大学物理_物理光学

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1、以光线为基础，研究光的以光线为基础，研究光的传播和成像规律，不涉及传播和成像规律，不涉及光的本性。光的本性。从波动角度研究光从波动角度研究光的各种现象。的各种现象。从粒子角度研究光从粒子角度研究光的各种现象。的各种现象。光是一种电磁波光是一种电磁波)(cos0urtEE)(cos0urtHH平面电磁波方程平面电磁波方程001c 真空中的光速真空中的光速可见光的范围可见光的范围Hz103 . 4105 . 7:nm760400:1414 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量, 它在引起人眼视它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用觉和底片感光上起主要作用 .E5.1 光度学基础光度学基

2、础u光度学是一门研究光强弱的学科u辐射通量辐射通量 定义：单位时间内，光波通过面积为dS截面的能量。单位：瓦不同颜色的光，在辐射通量相同的情况下使人眼感到的明亮程度不同。u视见函数视见函数实验表明，较明亮条件下，人眼对波长为555nm的绿光最为敏感定义： 在亮暗感觉相同的条件下，波长555nm的光功率和某波长的光功率之比 (555)( )(Vu光通量光通量考虑人眼的视觉因素，将视见函数作为权重引入辐射通量，描述视觉感受到的光功率的量基于上述考虑，光通量和入射光的辐射通量和视见函数的乘积成正比 R为光功当量，R=683lm/W单位： 流明（lm） 1W555nm波长的光的光通量为683lm。(

3、)( )FRVu发光强度发光强度定义：点光源在某方向立体角d内的光通量是 dF，则在该方向上的发光强度为单位： 坎德拉（cd） 1cd=1lm/sr/IdF du照度照度一个被光照射的面，其照明情况可用照度描述定义： 如在面元dS上接受到的光通量为dF,则此面元上的照度为单位：勒克斯（lx） 1lx=1lm/m2/EdF dSu前面我们引入了多个单位：流明，坎德拉和勒克斯，在实际应用中，需选定其中一个作为基本单位，其他作为导出单位u在光度学中选定发光强度的单位坎德拉坎德拉作为基本单位。1979年国际计量大会规定：坎坎德拉是发出德拉是发出540 1012Hz频率的单色光源在频率的单色光源在给定方

4、向上的发光强度，在该方向上的辐射给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为（强度为（1/683）W/sru坎德拉坎德拉是国际单位制中七个标准单位之一-长度长度-米米-温度温度-开尔文开尔文-时间时间-秒秒-质量质量-千克千克-电流电流-安培安培-物质的量物质的量-摩尔摩尔-发光强度发光强度-坎德拉坎德拉丰富多彩的干涉现象丰富多彩的干涉现象水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜5.2 5.2 光的干涉光的干涉蝉翅在阳光下蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗?1 1、光的相干性、光的相干性一、光波的干涉条件一、光波的干涉条件:

5、 :振动方向相同，频率相同，位相差恒定振动方向相同，频率相同，位相差恒定相干条件相干条件两列波必须：两列波必须：相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉振动方向相同，频率相同，位相差振动方向相同，频率相同，位相差2k2k振动方向相同，频率相同，位相差振动方向相同，频率相同，位相差(2k+1)(2k+1)二、相长相消的判据二、相长相消的判据据波的相位传播公式据波的相位传播公式02txkxxkxxk12122)22（即两列波相遇)21() 12()2) 12(1212kxxkxxk（即两列波相遇相长相长相消相消两个相同相位出发的两个相同相位出发的两列波两列波x1x2三、光程三、光程光在介质中的速度光在介质

6、中的速度光在真空中的速度光在真空中的速度ncu1uc真空中的波长真空中的波长介质的折射率介质的折射率n 介质中的波长介质中的波长 12rrr 相位差相位差 21122()2()rrttTT11222()rr1 12 22()n rn r 物理意义物理意义：光在媒质中通过的几何路程光在媒质中通过的几何路程r r 相当于真空中的路程相当于真空中的路程nrnr. .这样就可以将不同媒这样就可以将不同媒质中光的传播都折算为在真空中的传播。质中光的传播都折算为在真空中的传播。rnrn 介质中的波长介质中的波长1) 光程光程: 媒质折射率与光的几何路程之积媒质折射率与光的几何路程之积 =nr*1sP1r*

7、2s2r2n1n2）光程差）光程差 (两光程之差两光程之差)1122rnrn光程差光程差,2, 1 ,0,kk,2, 1 ,02,kk 干涉干涉加强加强2相位差相位差 干涉干涉减弱减弱, 2 , 1 , 0,2) 12(kk,2, 1 ,0, )12(kk*1sP1r*2s2r2n1nFABo透镜对光程的影响透镜对光程的影响FAB焦平面焦平面（透镜只改变光路，不引起附加的光程差透镜只改变光路，不引起附加的光程差）四、普通光源的发光特点四、普通光源的发光特点一个原子两次发光随机一个原子两次发光随机不相干不相干两个原子同时发光两个原子同时发光也不相干也不相干 随机随机 间歇间歇大量原子随机发光，彼

8、此不满足相干条件大量原子随机发光，彼此不满足相干条件从普通光源中获得相干光的原则：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从一个原子一次发光中获得基本方法基本方法先分光先分光 然后再相遇然后再相遇分波面法分波面法 分振幅法分振幅法五、利用普通光源获得相干光的方法五、利用普通光源获得相干光的方法 分波面法：分波面法：从一次发光的波面上取出两从一次发光的波面上取出两部分部分再相遇再相遇S21SS21SS 、满足相干条件满足相干条件相相遇遇区区分束装置分束装置 分振幅法：分振幅法：一支光线中分出两部分一支光线中分出两部分再相遇再相遇薄膜薄膜上表面上表面下表面下表面12分束分束相遇相遇

9、光的干涉光的干涉分波阵面干涉分波阵面干涉 分振幅干涉分振幅干涉（薄膜干涉）（薄膜干涉）杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉劳埃德镜劳埃德镜菲涅耳双镜菲涅耳双镜等倾干涉等倾干涉等厚干涉等厚干涉牛顿环牛顿环劈劈 尖尖迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪托马斯杨(1773-1829)托马斯杨像 两岁认字，四岁能读圣经，23岁获医学学位。因牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了上风，波动说几乎销声匿迹。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的看到他也会弄错，而

10、他的权威也许有时甚至阻碍了权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。科学的进步。”Dxd 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验sin12drrr波程差波程差sintan/x Dp1s2ssxooB实实 验验 装装 置置d1r2rdd drD D Dxdr2) 12(k 减弱减弱k加强加强,2, 1 ,0k2) 12(kdD暗纹暗纹dDkx明纹明纹,2, 1 ,0kp1s2ssxooBd1r2rdrD 讨论讨论) 1(k条纹间距条纹间距 dDx明暗明暗条纹的位置条纹的位置1）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？xDd、 一定时，一定时， 2) 12(kd

11、D暗纹暗纹dDkx明纹明纹,2, 1 ,0k 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？Dd、x1）2） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片双缝干涉光强分布双缝干涉光强分布)cos(2122010220210EEEEE)cos(2122121IIIII合光强合光强干涉项干涉项若若021IIIr212其中其中)(cos420rIIkrI,402) 12(,0kr则则)(cos420rIIkrI,402) 12(,0krr234523