1、11. 6 光的波动性,历史回顾,光的衍射,光的偏振,光的干涉,世界上如果没有光就会变成一片黑暗，但是光究竟是什么呢?人类对光的本性的认识,经历了漫长而曲折的道路，到了17世纪，基本上形成了两种学说：一种以牛顿为代表的微粒说，另一种是以惠更斯为代表的波动说。,与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯首先提出光的波动说。当时牛顿反对光的波动说，主要是因为当时光的波动说还不能很好解释光的直线传播这一基本事实，也不能解释光的偏振现象。直到1801年，英国物理学家托马斯杨进行了著名的杨氏干涉实验，1815年法国物理学家菲涅耳进行的“菲涅耳双镜”实验，才令人信服地证明了光具有波动性。,历史回顾,一、光的干涉,1
2、. 杨氏干涉,波源S 发出球面波, 同时到达S1 和S2 这两个狭缝，S1 和S2 可视为相干波源,相干波源发出的频率相同、振动方向一致的相干光，同,时传播到光屏上。叠加的结果是产生明暗相间的干涉条纹。在波峰与波峰、波谷与波谷叠加的地方，光波互相加强，形成明条纹。在波峰与波谷叠加的地方，光波互相抵消或削弱，形成暗条纹。,白光的杨氏干涉图,单色光的杨氏干涉图,当相干光在空间相遇时，光波产生了稳定的加强或减弱，并在相遇的空间形成明暗相间的条纹，这种的现象叫光的干涉。光的干涉证明了光是一种波。,各种光在真空中的波长和频率,2. 薄膜干涉,如图，点着酒精灯，在其火焰上洒一些食盐，使酒精灯便发出黄色的火
3、焰。把带肥皂液薄膜的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的,虚像。当肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虚像上出现了明暗相间的干涉条纹。,干涉条纹形成的原因：竖立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的楔形。当酒精灯的火焰照射到薄膜上时，分别从膜的前表面和后表面反射的两列光波，它们频率相同，方向一致，能产生干涉。在薄膜的某些地方，两列光波反射回来时，恰是波峰和波峰叠加，波谷和波谷叠加，使光波的振动加强，形成亮条纹；而在另一些地方，两列光波的波峰和波谷叠加，使光波的振动互相抵消，形成暗条纹。,3. 其他干涉现象,牛顿环,激光通过双狭缝时的干涉图样,激光通过十字形狭缝时的干
4、涉图样,(1)干涉法检查精密部件的表面取一个透明的标准样板，放在待检查的部件表面并在一端垫一薄片，使样板的平面与被检查的平面间形成一个楔形空气膜，用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射出两列光形成相干光，从反射光中就会看到干涉条纹，如图所示。,4. 光的干涉在技术上的应用,如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的,如图（b）所示；如果观察到的干涉条纹如图（c）所示，则表示被检测表面微有凸起或凹下，这些凸起或凹下的地方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面的平整情况。,当缝较宽时，光沿直线传播，在屏上得到边缘较清晰的明条纹。当缝宽缩小时，明条纹随之变窄。当缝宽缩小至 1.
5、010-4 m 以下时, 光通过狭缝后明显偏离了直线方向，但其边缘模糊，由明区逐渐过渡到暗区。在其两侧，对称地出现一了系列明暗相间的条纹。,二、光的衍射,衍射现象也是波动的主要特征之一。光具有波动性，在一定的条件下，我们可以观察到光的衍射现象。,衍射光栅,小孔衍射图,这种光波偏离了直线路径，绕过障碍物的现象叫做光的衍射。,三、光的偏振,光的干涉和衍射现象证实了光是一种波，而波有纵波和横波之分，那么光波究竟是横波还是纵波呢？,由上图可知，横波可以顺利穿过跟振动方向平行的缝AB，但若把缝转过90角，横波就不能再通过，而对纵波来说，不论怎样转动狭缝，纵波都能通过。由此可见，横波对于传播方向来说具有不
6、对称性，这种特性称为横波的偏振。,只有横波才有偏振现象。偏振是横波区别于纵波的一个重要标志。,上述现象表明，光发生了偏振，从而证明光是横波。,偏振光的应用,夜间驾车容易被迎面来车的前灯射花眼。如果在每辆汽车的车灯和司机座位前车窗上各安装一块偏振片，就可避免对方车灯眩光的影响。,拍摄水下或玻璃橱窗内的景物照片时，可在镜头上加一个偏振片，滤掉反射光，从而拍出清晰的照片。,夜间驾车容易被迎面来车的前灯射花眼,练 习,惠更斯,物理学家惠更斯,1678年荷兰物理学家惠更斯向法国科学院提交了著作光论。在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并末提到关于光谱分解为各种
7、颜色的问题。 惠更斯的光的波动理论是,研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种问题冲量，他类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。,英国物理学家托马斯杨（Thomas Young,1773.6.13- 1829.5.10）于1801年提出干涉理论。利用干涉观念成功解释了牛顿环，同时也成为第一个近似测定波长的人。在1807年出版的自然哲学和机械工艺讲义中对光的干涉再次作了解释。,托马斯杨,物理学家托马斯杨,菲涅耳设计一个实验：利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源，用两块彼此接近180角的平面金属镜，避开衍射，由反射光束来产生干涉现象。并运用大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，,菲涅耳(17881827),被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子的存在和光的直线传播，并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。这一成功，为光的波动说增添了不少光辉。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。,物理学家菲涅耳,
