波動(dòng)光學(xué)

光的波動(dòng)性

光的干涉

光的干涉的條件:是有兩個(gè)振動(dòng)情況總是相同的波源，即相干波源.(相干波源的頻率必須相同).

形成相干波源的方法有兩種:

⑴利用激光(因?yàn)榧す獍l(fā)出的是單色性極好的光)。

⑵設(shè)法將同一束光分為兩束(這樣兩束光都來(lái)源于同一個(gè)光源，因此頻率必然相等)。

⑶楊氏雙縫實(shí)驗(yàn):

亮紋:屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即δ= nλ(n=0,1,2，……)

暗紋:屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，即δ=(2n-1)λ/2(n=0,1,2，……)

相鄰亮紋(暗紋)間的距離，用此公式可以測(cè)定單色光的波長(zhǎng)。用白光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于白光內(nèi)各種色光的波長(zhǎng)不同，干涉條紋間距不同，所以屏的中央是白色亮紋，兩邊出現(xiàn)彩色條紋。

⑷薄膜干涉:

應(yīng)用:

使被檢測(cè)平面和標(biāo)準(zhǔn)樣板間形成空氣薄層，用單色光照射，入射光在空氣薄層上下表面反射出兩列光波，在空間疊加.干涉條紋均勻:表面光滑;不均勻:被檢測(cè)平面不光滑。

增透膜:鏡片表面涂上的透明薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長(zhǎng)的，在薄膜的兩個(gè)表面上反射的光，其光程差恰好等于半個(gè)波長(zhǎng)，相互抵消，達(dá)到減少反射光增大透射光強(qiáng)度的作用。

其他現(xiàn)象:陽(yáng)光下肥皂泡所呈現(xiàn)的顏色。

例1. 用綠光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在光屏上呈現(xiàn)出綠，暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為Δx。下列說(shuō)法中正確的有

A.如果增大單縫到雙縫間的距離，Δx 將增大。

B.如果增大雙縫之間的距離，Δx 將增大。

C.如果增大雙縫到光屏之間的距離，Δx將增大。

D.如果減小雙縫的每條縫的寬度，而不改變雙縫間的距離，Δx將增大。

解:公式中l(wèi)表示雙縫到屏的距離，d表示雙縫之間的距離.因此Δx與單縫到雙縫間的距離無(wú)關(guān)，于縫本身的寬度也無(wú)關(guān)。本題選C。

例2. 登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過(guò)度照射，尤其是眼睛更不能長(zhǎng)時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞視力。有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)眼睛的傷害的眼鏡。他選用的薄膜材料的折射率為n=1.5，所要消除的紫外線的頻率為8.1×1014Hz，那么它設(shè)計(jì)的這種"增反膜"的厚度至少是多少?

解:為了減少進(jìn)入眼睛的紫外線，應(yīng)該使入射光分別從該膜的前后兩個(gè)表面反射形成的光疊加后加強(qiáng)，因此光程差應(yīng)該是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，因此膜的厚度至少是紫外線在膜中波長(zhǎng)的1/2.紫外線在真空中的波長(zhǎng)是λ=c/ν=3.7×10-7m，在膜中的波長(zhǎng)是λ/=λ/n=2.47×10 -7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。

光的衍射

注意關(guān)于衍射的表述一定要準(zhǔn)確。(區(qū)分能否發(fā)生衍射和能否發(fā)生明顯衍射)

⑴各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射。

⑵發(fā)生明顯衍射的條件是:障礙物(或孔)的尺寸可以跟波長(zhǎng)相比,甚至比波長(zhǎng)還小。

⑶衍射現(xiàn)象:明暗相間的條紋或彩色條紋。

(與干涉條紋相比，中央亮條紋寬兩邊窄，是不均勻的.若為白光，存在一條白色中央亮條紋)

例3. 平行光通過(guò)小孔得到的衍射圖樣和泊松亮斑比較，下列說(shuō)法中正確的有:

A.在衍射圖樣的中心都是亮斑。

B.泊松亮斑中心亮點(diǎn)周?chē)陌淡h(huán)較寬。

C.小孔衍射的衍射圖樣的中心是暗斑，泊松亮斑圖樣的中心是亮斑。

D.小孔衍射的衍射圖樣中亮，暗條紋間的間距是均勻的，泊松亮斑圖樣中亮，暗條紋間的間距是不均勻的。

解:從課本上的圖片可以看出:A,B選項(xiàng)是正確的，C,D選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。

光譜

光譜分析可用原子光譜，也可用吸收光譜。太陽(yáng)光譜是吸收光譜，由太陽(yáng)光譜的暗線可查知太陽(yáng)大氣的組成元素。

光的電磁說(shuō)

⑴麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波--這就是光的電磁說(shuō)，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁說(shuō)的正確性。

⑵電磁波譜.波長(zhǎng)從大到小排列順序?yàn)?無(wú)線電波，紅外線，可見(jiàn)光，紫外線，X射線，γ射線.各種電磁波中，除可見(jiàn)光以外，相鄰兩個(gè)波段間都有重疊。

各種電磁波的產(chǎn)生機(jī)理分別是:無(wú)線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的;紅外線，可見(jiàn)光，紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的;倫琴射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的;γ射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。

⑶紅外線，紫外線，X射線的主要性質(zhì)及其應(yīng)用舉例。

種類

產(chǎn)生

主要性質(zhì)

應(yīng)用舉例

紅外線

一切物體都能發(fā)出

熱效應(yīng)

遙感，遙控，加熱

紫外線

一切高溫物體能發(fā)出

化學(xué)效應(yīng)

熒光，殺菌

X射線

陰極射線射到固體表面

穿透能力強(qiáng)

人體透視，金屬探傷

例4 為了轉(zhuǎn)播火箭發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)況，在發(fā)射場(chǎng)建立了發(fā)射臺(tái)，用于發(fā)射廣播電臺(tái)和電視臺(tái)兩種信號(hào)。其中廣播電臺(tái)用的電磁波波長(zhǎng)為550m，電視臺(tái)用的電磁波波長(zhǎng)為 0.566m。為了不讓發(fā)射場(chǎng)附近的小山擋住信號(hào)，需要在小山頂上建了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)站，用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)_____信號(hào)，這是因?yàn)樵撔盘?hào)的波長(zhǎng)太______，不易發(fā)生明顯衍射。

解:電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易發(fā)生明顯衍射，波長(zhǎng)越短衍射越不明顯，表現(xiàn)出直線傳播性.這時(shí)就需要在山頂建轉(zhuǎn)發(fā)站.因此本題的轉(zhuǎn)發(fā)站一定是轉(zhuǎn)發(fā)電視信號(hào)的，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)太短。

例5. 右圖是倫琴射線管的結(jié)構(gòu)示意圖.電源E給燈絲K加熱，從而發(fā)射出熱電子，熱電子在K,A間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下高速向?qū)﹃帢OA飛去。電子流打到A極表面，激發(fā)出高頻電磁波，這就是X射線。下列說(shuō)法中正確的有:

A.P,Q間應(yīng)接高壓直流電，且Q接正極。

B.P,Q間應(yīng)接高壓交流電。

C.K,A間是高速電子流即陰極射線，從A發(fā)出的是X射線即一種高頻電磁波。

D.從A發(fā)出的X射線的頻率和P,Q間的交流電的頻率相同。

解:K,A間的電場(chǎng)方向應(yīng)該始終是向左的，所以P,Q間應(yīng)接高壓直流電，且Q接正極。從A發(fā)出的是X射線，其頻率由光子能量大小決定。若P,Q間電壓為U，則X射線的頻率最高可達(dá)Ue/h。本題選AC。

5、光的波動(dòng)理論的建立

1850年，傅科用實(shí)驗(yàn)測(cè)出光在水中速度比空氣中小，表明光波與聲波的不同。1865年，麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言了電磁波。進(jìn)而指出光波是一種電磁波，即提出光的電磁說(shuō)。1888年，赫茲在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了電磁波的存在。之后，又進(jìn)一步證明電磁波跟光波一樣能發(fā)生放射、折射、干涉、折射和偏振現(xiàn)象;光波和電磁波在真空中可以傳播，且傳播速度相等為c=3×108m/s。以上諸多相同并非巧合、偶然，而是光波就是電磁波的緣故，又一次證明了偶然中存在必然!光的波動(dòng)理論的建立，澄清了光波的性質(zhì)。光波不是惠更斯時(shí)代提出的宏觀波-----機(jī)械波。從此，光的波動(dòng)性得以公認(rèn)，并得到了迅猛地發(fā)展。

光的粒子性

光電效應(yīng)

⑴在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。(右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版，有電子從鋅版表面飛出，使原來(lái)不帶電的驗(yàn)電器帶正電。)

E=hν

⑵愛(ài)因斯坦的光子說(shuō):光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量E跟光的頻率ν成正比:E=hν

光電效應(yīng)的規(guī)律

⑶光電效應(yīng)的規(guī)律:

各種金屬都存在極限頻率ν0，只有ν≥ν0才能發(fā)生光電效應(yīng);

瞬時(shí)性(光電子的產(chǎn)生不超過(guò)10-9s)。

③光子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的的頻率的增大而增大;

④當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。

⑷愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程:Ek= hν - W(Ek是光電子的最大初動(dòng)能;W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。)

例6

. 對(duì)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EK= hν-W，下面的理解正確的有:

A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會(huì)具有同樣的初動(dòng)能EK。

B.式中的W表示每個(gè)光電子從金屬中飛出過(guò)程中克服金屬中正電荷引力所做的功。

C.逸出功W和極限頻率ν0之間應(yīng)滿足關(guān)系式W= hν0。

D.光電子的最大初動(dòng)能和入射光的頻率成正比。

解:愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EK= hν-W中的W表示從金屬表面直接中逸出的光電子克服金屬中正電荷引力做的功，因此是所有逸出的光電子中克服引力做功的最小值。對(duì)應(yīng)的光電子的初動(dòng)能是所有光電子中最大的。其它光電子的初動(dòng)能都小于這個(gè)值。若入射光的頻率恰好是極限頻率，即剛好能有光電子逸出，可理解為逸出的光電子的最大初動(dòng)能是0，因此有W= hν0.由EK= hν-W可知EK和ν之間是一次函數(shù)關(guān)系，但不是成正比關(guān)系.本題應(yīng)選C。

光的波粒二象性

干涉，衍射和偏振以無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種波;光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子;因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為:光具有波粒二象性。

正確理解波粒二象性

波粒二象性中所說(shuō)的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義.波粒二象性中所說(shuō)的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量.

特性

⑴個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性;大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。

⑵ν高的光子容易表現(xiàn)出粒子性;ν低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性。

⑶光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性;在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。

⑷由光子的能量E=hν，光子的動(dòng)量表示式也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾:表示粒子性的粒子能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量--頻率ν和波長(zhǎng)λ。

用來(lái)衡量資產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的常用方法是波動(dòng)性。

抵御風(fēng)險(xiǎn)的保險(xiǎn)費(fèi)用直接依賴于波動(dòng)性。

使用波動(dòng)性來(lái)衡量風(fēng)險(xiǎn)與保險(xiǎn)費(fèi)用是類似的。

波動(dòng)性與持有股票可能的回報(bào)率區(qū)間及其發(fā)生的概率相關(guān)。一種股票的波動(dòng)性越大，其可能產(chǎn)生結(jié)果的區(qū)間范圍越大，收益在區(qū)間邊緣的概率也越大。