1、11.6 光的波动性光的波动性历史回顾历史回顾光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振光的干涉光的干涉世世界界上上如如果果没没有有光光就就会会变变成成一一片片黑黑暗暗，但但是是光光究究竟竟是是什么呢什么呢?人人类类对对光光的的本本性性的的认认识识,经经历历了了漫漫长长而而曲曲折折的的道道路路，到到了了17世世纪纪，基基本本上上形形成成了了两两种种学学说说：一一种种以以牛牛顿顿为为代代表表的微粒说，另一种是以惠更斯为代表的波动说。的微粒说，另一种是以惠更斯为代表的波动说。与与牛牛顿顿同同时时代代的的荷荷兰兰物物理理学学家家惠惠更更斯斯首首先先提提出出光光的的波波动动说说。当当时时牛牛顿顿反反对对光光的的
2、波波动动说说，主主要要是是因因为为当当时时光光的的波波动动说说还还不不能能很很好好解解释释光光的的直直线线传传播播这这一一基基本本事事实实，也也不不能能解解释释光光的的偏偏振振现现象象。直直到到1801年年，英英国国物物理理学学家家托托马马斯斯杨杨进进行行了了著著名名的的杨杨氏氏干干涉涉实实验验，1815年年法法国国物物理理学学家家菲菲涅涅耳耳进进行行的的“菲菲涅涅耳耳双双镜镜”实实验验，才才令令人人信信服服地地证证明明了了光光具具有有波动性。波动性。历史回顾历史回顾 一、光的干涉一、光的干涉 1.杨氏干涉杨氏干涉 波波源源S 发发出出球球面面波波,同同时时到到达达S1 和和S2 这这两两个个
3、狭狭缝缝，S1 和和S2 可可视视为为相相干干波波源源,相相干干波波源源发发出出的的频频率率相相同同、振振动动方方向向一致的相干光，同一致的相干光，同时时传传播播到到光光屏屏上上。叠叠加加的的结结果果是是产产生生明明暗暗相相间间的的干干涉涉条条纹纹。在在波波峰峰与与波波峰峰、波波谷谷与与波波谷谷叠叠加加的的地地方方，光光波波互互相相加加强强，形形成成明明条条纹纹。在在波波峰峰与与波波谷谷叠叠加加的的地地方方，光光波波互互相相抵抵消消或或削弱，形成暗条纹。削弱，形成暗条纹。白白 光光 的的 杨杨 氏氏 干干 涉涉 图图单色光的杨氏干涉图单色光的杨氏干涉图当当相相干干光光在在空空间间相相遇遇时时，
4、光光波波产产生生了了稳稳定定的的加加强强或或减减弱弱，并并在在相相遇遇的的空空间间形形成成明明暗暗相相间间的的条条纹纹，这这种种的的现现象象叫叫光的干涉光的干涉。光的干涉证明了光是一种波。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各种光在真空中的波长和频率6.77.50.450.40紫紫6.16.70.490.45蓝蓝-靛靛5.26.10.580.49绿绿5.05.20.600.58黄黄4.85.00.620.60橙橙3.94.80.770.62红红f/(1014 Hz)/(10-6 m)光的颜色光的颜色 2.薄膜干涉薄膜干涉如如图图，点点着着酒酒精精灯灯，在在其其火火焰焰上上洒洒一
5、一些些食食盐盐，使使酒酒精精灯灯便便发发出出黄黄色色的的火火焰焰。把把带带肥肥皂皂液液薄薄膜膜的的金金属属圈圈放放在在酒酒精精灯灯旁旁适适当当的的位位置置，使使眼眼睛睛恰恰能能看看到到由由薄薄膜膜反反射而生成的黄色火焰的射而生成的黄色火焰的虚虚像像。当当肥肥皂皂薄薄膜膜下下垂垂到到一一定定程程度度，就就在在虚虚像像上上出出现现了了明明暗相间的干涉条纹。暗相间的干涉条纹。(a)明明暗暗明明(b)干干涉涉条条纹纹形形成成的的原原因因：竖竖立立的的肥肥皂皂薄薄膜膜在在重重力力作作用用下下形形成成了了上上薄薄下下厚厚的的楔楔形形。当当酒酒精精灯灯的的火火焰焰照照射射到到薄薄膜膜上上时时，分分别别从从膜
6、膜的的前前表表面面和和后后表表面面反反射射的的两两列列光光波波，它它们们频频率率相相同同，方方向向一一致致，能能产产生生干干涉涉。在在薄薄膜膜的的某某些些地地方方，两两列列光光波波反反射射回回来来时时，恰恰是是波波峰峰和和波波峰峰叠叠加加，波波谷谷和和波波谷谷叠叠加加，使使光光波波的的振振动动加加强强，形形成成亮亮条条纹纹；而而在在另另一一些些地地方方，两两列列光光波波的的波波峰峰和和波波谷谷叠叠加加，使使光光波波的的振振动动互互相相抵抵消消，形形成成暗暗条纹。条纹。明明暗暗明明 3.其他干涉现象其他干涉现象牛顿环牛顿环激光通过双狭缝时的激光通过双狭缝时的干涉图样干涉图样激光通过十字形狭缝激光
7、通过十字形狭缝时的干涉图样时的干涉图样单色光单色光标准样板标准样板薄片薄片被检测平面被检测平面(1)干涉法检查精密部件的表面干涉法检查精密部件的表面取取一一个个透透明明的的标标准准样样板板，放放在在待待检检查查的的部部件件表表面面并并在在一一端端垫垫一一薄薄片片，使使样样板板的的平平面面与与被被检检查查的的平平面面间间形形成成一一个个楔楔形形空空气气膜膜，用用单单色色光光从从上上面面照照射射，入入射射光光从从空空气气层层的的上上下下表表面面反反射射出出两两列列光光形形成成相相干干光光，从从反反射射光光中中就就会会看看到到干干涉条纹，如图所示。涉条纹，如图所示。4.光的干涉在技术上的应用光的干涉
8、在技术上的应用如如果果被被检检表表面面是是平平的的，产产生生的的干干涉涉条条纹纹就就是是平平行行的的,如如图图（b）所所示示；如如果果观观察察到到的的干干涉涉条条纹纹如如图图（c）所所示示，则则表表示示被被检检测测表表面面微微有有凸凸起起或或凹凹下下，这这些些凸凸起起或或凹凹下下的的地地方方的的干干涉涉条条纹纹就就弯弯曲曲。从从弯弯曲曲的的程程度度就就可可以了解被测表面的平整情况。以了解被测表面的平整情况。(a)(b)(c)单色光单色光标准样板标准样板薄片薄片被检测平面被检测平面当当缝缝较较宽宽时时，光光沿沿直直线线传传播播，在在屏屏上上得得到到边边缘缘较较清清晰晰的的明明条条纹纹。当当缝缝宽
9、宽缩缩小小时时，明明条条纹纹随随之之变变窄窄。当当缝缝宽宽缩缩小小至至 1.010-4 m 以以下下时时,光光通通过过狭狭缝缝后后明明显显偏偏离离了了直直线线方方向向，但但其其边边缘缘模模糊糊，由由明明区区逐逐渐渐过过渡渡到到暗暗区区。在在其其两两侧侧，对对称称地出现一了系列明暗相间的条纹。地出现一了系列明暗相间的条纹。二、光的衍射二、光的衍射衍衍射射现现象象也也是是波波动动的的主主要要特特征征之之一一。光光具具有有波波动动性性，在一定的条件下，我们可以观察到光的衍射现象。在一定的条件下，我们可以观察到光的衍射现象。衍射光栅衍射光栅小孔衍射图小孔衍射图这这种种光光波波偏偏离离了了直直线线路路径
10、径，绕绕过过障障碍碍物物的的现现象象叫叫做做光的衍射。光的衍射。三、光的偏振三、光的偏振AB偏振化方向偏振化方向AB 光的干涉和衍射现象证实了光是一种波，而波有纵波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？和横波之分，那么光波究竟是横波还是纵波呢？由由上上图图可可知知，横横波波可可以以顺顺利利穿穿过过跟跟振振动动方方向向平平行行的的缝缝AB，但但若若把把缝缝转转过过90角角，横横波波就就不不能能再再通通过过，而而对对纵纵波波来来说说，不不论论怎怎样样转转动动狭狭缝缝，纵纵波波都都能能通通过过。由由此此可可见见，横横波波对对于于传传播播方方向向来来说
11、说具具有有不不对对称称性性，这这种种特特性性称称为为横横波波的的偏振偏振。只只有有横横波波才才有有偏偏振振现现象象。偏偏振振是是横横波波区区别别于于纵纵波波的的一一个重要标志。个重要标志。上述现象表明，光发生了偏振，从而证明上述现象表明，光发生了偏振，从而证明光是横波光是横波。偏振光的应用偏振光的应用 夜夜间间驾驾车车容容易易被被迎迎面面来来车车的的前前灯灯射射花花眼眼。如如果果在在每每辆辆汽汽车车的的车车灯灯和和司司机机座座位位前前车车窗窗上上各各安安装装一一块块偏偏振振片片，就就可可避免对方车灯眩光的影响。避免对方车灯眩光的影响。拍摄水下或玻璃橱窗拍摄水下或玻璃橱窗内的景物照片时，可在镜内
12、的景物照片时，可在镜头上加一个偏振片，滤掉头上加一个偏振片，滤掉反射光，从而拍出清晰的反射光，从而拍出清晰的照片。照片。夜间驾车容易被迎面夜间驾车容易被迎面来车的前灯射花眼来车的前灯射花眼 1.什什么么是是光光的的干干涉涉现现象象和和衍衍射射现现象象？为为什什么么说说这这些些现现象说明了光具有波动性？象说明了光具有波动性？2.被被太太阳阳光光照照射射的的肥肥皂皂泡泡呈呈现现出出彩彩色色花花纹纹，是是由由于于什什么引起的？么引起的？3.当当 时，光才能发生明显的衍射现象。时，光才能发生明显的衍射现象。4.用用照照相相机机拍拍摄摄橱橱窗窗内内的的物物体体时时，为为何何要要在在照照相相机机镜镜头前加
13、上一个偏振片？头前加上一个偏振片？练练 习习惠更斯惠更斯物理学家物理学家惠更斯惠更斯1678年年荷荷兰兰物物理理学学家家惠惠更更斯斯向向法法国国科科学学院院提提交交了了著著作作光光论论。在在书书中中，惠惠更更斯斯把把光光波波假假设设为为一一纵纵波波，推推导导和和解解释释了了光光的的直直线线传传播播、反反射射和和折折射射定定律律，书书中中并并末末提提到到关关于光谱分解为各种颜色的问题。于光谱分解为各种颜色的问题。惠更斯的光的波动理论是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
14、，这一研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究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。学观念的联合。英英国国物物理理学学家家托托马马斯斯杨杨（Thomas Young,1773.6.13-1829.5.10）于于1801年年提提出出干干涉涉理理论论。利利用用干干涉涉观观念念成成功功解解释释了了牛牛顿顿环环，同同时时也也成成为为第第一一个个近近似似测测定定波波长长的的人人。在在1807年年出出版版的的自自然然哲哲学学和和机机械械工工艺艺讲讲义义中中对对光光的的干干涉涉再次作了解释。再次作了解释。托马斯托马斯杨杨物理学家托马斯物理学家托马斯杨杨菲菲涅涅耳耳设设计计一一个个
15、实实验验：利利用用两两个个与与小小孔孔或或不不透透明明障障碍碍物物边边缘缘都都无无关关的的小小光光源源，用用两两块块彼彼此此接接近近180角角的的平平面面金金属属镜镜，避避开开衍衍射射，由由反反射射光光束束来来产产生生干干涉涉现现象象。并并运运用用大大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，菲涅耳菲涅耳(17881827)被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子被授予优胜奖。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新阶段。他发展了惠更斯和托马斯杨的波杨的波动理论，成为动理论，成为“物理光学的缔造者物理光学的缔造者”。物理学家物理学家菲涅耳菲涅耳
