中南大学大学物理课件第4章波动光学
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大学物理课件第四章振动与波动-PPT精选文档
x
A1 A2 - A2 -A1
x1
T
o
x2
t
x2比x1超前 / 2
x A cos( t )v A cos t 2 2 t a A cos
x
2A A
A -A - A - 2 A
x、 v 、a
a T t
o
>0 a<0 减速
<0 <0 加速
<0 >0 减速
>0 >0 加速
a、v、x 依次超前， x、v、a依次落后 a与 x 反相。
简谐振动
简谐振动的动力学方程 简谐振动的运动学方程 简谐振动的三个特征量 简谐振动的表示法 ①解析法 x A cos( t ) 已知表达式 A，T， 已知A，T， 表达式
4-3 阻尼振动、受迫振动和共振 *4-4 非线性振动 混沌 4-5 机械波的产生和传播 4-6 平面简谐波 4-7 声波、超声波和次声波 4-8 波的干涉和波的衍射 4-9 多普勒效应和超声波运动
4-1 简谐运动
简谐运动的基本特征 以弹簧振子为例 以弹簧原长为坐标原点，
kx k m
0
令
2
任何一个物理量，如果随时间的变化可用余弦或正 弦函数表示，则这种运动称为简谐振动。
简谐运动的三项基本特征：
F k x
d2 x 2 x0 2 dt
x A cos( t )
x A cos( t )
π dx A cos( t ) A s in t v 2 dt
x
A1
A2
x2
x1
同相
T t
A1 A2 - A2 -A1
x1
T
o
x2
t
x2比x1超前 / 2
x A cos( t )v A cos t 2 2 t a A cos
x
2A A
A -A - A - 2 A
x、 v 、a
a T t
o
>0 a<0 减速
<0 <0 加速
<0 >0 减速
>0 >0 加速
a、v、x 依次超前， x、v、a依次落后 a与 x 反相。
简谐振动
简谐振动的动力学方程 简谐振动的运动学方程 简谐振动的三个特征量 简谐振动的表示法 ①解析法 x A cos( t ) 已知表达式 A，T， 已知A，T， 表达式
4-3 阻尼振动、受迫振动和共振 *4-4 非线性振动 混沌 4-5 机械波的产生和传播 4-6 平面简谐波 4-7 声波、超声波和次声波 4-8 波的干涉和波的衍射 4-9 多普勒效应和超声波运动
4-1 简谐运动
简谐运动的基本特征 以弹簧振子为例 以弹簧原长为坐标原点，
kx k m
0
令
2
任何一个物理量，如果随时间的变化可用余弦或正 弦函数表示，则这种运动称为简谐振动。
简谐运动的三项基本特征：
F k x
d2 x 2 x0 2 dt
x A cos( t )
x A cos( t )
π dx A cos( t ) A s in t v 2 dt
x
A1
A2
x2
x1
同相
T t
大学物理波动光学一PPT课件
超快光谱技术
介绍超快光谱技术的原理、方法及应 用，如泵浦-探测技术、时间分辨光谱 技术等。
超短脉冲激光技术
详细介绍超短脉冲激光技术的原理、 实现方法及应用领域，如飞秒激光技 术、阿秒激光技术等。
未来光学技术挑战和机遇
光学技术的挑战
阐述当前光学技术面临 的挑战，如光学器件的 微型化、集成化、高性 能化等。
大学物理波动光学一 PPT课件
目录
• 波动光学基本概念与原理 • 干涉原理及应用 • 衍射原理及应用 • 偏振现象与物质性质研究 • 现代光学技术进展与挑战
01
波动光学基本概念与原理
光波性质及描述方法
光波是一种电磁波，具有波动性 质，可以用振幅、频率、波长等
物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快， 且在不同介质中传播速度不同。
01
02
03
04
摄影
利用偏振滤镜消除反射光和散 射光，提高照片清晰度和色彩
饱和度。
液晶显示
利用液晶分子的旋光性控制偏 振光的透射和反射，实现图像
显示。
光学仪器
如偏振光显微镜、偏振光谱仪 等，利用偏振光的特性进行物
质分析和检测。
其他领域
如生物医学、材料科学、环境 科学等，利用偏振光的特性进
行研究和应用。
01
牛顿环实验装置与步骤
介绍牛顿环实验的基本装置和操作步骤，包括凸透镜、平面镜、光源等
。
02
牛顿环测量光学表面反射相移
阐述如何通过牛顿环实验测量光学表面反射相移的原理和方法。
03
等厚干涉原理及应用
探讨等厚干涉的基本原理，以及其在光学测量和光学器件设计中的应用
。
多光束干涉及其应用
大学物理上-第7章-波动光学PPT课件
n 的介质中后，波长n , 光速为 v ,则有：
C 而n C
v n
v
n
n
结论：同一频率的光在不同介质中波长不相同。
在一条波线上，光在介质中前进L，相位改变为：
2 L 2 nL
n
15
2 L 2 nL
n
结论：同一频率的光在折射率为n的介质中通过L距离
时引起的相位改变和光在真空中通过nL距离时所引起
解：覆盖玻璃前 r2r10
d
覆盖玻璃后
S1
r 2 n 2 d d ( r 1 n 2 d d ) 5
n1 r1
O
(n2n1)d5
S2
n2 r2
d 5 8106m
n2 n1
20
3.透镜近轴光线的等光程性 透镜可以改变光线的传播方向，但是在光路中
放入薄透镜不会引起附加的光程差。
F F
的相位改变相同。
光程：光在介质中传播的波程与介质折射率的乘积。
nL
设光在折射率为n的介质中传播的路程为L，有：Lvt
n C 有： L c t , nLct
v
n
光程意义：光在介质中所通过的路程L就相当于在相同 的时间内光在真空中通过的路程=nL。
16
如果光线穿过多种介质时，其光程为：
n 1 r 1 n 2 r2 n n rn n ni ri i 1
xxk 1xk
D a
条纹特点：条纹明暗相间平行等距。
明 纹
4 3 2 1 0I 1 2 3 4
10
复色光源的干涉条纹 若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。
xk
kD
a
当用白光照射双缝时，由于波长不同，同一级明纹
的位置不同，
高中物理第4章光的波动性5光的折射课件选修34高二选修34物理课件_1
2.表面有油膜的透明玻璃片，当有阳光照射时，可在玻璃片表面和边缘分别看到彩 色图样，这两种现象
A.都是色散现象
√B.前者(qián zhě)是干涉现象，后者是色散现象 C.都是干涉现象 D.前者是色散现象，后者是干涉现象
解析 光在玻璃片表面的油膜上发生了薄膜干涉，光在玻璃片边缘发生了折
射，不同(bù tónɡ)颜色的光在玻璃中的折射率不同(bù tónɡ)，发生了色散.故选项B正
图3 (1)透明物质对于波长λ不同的光的折射率n不同，λ越小，n越大.
(2)在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不同，波长越短，波速越慢.
12/13/2021
第十四页，共三十一页。
三、测定(cèdìng)玻璃的折射率
实验原理
如图4所示，当光线AO以一定入射角i穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法 找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B，从而画出折射(zhéshè)光线OO′，量
5.本实验中如果采用的不是两面平行的玻璃砖，而是采用三棱镜、半圆形玻璃砖 等12，/13/2一021 样能测出折射率，只是出射光和入射光不再平行.
第十九页，共三十一页。
例2 用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜
的一侧插入两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察(guānchá)，调整视线使 P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住 P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针的位置和三棱镜轮廓如 图5所示. (1)在本题的图上画出所需的光路图.
次实验测得的 的平s均in值i ，这就是这块玻璃砖的折射率. sin r
12/13/2021
第十八页，共三十一页。
大学物理波动光学 PPT
n2 n1
i
例 13.10.波长550nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照 像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁 MgF2薄膜，已知氟化镁的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率 n=1.55. 求 氟化镁薄膜的最小厚度
解 两条反射光干涉减弱条件
2nd (2k 1) k 0,1,2,
d
10
(2) 双缝间距 d 为
d D 600 5.893104 5.4mm
x
0.065
例 13.3.用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d，缝面 与屏距离为 D
求 能观察到的清晰可见光谱的级次 解 在400 ~ 760 nm 范围内，明纹条件为
xd k
D
最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光
2
增透膜的最小厚度
d 550 100nm
d
4n 4 1.38
r1 r 2
n 1.00 n 1.38 n 1.55
说明 增反膜
薄膜光学厚度（nd）仍可以为 / 4 但膜层折射率 n 比玻璃的折射率大
§13.6 迈克耳逊干涉仪
一. 干涉仪结构
二. 工作原理
d
光束 1 和 2 发生干涉
光程 x 0r nr
u c 0 n n
真空中 光波长
光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在 介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程
多种介质
光程 niri
i
n1 n2
… …
ni
由光程差计算 相位差
r1 r2
ri
[n(r2 d) nd] nr1
高中物理课件 第四章光的波动性 4.5 光的折射
射向界面后发生反射和折射的光线，以下说法正确的是( ) A.bO 可能是入射光线
B.aO 可能是入射光线
C.cO 可能是入射光线
D.Ob 可能是反射光线 E.PQ 可能是法线
图 4-5-2
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【解析】 由于反射角等于入射角，入射光线与反射光线关于法线对称， 所以 aO、Ob 应是入射光线或反射光线，PQ 是法线.又因为反射光线、折射光线 都不与入射光线位于法线同侧，所以 aO 是入射光线，Ob 是反射光线，Oc 是折 射光线.
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【解析】 发生反射时，光的传播方向一定发生改变，且可以改变 90°，A 错，B、C 对；发生折射时，一定伴随着反射现象，但有反射现象，不一定有折 射现象，D 对，E 错.
【答案】 BCDBiblioteka 上一页返回首页下一页
2.如图 4-5-2 所示，虚线表示两种介质的界面及其法线，实线表示一条光线
A.此介质折射率为
3 3
B.此介质折射率为 3
C.光在介质中速度比在空气中小
D.光在介质中速度比在空气中大
图 4-5-4
E.当入射角增大时，折射角也增大，但折射率不变
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【解析】 由折射定律 n＝ssiinn θθ21＝ 3，A 错误，B 正确；又由 n＝vc知光在 介质中速度比在空气中小，C 正确，D 错误.根据折射率的物理意义，E 正确.
知
知
识
识
点
点
一
三
4.5 光的折射
学
知
业
识
分
点
层
二
测
评
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4波动光学04
δ = AC + CB = 2d sin θ
θ
θ
oθ
B
C
相邻两个晶面反射的两 X射线干涉加强的条件 射线干涉加强的条件 射线干涉 布拉格公式
d
A
2d sinθ = kλ k = 0 ,1, 2 , L
哈尔滨工程大学理学院
衍射光栅 晶体衍射 布拉格公式
第4章 波动光学 章
2d sinθ = kλ k = 0 ,1, 2 , L
θ1 ≈ sin θ1 = 0.610
式中
λ
R
θ 即： 1 =1 . 22
λ
D
为圆孔的直径。 D = 2R 为圆孔的直径。若 f 为透镜 L2 的焦距，则爱里斑的半径为： r =θ0 f =1.22λf / D 的焦距，则爱里斑的半径为： 0 可见： 越小 衍射现象越明显。 越小， 可见：D越小，衍射现象越明显。当D>>λ 时， ϕ 趋于零，无衍射现象。 趋于零，无衍射现象。
I0 2 I 2 = I1 cos α = cos α 2
2
衍射光栅 晶体衍射
第4章 波动光学 章
I0
p1
I1
p2
I2
p3
I3
p1
α
p2
哈尔滨工程大学理学院
衍射光栅 晶体衍射
第4章 波动光学 章
由微分式∆ ∆ λ 看出，缝越窄（ 越小）， 由微分式∆x=∆k·λf / a 看出，缝越窄（a 越小）， 条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之， 条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之，条纹向中 央靠拢。 央靠拢。 当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹， 当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹，这 就是透镜所形成线光源的像 显示了光的直线传播。 就是透镜所形成线光源的像，显示了光的直线传播。 几何光学是波动光学在 a >> λ 时的极 限情况。 限情况。 当 a ≈λ 或
物理光学第四章
06:10
4 / 88
➢最早利用波动原理解释衍射现象的是菲涅尔。 ➢本章采用基尔霍夫（G. Kirchhoff）的标量衍 射理论。 ➢衍射现象分为两类： （1）菲涅尔衍射，观察屏距衍射屏不太远； （2）夫琅禾费（J. Fraunhofer）衍射，观察屏 和光源距离衍射屏无限远。
06:10
4-1 基尔霍夫衍射理论(5.1, 5.2) 5/88
4-1
7 / 88
➢ 菲涅尔假设：K()，K( >=90°)=0，故只有面上 的点对P有贡献
➢ 所有面上的点对P点的贡献和：
E~(
P)
CE~Q
exp( ikr) r
K
(
)d
—惠更斯-菲涅尔原理的数学表达
波前可以是任意曲面，此时
E~( P )
C
E~Q
exp( ikr) r
K (
)d
—惠更斯-菲涅尔原理的推广
用5.19式计算衍射，不易求出积分， 因此在实际的问题中，需要近似处理。
傍轴近似以简化衍射公式： •(1)取cos(n,r)=cos1， K()=(1+cos)/2 1
•(2)球面波幅度因子1/r 1/z1
•(3)相位因子须更高阶近似
y1
x1
r
z Q
y x
P
06:10
4-3
做出(1)(2)两个近似后，
06:10
4-1
9 / 88
考察平面屏上一透光孔径Σ
S 单色点光源
Q
P 所考察场点
数学依据：任一点光场P点的扰动可 由包围该点的闭曲面上各点的场值及 其梯度值表示出来（叠加积分）.
作闭曲面 ' 1 2
两个假定----基尔霍夫边界条件 1. 开孔（Σ）处光场及其梯度值与无屏时相同——忽略了屏对场的影响; 2. 紧贴屏（Σ1）后无扰动，光场及梯度值均为0——忽略了场在屏后的扩展. 屏对场的影响只发生在孔径边缘波长量级的极小范围，
4 / 88
➢最早利用波动原理解释衍射现象的是菲涅尔。 ➢本章采用基尔霍夫（G. Kirchhoff）的标量衍 射理论。 ➢衍射现象分为两类： （1）菲涅尔衍射，观察屏距衍射屏不太远； （2）夫琅禾费（J. Fraunhofer）衍射，观察屏 和光源距离衍射屏无限远。
06:10
4-1 基尔霍夫衍射理论(5.1, 5.2) 5/88
4-1
7 / 88
➢ 菲涅尔假设：K()，K( >=90°)=0，故只有面上 的点对P有贡献
➢ 所有面上的点对P点的贡献和：
E~(
P)
CE~Q
exp( ikr) r
K
(
)d
—惠更斯-菲涅尔原理的数学表达
波前可以是任意曲面，此时
E~( P )
C
E~Q
exp( ikr) r
K (
)d
—惠更斯-菲涅尔原理的推广
用5.19式计算衍射，不易求出积分， 因此在实际的问题中，需要近似处理。
傍轴近似以简化衍射公式： •(1)取cos(n,r)=cos1， K()=(1+cos)/2 1
•(2)球面波幅度因子1/r 1/z1
•(3)相位因子须更高阶近似
y1
x1
r
z Q
y x
P
06:10
4-3
做出(1)(2)两个近似后，
06:10
4-1
9 / 88
考察平面屏上一透光孔径Σ
S 单色点光源
Q
P 所考察场点
数学依据：任一点光场P点的扰动可 由包围该点的闭曲面上各点的场值及 其梯度值表示出来（叠加积分）.
作闭曲面 ' 1 2
两个假定----基尔霍夫边界条件 1. 开孔（Σ）处光场及其梯度值与无屏时相同——忽略了屏对场的影响; 2. 紧贴屏（Σ1）后无扰动，光场及梯度值均为0——忽略了场在屏后的扩展. 屏对场的影响只发生在孔径边缘波长量级的极小范围，
大学物理教程课件讲义 波动光学
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大学物理教程
图6.19 用等厚干涉条纹进行精密测量
6.3 分振幅法干涉
2.牛顿环
1 R较大的平凸透
6.20（a）和图6.20（c）所示，在玻璃片和凸透 镜之间形成一厚度不等的空气薄膜，称为牛顿环薄膜。
6.3 分振幅法干涉
图6.20 牛顿环装置及干涉条纹
6.3 分振幅法干涉
6.3 分振幅法干涉
检验透镜的质量。如图6.21所 示，可检验球面光学元件(如透镜) 的加工质量.图6.21（a）中出现同 心圆形等厚干涉条纹，表明待检验 表面是球面，但球面的半径偏离设 计要求。干涉条纹数目越多偏离程 度越大。图6.21(b)中出现干涉条纹 是椭圆形，表明待检验表面不是严 格的球面，而且，球面半径也与模 块不符。
6.1 光的相干性
图6.1 光波波列
6.1 光的相干性
6.1.3 光的干涉
1.不相干叠加
由于普通光源的原子或分子发光的间歇性和随机性， 在观察时间内，振动时断时续以致它们的初相位各自独立 地做不规则的改变，概率均等地在观察时间内多次历经从 0到2π间的一切可能值。
6.1 光的相干性
2.相干叠加
6.2 分波面法干涉
图6.11 菲涅耳双镜
6.2 分波面法干涉
6.2.3 洛埃镜
如图6.12所示，洛埃做了一种实验装置很简单的双波干涉 实验。S1是一狭缝光源，一部分光线直接射到屏幕上，另一部 分光线几乎与镜面平行地(入射角接近于垂直)掠射到平面镜ML 上，然后再反射到屏幕E上，反射光就好像从S1的虚像S2发出的 一样，S1和S2形成一对相干光源，在屏幕上出现了明暗相间的 条纹。
大学物理波动光学 ppt课件
一. 杨氏实验（分波阵面法）
• 实验现象
s1
S
s2
明条纹位置 明条纹位置 明条纹位置
• 理论分析
r2 r1
d D , x D
很小
r2
r1
d
sin
dtg
d
x D
r2
r1
xd D
S1 • d
S2 •
r1 r2
D
x
• P(x) x
O
2 /
2 /
xd / D
x（条纹中心坐标）
ni
由光程差计算 相位差
r1 r2
ri
[n(r2 d) nd] nr1
S1
光程差
r1
n
2 0
真空中 光波长
S2 r2
n
d
•P
2
n(r2
d)
nd
nr1
光程1
物象之间等光程原理 S •
光程2 • S
结论：透镜不造成附加光程差
光程3
光程1=光程2=光程3
例 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条
传播的路程应为
x ct cr nr u
改变相同相位的条件下
2πr 2πx 0
光程 x 0r nr
u c 0 n n
真空中 光波长
光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在 介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程
多种介质
光程 niri
i
n1 n2
… …
S2 •
O
N
（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）
• 计算方法同双缝实验，但仅在直射光和反射光相遇区域 出现干涉条纹.
• 实验现象
s1
S
s2
明条纹位置 明条纹位置 明条纹位置
• 理论分析
r2 r1
d D , x D
很小
r2
r1
d
sin
dtg
d
x D
r2
r1
xd D
S1 • d
S2 •
r1 r2
D
x
• P(x) x
O
2 /
2 /
xd / D
x（条纹中心坐标）
ni
由光程差计算 相位差
r1 r2
ri
[n(r2 d) nd] nr1
S1
光程差
r1
n
2 0
真空中 光波长
S2 r2
n
d
•P
2
n(r2
d)
nd
nr1
光程1
物象之间等光程原理 S •
光程2 • S
结论：透镜不造成附加光程差
光程3
光程1=光程2=光程3
例 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条
传播的路程应为
x ct cr nr u
改变相同相位的条件下
2πr 2πx 0
光程 x 0r nr
u c 0 n n
真空中 光波长
光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在 介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程
多种介质
光程 niri
i
n1 n2
… …
S2 •
O
N
（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）
• 计算方法同双缝实验，但仅在直射光和反射光相遇区域 出现干涉条纹.