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          光的干涉|托馬斯楊雙縫干涉實驗

          王尚老師微信

          光的干涉原理

          光的干涉原理就是波的干涉原理,因為光也是波,是電磁波。

          在機械振動與機械波中,我們提到了波的干涉:滿足一定條件的兩列相干波相遇疊加,在疊加區域某些點的振動始終加強,某些點的振動始終減弱,即在干涉區域內振動強度有穩定的空間分布。

          機械波的干涉原理及水紋波干涉圖樣

          波的干涉,實際上與波的疊加原理是一致的,只不過波的干涉更加特殊,必須滿足相應的條件。而且我們考慮波的干涉時并不是單獨一個波形的疊加,而是空間內眾多波形的疊加情況。具體如下圖所示。

          水紋波干涉圖樣

          光的干涉

          光的衍射類似,光的干涉現象是波動獨有的特征。

          光是一種波,就必然會觀察到光的干涉現象。1801年,英國物理學家托馬斯·楊(1773—1829)在實驗室里成功地觀察到了光的干涉。

          只有兩列光波的頻率相同,相位差恒定,振動方向一致的相干光源,才能產生光的干涉。由兩個普通獨立光源發出的光,不可能具有相同的頻率,更不可能存在固定的相差,因此,不能產生干涉現象。

          下圖為學生實驗光的雙縫干涉原理示意圖。

          雙縫干涉示意圖

          托馬斯楊雙縫干涉實驗

          1807年,托馬斯·楊總結出版了他的《自然哲學講義》,里面綜合整理了他在光學方面的工作,并在里面第一次描述了雙縫實驗:把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面,這樣就形成了一個點光源(從一個點發出的光源)。

          現在在紙后面再放一張紙,不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上,就會形成一系列明、暗交替的條紋,這就是現在眾人皆知的雙縫干涉條紋。

          托馬斯楊的雙縫干涉實驗

          托馬斯·楊描述了雙縫干涉實驗,后來的歷史證明,這個實驗完全可以躋身于物理學史上最經典的前五個實驗之列。但是他認為光是在以太媒質中傳播的縱波。這與光的偏振現象產生了矛盾,然而楊并未放棄光的波動說。

          楊的著作點燃了革命的導火索,光的波動說在經過了百年的沉寂之后,終于又回到了歷史舞臺上來。

          但是它當時的日子并不好過,在微粒說仍然一統天下的年代,楊的論文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺,被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”。在近20年間竟然無人問津,楊為了反駁專門撰寫了論文,但是卻無處發表,只好印成小冊子。但是據說發行后“只賣出了一本”。

          1818年菲涅耳在巴黎科學院舉行的一次以解釋衍射現象為內容的科學競賽中以光的干涉原理補充了惠更斯原理,提出了惠更斯-菲涅耳原理,完善了光的衍射理論并獲得優勝。

          早于1817年在面對波動說與光的偏振現象的矛盾時,楊覺察到如果光是橫波或許問題可以得到解決,并把這一想法寫信告訴了阿拉果,阿拉果立即把這一思想轉告給了菲涅耳。

          于是當時已獨自領悟到這一點的菲涅耳立即用這一假設解釋了偏振現象,證明了光的橫波特性,使得光的波動說進入一個新的時期。

          利用雙縫干涉實驗測量單色光的波長

          見下述鏈接:

          http://www.ademyakup.com/zongjie/kaodian/437805.html

          光的干涉案例:肥皂泡干涉

          光的干涉之肥皂泡干涉

          如下圖所示,光經薄膜上表面反射后得第一束光,折射光經薄膜下表面反射,又經上表面折射后得第二束光,這兩束光在薄膜的同側,由同一入射振動分出,是相干光,便發生光的干涉。

          與上述托馬斯楊的雙縫干涉實驗是非常類似的。

          由于白光是由紅橙黃綠藍靛紫七種光組成的,光的波長不同,因此我們能夠看到吹起的肥皂泡上五顏六色的花紋。

          光的干涉案例:檢驗平面的平整度

          當不同傾角的光入射到折射率均勻,上、下表面平行的薄膜上時,同一傾角的光經上、下表面反射(或折射)后相遇形成同一條干涉條紋,不同的干涉明紋或片間的空氣層就形成非常薄的空氣薄膜。

          光的干涉應用:平整度檢測

          用單色光作為光源,就可以觀察到明顯的單色光干涉現象,具體如下圖所示。我們可以借助該實驗來檢測桌面的平整度。當桌面不平整時,便出現如下圖所示的圖樣。

          光的干涉的案例不好用文字表達,建議同學們看物理自診斷的視頻講解。王尚老師新書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高。歡迎微信teacherws咨詢。

          光的干涉之平整度檢測

          光的干涉案例:牛頓環

          牛頓環,又稱“牛頓圈”。在光學上,牛頓環是一個薄膜干涉現象。光的一種干涉圖樣,是一些明暗相間的同心圓環。

          光的干涉之牛頓環

          牛頓環實驗是這樣的:如下圖所示取來兩塊玻璃體,一塊是14英尺望遠鏡用的平凸鏡,另一塊是50英尺左右望遠鏡用的大型雙凸透鏡。

          在雙凸透鏡上放上平凸鏡,使其平面向下,當把玻璃體互相壓緊時,就會在圍繞著接觸點的周圍出現各種顏色,形成色環。

          光的干涉典型應用之牛頓環

          物理學家牛頓測量了六個環的半徑(在其最亮的部分測量),發現這樣一個規律:亮環半徑的平方值是一個由奇數所構成的算術級數,即1、3、5、7、9、11,而暗環半徑的平方值是由偶數構成的算術級數,即2、4、6、8、10、12。例凸透鏡與平板玻璃在接觸點附近的橫斷面,水平軸畫出了用整數平方根標的距離:√1=1√2=1.41,√3=1.73,√4=2,√5=2.24等等。在這些距離處,牛頓觀察到交替出現的光的極大值和極小值。從圖中看到,兩玻璃之間的垂直距離是按簡單的算術級數,1、2、3、4、5、6……增大的。

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