领域有重要应用，如干涉仪、激光干涉仪等。
4.对光源的要求不同：衍射实验中对光源的相干性要求相对较低，普通光源如白炽灯或日
光灯即可实现；而干涉实验中则需要较高相干性的光源，如激光或经过适当处理的单色光等。
综上所述，光的衍射和干涉虽然都是光的波动性的表现，但它们产生的原因、表现形式、应用以及对光源的要求等方面存在明显的差异。
了解这些异同点有助于更好地理解这两种现象的本质和应用。
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分振幅法：
一束光线中分出两部分，经上下表面反射再相遇， 使能量分割后再叠加
上表面
分束
下表面
薄膜
1 2
相遇
§2 双缝干涉
干涉问题要分析：
(1)相干光是谁 (2)波程差(光程差)计算 (3)条纹特点(形状、位置、分布、条数、移动等)
一、杨氏双缝实验
杨(T.Young)在1801 年首先发现光的干涉 现象，并首次测量了 光波的波长。
E2 •
波列
= (E2-E1)/h E1 •
发光时间t 10-8s
·
波列长 L = t c
长度有限、频率一定、 振动方向一定的光波
独立
（不同原子同一时刻发的光）
·
独立（同一原子不同时刻发的光）
原子发光： 方向不定的振动 ， 瞬息万变的初相位，
特点：随机、间歇
此起彼伏的间歇振动。
2、激光光源的发光机制：受激辐射
几何光学
1619世纪发展最迅速， 研究光的直线传播
波动光学
发展于1719世纪 研究光的波动性
量子光学
发展于19世纪末 研究光的粒子性
绪言
光学是物理学中发展较早的一个分支，它从试图回 答 “人为什么能看见周围的物体?” 开始了其漫长的 发展历程。
古希腊人发现了光的基本性质：
1．在均匀媒质中光以直线传播。
惠更斯的波动说
光是机械波，在弹性介质 “以太”中传播。
光的本性
• 光的电磁理论——波动性
干涉、衍射、偏振
• 光的量子理论——粒子性
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
光是电磁波，具有波动和粒子的两重性质， 称为波粒二象性。
粒子性 （牛顿微粒说）
波动性 （惠更斯波动说）
反射、折射
反射、折射、干涉、衍射
波粒二象性
2、普通光源获得相干光的途径
分波面法与分振幅法 •从普通光源中获得相干光的原则
从一个原子一次发光中获得
• 装置的基本特征 先分光 然后再相遇
2
·
实
2
1
验
装2
置
一分为二
1 相
1
遇
合二为一
分波面法： 从一次发光的波面上取出几部分---分割波前再相遇
S1 、S2 满足相干条件
衍射
S
S1 相
遇
S2 区
分束装置
d x (2k 1)
D
2
干涉相长，明纹 干涉相消，暗纹
暗纹中心
xk
(2k 1) D , k 1,2,3...
2d
明纹中心
xk
k
D ,
d
k
0， 1，2，3…
* 两相邻明纹（或暗纹）间距 x D
d
* 条纹特点：
① 形状---- 一系列平行的明暗相间的条纹；
② 分布---- 不太大时条纹等间距；x D
k
D d
红
x(k 1)紫
(k
1)
D d
紫
由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得
k红 (k 1)紫
将 红 = 7600Å， 紫 = 4000Å代入得 k=1.1
因为 k只能取整数，所以应取 k=1
这一结果表明：在中央白色明纹两侧， 只有第 一级彩色光谱是清晰可辨的。
二、双 镜
P
s
M1
L
思考题 在双缝干涉实验中：
（1）如何使屏上的干涉条纹间距变宽？
答： 两相邻明纹（或暗纹）间距 x D
d
若D、d 已定，只有，条纹间距 x 变宽。
若已定，只有D↑、d↓（仍然满足d>> )，条 纹间距 x 变宽。
（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？
答：
x
Байду номын сангаас
D d
n
D d
S1 * S*
S2 *
x
k=+2 k=+1
k= 0
I
k=-1 k=-2
2. 干涉问题
1） 相干光
s1、s2发出的相干光
2） 波程差的计算
设实验在真空（或空气）中进行，则波程差为：
r2
r1
d sin
d
tg d
px
x D
r 1
θ
·
x
d
r
2
o
D
3） 干涉条纹
* 条纹的位置
d x k
D
30.量子光学（ quantum optics ）：以光和物 质相互作用时显示的微粒性为基础；
第一部分：光的干涉
§1 光源及光的相干性
一、光源（自身发光的物体）
热光源：热能激发的光。 冷光源：化学能、电能、光能激发的光
光源最基本的发光单元是分子或原子
1、普通光源的发光机制: 自发辐射
自发辐射跃迁
2．光在透明媒质界面发生反射、折射。
17世纪末，对光本质的探讨形成了两种学说：
微粒说：认为光是由光源发出的微粒流 （牛顿）。
波动说：认为光是由光源发出的在“以太” 中传播的 机械波，干涉、衍射现象的发现为波动学提供了有力的证 据（惠更斯）。
光的两种学说
牛顿的微粒说
光是由发光物体发出的遵循 力学规律的粒子流。
n
n水> n空气
x水 x空气
实验装置放入水中后条纹间距变小。
例1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可 辨的彩色光谱？
解: 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧
形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红 大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。 据前述内容有
xk红
x 。
d
杨氏双缝实验第一次测定了
波长这个重要的物理量。
③级次----中间条纹级次低。 白光照射时，出现彩色条纹
双缝干涉条纹
讨论 条纹间距 x D
d
1. 条纹间距与 的关系； d 、D 一定时，
若 变化，则 x 将怎样变化？
2. 、D 一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
2. 、D 一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
= (E2-E1)/h
E2
E1
完全一样(频率、位相、 振动方向,传播方向)
二、光的相干性
相干波条件：频率相同、振动方向相同、恒定的位相差
1、光的干涉现象
光波是电磁波，干涉现象是波动的特征之一，当满 足相干条件的两列波相遇时产生规则的明暗相间的条 纹的现象。
产生干涉现象的充要条件：
(1).两列光波振动频率相同； (2).振动方向相同； (3).位相相同or位相差恒定
粒子性
（爱因斯坦、康普 顿光子说）
波动性
（麦克斯韦、赫兹 光的电磁理论）
理论光学一般分为三个分支：
10.几何光学（ geometrical optics ）：以光的 直线传播为基础，研究成象原理及仪器的基本理论 ；
20.波动光学（ wave optics ）：以光的波动性 为基础，光的干涉、衍射、偏振现象为其主要研究 内容；
s1
d
s2
C
M2
D
三、 洛埃镜
P'
P
s1
d
s2
ML
D
接触处, 屏上L 点出现暗条纹
n1 n2 有半波损失 n1 n2 无半波损失
透射波没有半波损失
入射波 反射波
半波损失
n1 n2
透射波
半波损失
入射波
若 n1< n2
媒质1 光疏媒质 媒质2 光密媒质