1課電磁波光的電磁本性教學(xué)目標(biāo)：1.了解電磁場和電磁波的一般概念2.了解電磁波的性質(zhì)及電磁波譜。教學(xué)重點(diǎn)：光的電磁性教學(xué)難點(diǎn)：物質(zhì)發(fā)光的原理教學(xué)資源：網(wǎng)絡(luò)視頻、圖片、多媒體設(shè)備教學(xué)方法：講授法、演示法、練習(xí)法課 時(shí)：2教學(xué)過程：引入課題：〔這里主要指可見光就是這些微粒的運(yùn)動(dòng)路徑。但人們已覺察到很多光現(xiàn)象可能需要用波動(dòng)來解釋，如牛頓環(huán)。19試驗(yàn)和理論上建立起一套比較完整的光的波動(dòng)理論。19世紀(jì)中葉光的電磁理論的建立使人們對光波的生疏更深入了一步，19世紀(jì)末麥克耳孫的試驗(yàn)及愛因斯坦的相對論更完善了光的波動(dòng)理論。本書關(guān)于光的波動(dòng)規(guī)律根本上還是近200年前托馬斯.楊和菲涅爾的理論。但很多應(yīng)4020具有粒子性，波動(dòng)光學(xué)本身也在不斷進(jìn)展，光孤子就是一例。本章主要光的波動(dòng)理論及一些應(yīng)用。講授課：一、電磁波的產(chǎn)生1無阻尼自由電磁振蕩LC電磁振蕩電路就是一種無阻尼的電磁振蕩。開關(guān)KCK邊，使電容器CLACnACnBdi qL V -V dt A B C由于 idq Ldt則1 2令 LC則有

dt2

1 q KLCddq2dt22qo

qQ0

cos(ω

t)idqQsin(t)dt 0Icos(tπ)0 2qqiπ2Q0I0O﹡2π(t)qQ0cos(t)iIcos(tπ)02在LC振蕩電路中，電荷和電流都隨時(shí)間作周期性變化，相應(yīng)的電場和磁場能量也都作周期性的變化。二、電磁波的放射變化的電磁場在空間以確定的速度傳播就形成電磁波。LC12π LCT2LC12π LC++Q++0LCQ0--振蕩電偶極子ppcost0不同時(shí)刻振蕩電偶極子 振蕩電偶極子四周的電磁場線三、電磁波的傳播在一閉合式LCLC感線就像鏈條一樣一環(huán)一環(huán)的套聯(lián)下去，在空間傳播開來，形成電磁波。電場、磁場的方向磁場激發(fā)電場：左手定則電場激發(fā)磁場：右手定則電場、磁場的方向磁場激發(fā)電場：左手定則電場激發(fā)磁場：右手定則vEoxEoxvHrEurxEE0cos(turEurxHH0cos(tu)B五、電磁波的特性電磁波是橫波EH

r rEu

r

BEEH

1 r r4〕電磁波傳播速度

B Eu 1真空中的波速等于真空中的 光速msmsuc 2.998108六、光是電磁波 00光是頻率介于某一范圍之內(nèi)的電磁波400~760nm可見光的范圍:7.51014~4.31014Hz真空中電磁波的傳播速度是一恒量，用c表示 u0 0c u0 0

=2.99792458×108m·s-1光在透亮介質(zhì)中傳播時(shí)，光速、頻率與波長的關(guān)系為0 0nu

r rur rn

n n七、光矢量光強(qiáng)光矢量在光波中，對人的眼睛或感光儀器(如照相機(jī)底片)起作用的主要是電場強(qiáng)度E，因此，把電場強(qiáng)度E稱為光矢量。光矢量的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。用A光強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于光的傳播方向單位面積上的平均光能，稱為光強(qiáng)，用I表示。光強(qiáng)與光矢量的振幅的平方成

正比12I 122課相干光楊氏雙縫干預(yù)試驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)：1.了解獲得相干光的方法；2.〔干預(yù)加強(qiáng)、干預(yù)減弱的條件及明、暗條紋的分布規(guī)律〕。教學(xué)重點(diǎn)：楊氏雙縫干預(yù)條紋的特點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：相干條件教學(xué)資源：網(wǎng)絡(luò)視頻、圖片、多媒體設(shè)備教學(xué)方法：講授法、演示法、練習(xí)法課 時(shí)：2教學(xué)過程：一、相干光的獲得1E2、光的相干條件：同頻率、同振動(dòng)方向、相位差恒定干光的獲得〔近代用激光光源〕分波陣面法分振幅法4、相干疊加和非相干疊加非相干疊加和相干疊加E E1 10

cos(t 1

2r) 1)2rE E2 20

cos(t 2

2)E 2＋E E 2＋E 2＋2E E102010 20cos[ － 〔r 212 1r)]－

2〔r r)相位差：

2 1 2 1 II＋I(xiàn)＝E

2＋E 2III12

1 2 10 20

III12II12

I I＋I(xiàn)＋21 2

12k1

II＋I(xiàn)＋2

I

I4I221 2{(2k1) II121、楊氏雙縫試驗(yàn)〔1807〕試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證光的波動(dòng)性；D2a干預(yù)條紋是以間距相等；

P0點(diǎn)為對稱點(diǎn)，明暗相間分布的，

P0處為中心明紋，相鄰明紋間及相鄰暗紋間對不同的波長，相鄰條紋間距不等，xx小，條紋密；用白光做光源，則中心明紋白色，兩側(cè)某一級(jí)條紋為由紫而紅的彩條帶。1 2 SSSS1 2 理論計(jì)算：①明暗紋位置：kD/(2a x2k1)D/(4a xD/(2ax0爭論：當(dāng)白光照耀時(shí)，白光照耀時(shí)各種波長的光在

處均是零級(jí)明紋中心，所以中心明紋仍為白光。兩側(cè)各級(jí)明紋由于各種單色光波長不同，將會(huì)形成內(nèi)紫外紅的彩色光譜。3課光程薄膜干預(yù)教學(xué)目標(biāo)：1.把握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系；2.能分析、確定等厚、等傾干預(yù)條紋的特點(diǎn)〔暗條紋的分布規(guī)律〕。教學(xué)重點(diǎn)：光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系，等厚、等傾干預(yù)條紋的特點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)：等厚干預(yù)教學(xué)資源：網(wǎng)絡(luò)視頻、圖片、多媒體設(shè)備教學(xué)方法：講授法、演示法、練習(xí)法課 時(shí)：2教學(xué)過程：一、光程光程差1、光程：光在媒質(zhì)中通過的幾何路程與媒質(zhì)折射率的乘積

nx； ＝ 光程差：＝n r，

〔＝2〕12、相長干預(yù)和相消干預(yù)的條件1{ 2k(2k1) k0,1,2,31(＝2)3、透鏡的等光程性1使用透鏡不會(huì)引起附加的光程差。二、分割振幅法產(chǎn)生的光的干預(yù)1、薄膜干預(yù)〔最典型〕現(xiàn)象分析計(jì)算：2e

{n2n2n2sin2i21

k(2k1)/2爭論1n1n

,n2確定，,n

i確定，e

(e)(i)等傾干預(yù)：1

2確定，

為常數(shù)，透射光的干預(yù)n2nn2n2sin2i21

k{(2k1)/22、典型例子：劈尖干預(yù)劈尖計(jì)算：2e{ k2空氣劈尖

(2k1)/2e0,/2，棱邊為暗紋；(e)平行于棱邊的明暗相間的直條紋l相鄰明〔暗〕條紋間距： 2e相鄰明〔暗〕條紋 22ne2玻璃劈尖

k{(2k1)/2l條紋間距：應(yīng)用

2nsin 2n 測,：由

l2sin (l2nsin)測微小高度〔如細(xì)絲直徑〕檢查玻璃片的平直程度例：下邊各圖中，條紋將如何變化？l2sin, l(e)2ee, k

k 2 al2sin HaH2l牛頓環(huán)裝置及現(xiàn)象計(jì)算：明暗環(huán)半徑2e2

{ k(2k1)/2將r2e2R將

代入，(2k(2k1)R/2明環(huán)：kRrkR爭論：中間一點(diǎn)是暗圓斑；

條紋不是等間距的，越外越小中間填充介質(zhì)，仍有一條光線有半波損失，r明環(huán)：r應(yīng)用：測λ

(2k1)R/(2n(2k1)R/(2n)kR/n檢查平面或球面玻璃的質(zhì)量kR＝4.5mkrk

4.950mm,

k+5

r

6.065mm,求：? k? (5.46104mm,k10)3、增透與增反問題：組合透鏡中，反射光能損失20％左右。計(jì)算

n1.001n增反：n

2 2ek

en1.382n31.50n增透：n

22e(2k1)2 1：如圖，在一干凈的玻璃片上放一滴油，當(dāng)油滴開放成油膜時(shí)，在600nm的單色光垂直照耀下，從反射光中觀看到油膜所形成的干預(yù)條紋〔用讀數(shù)顯微鏡向下觀看，假設(shè)n＝1.20,n＝1.50,油 玻 求：當(dāng)油膜中的最高點(diǎn)與玻璃上外表相距H1200nm時(shí)，試描述所觀看到的條紋外形；油膜擴(kuò)展時(shí)，條紋如何變化？將平面玻璃片覆在平凹柱面透鏡的凹面上，A假設(shè)單色平行光垂直照耀，從反射光中觀看現(xiàn)象，試說明干預(yù)條紋的外形及其分布狀況；當(dāng)照耀光波1500nmAA變照耀光波波長直到波長變?yōu)?600nm時(shí)，AA處平面玻璃片和柱面之間空氣隙的高度為多少？h1.5m五、邁克爾遜干預(yù)儀12

k 明2k1)/2 暗3測M則dN2

2平移d

，移過一條明紋；假設(shè)移M22dN

2N邁克爾遜曾用此法測定紅鎘線波長，并定義米。t15oC,P1atm) 643.84696nm紅鎘1m1553164.13紅鎘現(xiàn)在用:1m1650763.73Kr86測折射率n一條光路中置介質(zhì)d、n，條紋移N條,則：2(n1)dN nN12d§13－2光的衍射一、光的衍射現(xiàn)象惠更斯原理〔一〕光的衍射現(xiàn)象~d〔障礙物線度〕很小，不易觀看到衍射現(xiàn)象?，F(xiàn)象：當(dāng)障礙物的線度與光波波長可比較時(shí)，光線偏離直進(jìn)路線，進(jìn)入幾何暗影區(qū)，并形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象。分類：①菲涅爾衍射：光源和所考察的點(diǎn)到障礙物間的距離為有限遠(yuǎn)時(shí)的衍射；②夫瑯和費(fèi)衍射衍射?！捕郴莞梗颇鶢栐砘莞乖恚鹤硬僭O(shè)某一時(shí)刻，波陣面上各點(diǎn)所產(chǎn)生的子波的包絡(luò)面就打算后一時(shí)刻的波陣面。解決的主要問題：波的傳播方向問題；未解決的問題：波的強(qiáng)度、后退波的問題惠更斯－菲涅爾原理：子波干預(yù)從同一波陣面上各點(diǎn)所發(fā)出的子波，經(jīng)傳播在空間各點(diǎn)相遇時(shí)，也可以相互疊加而產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象。

dS PrS如圖，SdSPdSP2動(dòng)的振幅為dE0，2

dE dS{ 0

菲涅爾假設(shè)：

r0dE k()傾斜因子0

k( ) 0dE dS0 r

k() dE0

CdSr

k()所以，任一時(shí)刻的光振動(dòng)：dEdE

cos2(tr)CdSk()cos2(tr)0SP

T r T EdE Ck()dScos[2(tr

)]━━━菲涅爾公式S S r T 除簡潔狀況外，上式的積分運(yùn)算相當(dāng)簡潔，即：衍射現(xiàn)象是一種綜合、簡潔的干預(yù)現(xiàn)象！處理實(shí)際問題時(shí)用分帶法或振幅矢量法較為簡潔。IE2,2

,k()0, 1882二、夫瑯和費(fèi)單縫衍射〔一〕試驗(yàn)裝置〔二〕試驗(yàn)現(xiàn)象E〔三〕理論解釋━━菲涅爾半波帶法中心明紋：P點(diǎn)，同相位，0，干預(yù)加強(qiáng)，條紋與縫面平行；0明暗紋公式：P

2k

ACasin{AB

2(2k1)2

明明暗紋的位置xftgfsin{

kfa

f2k1)2a 明2fl

lf

l0中心明紋寬度：0

, 相鄰〔明〕暗紋間距：a a2可見：2〔暗〕紋寬度的2倍；②假設(shè),f確定，a越小，x 越大，衍射越明顯；ka,f，可通過測l或l0求；a,fxk

，假設(shè)白光入射，則中心明紋白色，兩側(cè)明紋為由紫到紅的彩條帶；a,0，光滿足直進(jìn)原理。光強(qiáng)分布說明：用菲涅爾半波帶法得到的結(jié)果，與用惠更斯－菲涅爾原理計(jì)算的結(jié)果比較，稍有偏差P.124表1；而光強(qiáng)分布則只有用惠更斯－菲涅爾原理計(jì)算了?！菜摹忱碚撚?jì)算:P.124－P.127小字局部，有興趣者可看。例1．平行單色光500nma0.25mm，緊靠縫后放一凸透鏡，測得，第三條暗紋間距離2x ＝3mm，求f?〔25cm〕3暗例2．光線斜射入狹縫a，衍射強(qiáng)弱的條件？2k ACADa(sinsin){ 2AB

暗)CACAaP0DBP(2k1)2

(明)四、光柵衍射〔一〕試驗(yàn)裝置光柵：大量等寬等間距的平行狹縫做成的光學(xué)系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置：與單縫衍射相仿，只是將單縫換成光柵?！捕吃囼?yàn)現(xiàn)象條紋區(qū)消滅的主極大，條紋特點(diǎn)：細(xì)、亮、疏；縫數(shù)變，主極大位置不變“a+“λ”不變〕縫數(shù)為n，則兩主極大之間有－12次極大〔暗區(qū)，強(qiáng)度很弱；強(qiáng)度分布與單縫全都〔單縫衍射背井上的多縫干預(yù)條紋?！踩彻鈻欧匠檀_定主極大位置的方程:(ab)sink k0,1,2,缺級(jí)現(xiàn)象

sin

k Nkab假設(shè)同時(shí)滿足：asink k”1,2,缺級(jí)： k

(ab)sinkabk”a

ab3a，則k3kk3,6,9為缺級(jí)。600nm的單色光，垂直入射到一光柵，其次級(jí)明紋sin20.20，第四級(jí)為第一個(gè)缺級(jí)。求：光柵常數(shù)ab〔ab6000nm〕屏上可能觀看到的全部明紋數(shù)〔15條〕思考：假設(shè)光線以30o角入射時(shí)，可能觀看到的全部明紋數(shù)？〔15〕傾斜入射狀況下的光柵方程(ab)(sinsin)k

爭論：0①中心明紋：sinsin 00

0 ；0② k ：令： {

2

kmaxmax

2

kmax③缺級(jí)：〔四〕衍射光譜假設(shè)ab確定，入射光為復(fù)色光，則中心明紋仍為復(fù)色光；對于同一級(jí) k，由sin k 知，屏上將消滅彩色光帶，彩色光帶的整體稱光柵的衍射光譜。ab*不同光源發(fā)出的光，經(jīng)光柵衍射后形成的光譜不同：線光譜，連續(xù)光譜，特征光譜，光譜分析R3RV32VR21V1P137例題1－3〕以白光垂直入射到光柵常數(shù)為2.410R3RV32VR21V1〔1〕波長為400nm的紫光的第三級(jí)譜線和波長為760nm的紅光的其次級(jí)譜線分別到觀看屏中心點(diǎn)O的距離白光的第三級(jí)譜線能否被觀看到？absink 30o, xV V

0.144m3 3 39.3o, xR

0.205m2 2 90o，能觀看到。R3四、圓孔衍射光學(xué)儀器的分辯率〔一〕圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射試驗(yàn)裝置：單縫衍射中的單縫換成圓孔即可；試驗(yàn)現(xiàn)象：愛里斑的半角寬度公式 sin

d/2

1.2200 0 f D0 0 D

D

0 衍射現(xiàn)象消逝?！捕彻鈱W(xué)儀器的分辯率按幾何光學(xué)定律，只要適中選擇透鏡的焦距，就可以把任何微小的物體放大到清楚可見的程度，因而，任意兩個(gè)點(diǎn)光源，不管相距多么近，總是可以區(qū)分的。實(shí)際上，由于透鏡的D有限，所以，兩點(diǎn)光源很近時(shí)，以幾何象點(diǎn)為中心的衍射把戲重疊，不能區(qū)分。瑞利判據(jù)一個(gè)發(fā)光物點(diǎn)的愛里斑中心恰好與另一發(fā)光物點(diǎn)衍射花紋的第一個(gè)暗紋重合時(shí)兩個(gè)發(fā)光物點(diǎn)剛好能被區(qū)分。最小區(qū)分角

： min

min

1.22D兩物點(diǎn)對透鏡光心的張角 能區(qū)分。min分辯率R： R

1min

D1.22D D天文觀測R, 電子顯微鏡，五、X〔一〕倫琴射線的覺察1895X〔103nm10nm〕的電磁波。1912〔二〕勞厄試驗(yàn)裝置：現(xiàn)象：中心斑點(diǎn)四周有勞厄斑點(diǎn)。理論解釋：X方向散射波的疊加形成勞厄斑點(diǎn)?！踩巢祭窆剑壕w，晶面，晶面間距，晶格常數(shù)d2dsink

k1,2,3符合上述條件，和層晶面的散射都相互加強(qiáng)。例1．一望遠(yuǎn)鏡，對波長為6.0105cm的光要求有0.1的區(qū)分本領(lǐng)，則其物鏡的口徑應(yīng)為多少米？例2．試比較用波長為21cm的電磁波，直徑為3.5m的射電望遠(yuǎn)鏡的分辯率R 與直徑為電cm的可見光望遠(yuǎn)鏡的分辯率R 的大小。光例3400nm760nm的可見光，垂直入射于某光柵，求其次級(jí)譜線的重疊范圍。(600nm760nm)§13-3光的偏振一． 自然光定義：光矢量E在與光線垂直的平面內(nèi)，各個(gè)方向時(shí)機(jī)均等，振幅相等。原子自發(fā)輻射〔獨(dú)立性、間歇性E圖示二． 偏振光E只沿某一方向振動(dòng)〔線偏振光，平面偏振光〕偏振面：偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的面。局部偏振光：某衛(wèi)方向的光振動(dòng)比與之垂直的方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢。三． 偏振片的起偏和檢偏偏振片：能吸取某一方向的光振動(dòng)，而讓與之垂直方向的光振動(dòng)通過的薄片。偏振化方向：偏振片允許通過的光振動(dòng)的方向〔透光軸。I0I01I20①起偏器：產(chǎn)生偏振光；如：偏振片。②檢偏器：檢驗(yàn)偏振光。四、布儒斯特定律〔一〕現(xiàn)象：自然光在兩種各向同性的媒質(zhì)的分界面上和折射時(shí)，反射光和折射光都成為局部偏振光；在特別狀況下，反射光有可能成為完全偏振光。tgi0tgi0n212n22

n

i0：布儒斯特角056.300n2

20〔三〕推論： 20

2〔四〕偏振光的獲得偏振片：利用某些物質(zhì)的“二向色性”制成的(II0；20自然光以入射于玻璃外表獲得偏振光(I7.5%I )；0玻璃片堆：屢次反射，吸取較多，不很有用。利用某些晶體的雙折射現(xiàn)象。0例1．用相互平行的一束偏振光構(gòu)成的混合光，垂直照耀在一偏振片上，以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)，覺察透射光強(qiáng)的最大值為最小值的5倍，求入射光中自然光強(qiáng)I 與線