大学物理实验(光学部分)复习资料

第一篇：大学物理实验(光学部分)复习资料

大学物理实验（光学部分）复习资料

一、《用牛顿环干涉测透镜的曲率半径》实验

1、牛顿环实验中读数显微镜物镜下方的玻璃片G有何作用？实验时应如何调节？如果G的方向错误将会如何？10%

答：a、起到调节光路的作用，即起到反射和透射的作用。

b、实验时将玻璃片调成相对于光源来说跟水平方向成45度角，然后将它的角度慢慢增大，直到出现明亮的视场。

c、将不能产生干涉，看不到干涉条纹。

2、在牛顿环实验中你是如何避免回程误差的？

答：A、采用单方向测量；B、十字叉丝应移到要测量的第一个数据后面一级的干涉暗条纹处，然后再往回测量；C、测量过程中若超过了头，必须退回一级，再缓慢前进重新测量该数据。

3、牛顿环实验中读数显微镜载物台下方的反光镜要作如何调节？为什么？5% 答：a、应将它关掉。

b、如果有光线经反光镜反射进入牛顿环，将会使干涉条纹变模糊甚至看不到。

4、牛顿环实验的主要注意事项有哪些？

答：A、防止震动；B、防止回程误差；C、干涉条纹系数不要数错。

5、如果R864.50mm，UC(R)7.15mm，下面的结果报道哪一个是正确的？（B）

A、R=（864.5±7.2）mmB、R=（864±8）mm

C、R=（865±7）mmD、R=（865±8）mm

二、《用掠入射法测定液体的折射率》实验

1、分光计是用来将读值平面、观察平面、待测光路平面此三个平面调节成相互平行，否则，测量得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。

2、用分光计测液体的折射率实验，在三棱镜的滴入待测液体，应将毛玻璃的毛面与三棱镜的光面相结合，液层中不能含有气泡。

3、用分光计为什么要设置两个游标？测量之前应将刻度盘及游标盘作何调节？为什么？

答：a、为了消除刻度盘的度盘中心和仪器转轴之间的偏心差。

b、将度盘的0o线置于望远镜下，两个游标的“0”的连线应与准直管垂直。

c、可以减少在测角度时，0o线通过游标引起的计算上的不方便。

第二篇：大学物理实验(光学部分)思考题

大学物理实验（光学部分）思考题

一、《用牛顿环干涉测透镜的曲率半径》实验

1、牛顿环实验的主要注意事项有哪些？视差。竖直叉丝要与测量方向想垂直。为防止回程误差。在实验过程中读数显微镜的叉丝始终沿一个方向前进。干涉环两侧的序数不能出错，要防止仪器瘦震动而引起的误差。

2、牛顿环实验中读数显微镜物镜下方的玻璃片G有何作用？实验时应如何调节？如果G的方向错误将会如何？

3、哪些情况会使干涉条纹的中心出现亮斑？牛顿环接触点上有灰尘或者油渍。在薄膜厚度为半波长的半整数倍什么情况下是亮的4、牛顿环实验中读数显微镜载物台下方的反光镜要作如何调节？为什么？关掉、因为本实验不需要光源从下射入。

5、牛顿环仪为什么要调节至松紧程度适当？太紧。透镜将发生形变，测得的曲率半径将偏大，太松。受震动时，接触点会跑动。无法实验。

6、视差对实验结果有何影响？你是如何消除视差的？视差的存在会增大标尺读数的误差若待测像与标尺（分划板）之间有视差时，说明两者不共面，应稍稍调节像或标尺（分划板）的位置，并同时微微晃动眼睛，直到待测像与标尺之间无相对移动即无视差。

7、在实验过程中你是如何避免回程误差的？显微镜下旋后再上旋，由于齿轮没有紧密咬合，造成刻度出现偏差。避免回程误差就是说一次测量内只能一直向上或向下

二、《用掠入射法测定液体的折射率》实验

1、分光计的调节主要分为哪些步骤？

2、分光计的望远镜应作何调节？

3、分光计为什么要设置两个游标？测量之前应将刻度盘及游标盘作何调节？为什么？

4、用分光计测定液体的折射率实验，有哪些注意事项？

5、调节分光计时，请说明三棱镜应如何如何放置，为什么要这样做？

6、用分光计测量液体的折射率的过程中，哪些部件（或器件）应固定不能动？

7、分光计的调节要求是什么?

第三篇：大学物理演示实验感想光学（推荐）

光学在生活中的应用

光学技术在日常生活许多领域扮演着一个突出的角色，以愈发聪明的方法和灯具，确保效果更好、更加节能的照明。工业生产中的激光处理材料，光学感应和光学通信技术，以及显示器技术，这些都只是对于我们现代工业环境日益重要的一些光学技术范例。光学是充满神秘和应用价值的海洋。

上周三下午我们很有兴趣的参加了光学的物理演示实验课。老师耐心的讲解各种有趣的光学现象和小应用，不仅让我们探索了奇妙的光学现象，还了解熟悉了其中的物理原理，让我们突然了解到生活中各个地方都有光学的身影。看似真实其实虚拟的“方块”是虚拟三维立体成像，有趣的夜视仪，“真实”的火焰，熟悉的电子滚动屏，其实是利用了视觉暂留原理，在一块凹面镜前竟然能够自己握手，是运用了其成像原理。最印象深刻的是显微镜下纸币的条纹中竟出现了几行字母，可见光学在防伪方面有了非常好的应用。

光学在生活中还有很多很多的应用。例如：LED显示屏的应用，给夜晚增添了许多色彩和魅力；防盗的门镜利用凸透镜、凹透镜光学性能将其组合，使得门内可见门外，而门外不可见门内；光学显微镜利用两片凸透镜放大实物的像；望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器；光纤传导运用光的全反射原理，大大提高信号传递质量效率；特别刺激的3D电影，利用光的偏振性，使人身临其境；还有其他各种光学器件在人们平时的生活、医疗、工作、科研中都起着至关重要的角色。小到我们手机里的光电成像器件，大到宇宙望远镜，可以说现在无论走到哪里都能看到光学的影子。

光学技术覆盖到广泛的应用领域。涉及光的产生、传输、测量和一般应用。它们的潜在市场巨大已经超越了半导体电子品的市场。现在全世界光学领域的总产值约为1300亿欧元预计在2013年之前会增长到4000亿欧元。可见光的应用性价值十分巨大。

光学与我们的生活息息相关。通过这次物理演示实验课，让我们激发了对光学的兴趣，增长了光学方面的基础知识，有了更多的思考和想法。最重要的是让我们感受到物理的趣味性和应用实践的重要性。所以，我们要学会把自己的知识投入到生活应用中去，实现科学的真正魅力。

第四篇：大学物理-波动光学自测题

波动光学自测题

一、填空题

1.用迈克耳逊干涉仪测微小的位移，若入射光的波长λ

5.893×10-7

m，当动臂反射镜移动时，干涉条纹移动了2048条，反射镜移动的距离

m。

2.如图所示，假设有两个同相的相干光源S1

和S2，发出波长为

λ的光，A

是它们联线的中垂线上的一点，若在S1与A之间插入厚度为e、折射率为n的薄玻璃片，则两光源发出的光在A点的相差=，若已知λ

6.328×10-7m，n

1.50，A

点恰为第四级明纹的中心，则e

m。

3.在迈克耳逊干涉仪的可动反射镜移动了距离

d的过程中，若观察到干涉条纹移动了

条，则所用光波的波长λ

=________________。

4.惠更斯—菲涅耳原理的基本内容是：波阵面上各面积元所发出的子波在观察点

P的决定了P点的合振动及光强。

5.测量未知单缝宽度

a的一种方法是：用已知波长λ的平行光垂直入射在单缝上，在距单缝的距离为

处测出衍射花样的中央亮纹宽度

l（实验上应保证D

≈103

a，或D

为几米），则由单缝衍射的原理可标出

与

λ，D，l的关系为：a

___________________。

6.在单缝的夫琅和费衍射实验中，屏上第三级暗纹对应的单缝处波面可划分为___________

个半波带，若将缝宽缩小一半，原来第三级7暗纹处将是__________________________纹。

7.一束光垂直入射在偏振片

上，以入射光线为轴转动

P，观察通过

P的光强的变化过程。若入射光是_____________光，则将看到光强不变；若入射光是_______________，则将看到明暗交替变化，有时出现全暗；若入射光是__________________，则将看到明暗交替变化，但不出现全暗。

8.布儒斯特定律的数学表达式为_______。式中______为布儒斯特角；_______为折射媒质对入射媒质的相对折射率。

9.平行单色光垂直入射于单缝上，观察夫朗和费衍射，若屏上

点处为第二级暗纹，则单缝处波阵面相应地可划分为

个半波带。若将缝宽缩小一半，P点将是第级

纹。

10.用波长

6.328×10-7

m的平行光垂直入射于单缝上，缝后用焦距

0.40

m的凸透镜将衍射光会聚于焦平面上，测得中央明纹的宽度为3.4×10-3m，则单缝宽

m。

11.将波长

λ的平行单色光垂直投射到一狭缝上，若对应于衍射图样第一级暗纹位置的衍射角的绝对值为，则缝的宽度等于。

12.一束自然光从空气投射到玻璃表面上（空气折射率为1），当折射角为时，反射光是完全偏振光，则此玻璃板的折射率等于。

13.用波长λ的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖薄膜（如图），图中折射率的关系是n1＜

＜

n3，观察反射光的干涉条纹，从劈尖顶开始向右数第5条暗纹中心所对应的厚度e

=。

14.应用布儒斯特定律可以测介质的折射率．今测得此介质的起偏振角

＝56.0°，这种物质的折射率为____________。

15.用劈尖干涉法可检测工件表面缺陷，当波长为

λ的单色平行光垂直入射时，若观察到的干涉条纹如图所示，每一条纹弯曲部分的顼点恰好与其左边条纹的直线部分的连线相切，则工件表面与条纹弯曲处对应的缺陷是____________形（指凸或凹），其相应的高度是________λ。

16.在双缝干涉实验中，用单色自然光，在屏上形成干涉条纹，若在双缝后放一个偏振片，则干涉条纹的间距_____________，明纹的亮度______________。（均填变化情况）

17.在折射率n3

1.60的玻璃片表面镀一层折射率n2

1.38的MgF2

薄膜作为增透膜。为了使波长为λ

5000

Å的光，从折射率n1

1.00的空气垂直入射到玻璃片上的反射尽可能地减少，MgF2薄膜的厚度d就是_______________。

18.如图透射光栅（N

4），以单色光正入射时，在观察屏上可看到衍射条纹。现若将图中的1、3缝挡住，使其不透光，则衍射条纹发生的变化是___________________。

19.如图所示的牛顿环，若空气膜的最大厚度为3λ（λ为入射光的波长），当观察空气膜的反射光的等厚条纹时，问可看到______个暗环？与半径最小的暗环所相应的空气膜的厚度为_______，与半径最小的明环所相应的空气膜的厚度为_______。

20.如图所示，两个直径有微小差别的彼此平行的滚柱之间的距离为

L，夹在两块平晶的中间，形成空气劈尖，当单色光垂直入射时，产生

条等厚干涉条纹。如果滚柱之间的距离

变为

L/2，则在L

范围内干涉条纹的数目为__________，密度为_________。

21．用波长为

λ的平行单色光垂直照射图中所示的装置，观察空气薄膜上下表面反射光形成的等厚干涉条纹。试在装置图下方的方框内画出相应的干涉条纹，只画暗条纹，表示出它们的形状、条数和疏密。

22.将波长

l的平行单色光垂直投射到一狭缝上，若对应于衍射图样第二级暗纹位置的衍射角的绝对值为

q，则缝的宽度等于。

23．在如图所示的单缝夫琅的费衍射装置示意图中，用波长为

l的单色光垂直入射在单缝上，若

点是衍射条纹中的中央明纹旁第二个明条纹的中心，则由单缝边缘的A、B

两点分别到达

点的衍射光线光程差是。

二、计算题

1．用波长

500

nm的单色光垂直照射在由两块玻璃板（一端刚好接触成为劈棱）构成的空气劈尖上。劈尖角

2×10-4

rad。如果劈尖内充满折射率为

1.40的液体。求从劈棱数起第五个明条纹在充入液体前后移动的距离。

2．在单缝的夫朗和费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长λ1

4.00×10-7

m，λ2

7.60×10-7

m，已知单缝宽度

1.0×10-4

m，透镜焦距，求：

（1）两种光第一级衍射明纹中心之间的角距离及线距离；

（2）若用光栅常数（+b）=1.0×10-5

m的光栅替换单缝，其它条件同前，求两种光第一级主极大之间的距离及角距离。

3．利用牛顿环的条纹可以测定平凹透镜的凹球面的曲率半径，方法是将已知半径的平凸透镜的凸球面放置在待测的凹球面上，在两球面间形成空气薄层，如图所示，用波长为

λ的平行单色光垂直照射，观察反射光形成的干涉条纹，试证明若中心O点处刚好接触，则求第k

个暗环的半径rk与凹球面半径

R2，凸球面半径R1

（R1

R2)

及入射光波长

λ的关系。

4．用白光垂直照射置于空气中的厚度为0.5的玻璃片，玻璃片的折射率为1.50。在可见光范围内（400

—

760

nm）哪些波长的反射光有最大限度的增强？

5．如图所示的双缝干涉，假定两列光波在屏上

点的光场随时间

而变化的表示式各为：表示这两列光波的相位差，试证P点处的合振幅为。式中λ是光波长，是的最大值。

6．薄钢片上有两条紧靠的平行细缝，用波长λ

5416

Å的平面光波正入射到薄钢片上。屏幕距双缝的距离为D

2.00

m，测得中央明条纹两侧的第五级明条纹间的距离为Δx

12.0

mm。

（1）

求两缝间的距离。

（2）

从任一明条纹（记作0）向一边数到第20条明条纹，共经过多大距离？

（3）

如果使光波斜入射到钢片上，条纹间距将如何变化？

7．在双缝干涉实验中，波长λ

5500

Å的单色平行光垂直入射到缝间距

2×10-4

ｍ的双缝上，屏到双缝的距离Ｄ

=２ｍ．求：

（1）

中央明纹两侧的两条第10级明纹中心的间距；

（2）

用一厚度为ｅ=

6.6×10-6ｍ、折射率为

1.58的玻璃片复盖一缝后，零级明纹将移到原来的第几级明纹处？

8．图示一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰好和平玻璃接触，透镜凸表面的曲率半径是

400

cm．用某单色平行光垂直入射，观察反射光形成的牛顿环，测得第5

个明环的半径是0.30

cm.。

（1）

求入射光的波长；

（2）

设图中

1.00

cm，求在半径为

OA的范围内可观察到的明环数目。

9．用波长为

500

nm的单色光垂直照射到由两块光学平玻璃构成的空气劈尖上．在观察反射光的干涉现象中，距劈尖棱边l

1.56

cm的A

处是从棱边算起的第四条暗条纹中心。

（1）求此空气劈尖的劈尖角θ；

（2）改用

600

nm的单色光垂直照射到此劈尖上仍观察反射光的干涉条纹，A

处是明条纹还是暗条纹？

（3）在第（2）问的情形从棱边到Ａ处的范围内共有几条明纹？几条暗纹？

10．折射率为1.60的两块标准平面玻璃板之间形成一个劈尖（劈尖角θ很小）。用波长

600

nm的单色光垂直入射，产生等厚干涉条纹。假如在劈尖内充满

1.40的液体时的相邻明纹间距比劈尖内是空气时的间距缩小

0.5

mm，那么劈尖角

应是多少？

11．曲率半径为

R的平凸透镜和平板玻璃之间形成空气薄层，如图所示．波长为

λ的平行单色光垂直入射，观察反射光形成的牛顿环．设平凸透镜与平板玻璃在中心

Ｏ

点恰好接触．求：

（1）从中心向外数第k

个明环所对应的空气薄膜的厚度

ek。

（2）第k

个明环的半径

rk（用

R，波长

和正整数

表示，R

远大于上一问的ek）。

12．用波长为

600

nm的光垂直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖薄膜，劈尖角θ

2×10-4

rad．改变劈尖角，相邻两明条纹间距缩小了Dl

1.0

mm，求劈尖角的改变量Dθ。

13．用波长为λ的单色光垂直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖，已知劈尖角为

θ．如果劈尖角变为

θ＇，从劈棱数起的第四条明条纹位移值

是多少？

14．用氦氖激光器发射的单色光（波长为

6328

Å）垂直照射到单缝上，所得夫琅和费衍射图样中第一级暗条纹的衍射角为

5°，求缝宽度。

15．用波长为5893

Å的钠黄光垂直入射在每毫米有500

条缝的光栅上，求第一级主极大的衍射角。

16．一束具有两种波长

λ1

和

λ2的平行光垂直照射到一衍射光栅上，测得波长

λ1的第三级主极大衍射角和λ2的第四级主极大衍射角均为30°．已知

λ1

＝5600

Å，试问：

（1）光栅常数a

＋

（2）波长

λ2

=？

17．在单色光垂直入射的双缝夫琅禾费衍射实验中，双缝中心间距为d，每条缝的宽度为a，已知

d/a

4。试计算衍射图样中对应于单缝衍射中央明纹区域内干涉明条纹的数目。

18．一块每毫米有1200条缝的衍射光栅，总宽度为100

mm。求此光栅在波长

600

nm的第2

级谱线附近可以分辨的最小波长差

△λ。

19．（1）在单缝夫琅和费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长，λ1

4000

Å，λ2

7600Å。已知单缝宽度a

1.0×10-2

cm，透镜焦距f

cm。求两种光第一级衍射明纹中心之间的距离。（2）若用光栅常数d

1.0×10-3

cm的光栅替换单缝，其他条件和上一问相同，求两种光第一级主级大之间的距离。

20．波长

6000

Å的单色光垂直入射到一光栅上，测得第二级主极大的衍射角为

30°，且第三级是缺级。

（1）光栅常数（a

b）等于多少？

（2）透光缝可能的最小宽度

等于多少？

（3）在选定了上述（a

b）和

之后，求在衍射角

-π/2

π/2范围内可能观察到的全部主极大的级次。

21．在单缝衍射实验中，垂直入射光波长为

546.1

nm，缝宽为

0.10

mm，缝到屏的距离为0.50

m，求：(1)

中央明纹的宽度；

(2)

中央明纹中心到第三级暗纹中心的距离。

22．一衍射光栅，每厘米有200

条缝，每条透光缝宽为

2×10-3

cm，在光栅后放一焦距f

m的凸透镜，现以λ

600

nm的单色平行光垂直照射光栅，求：（1）透光缝

a的单缝衍射中央明纹宽度为多少？(2)

在该宽度内，有几个光栅衍射主极大？

答案：

一、填空题

1．6.03×10-4

2．2p(n

e/l，5.06×10-6

3．2d/N

4．干涉或相干叠加

5．2l

d/l

参考解：

sinj

λ/a

和几何图，有

sinj

l/(2D)

∴l/(2D)

λ/a

d/l

6．6；第一级明

7．自然光或（和）圆偏振光；线偏振光（完全偏振光）；部分偏振光或椭圆偏振光

8．tani0

n21（或tani0

n2/n1），i0，n21（或n2/n1）

9．4，1，暗

10．1.49×10-4

11．12．

13．14．1.48

15．凹，l/2

16．不变，减弱

17．906

18．主极大（亮纹）的光强减小(因N减小)；主极大变密（因缝间距变大），缺级的级次变得更高（因

d/a

变大）。

19．7个暗环；3l；(11/4)l

20．2N/5；2N/L

21．答案如图

22．5l

/(2sin

23．2.5

二、计算题

1.1.61

解：设第五个明纹处膜厚为e，则有2ne

0.5λ

5λ

设该处至劈棱的距离为L，则有近似关系e

Lθ，由上两式得

2nLθ

9λ/2，L

9λ/4nθ

充入液体前第五个明纹位置

9λ/4θ

充入液体后第五个明纹位置

9λ/4nθ

充入液体前后第五个明纹移动的距离

9λ(1

1/n)/4θ

1.61

2.5.4×

10-3

rad；2.7×10-3

3.rk2

λ/(R2

R1)

（k

1，2，3…）

解：如图所示，第k

个暗环处空气薄膜的厚度

△e为

△e

由几何关系可得近似关系

rk2/(2R1)，e2

rk2/(2R2)

第k

个暗环的条件为

2△e

kλ

∴rk2

λ/(R2

R1)

4.600

nm；428.6

解：加强，2ne

0.5λ

kλ，λ

3000/(2k

1，λ1

3000

nm；

2，λ2

1000

nm；

3，λ3

600

nm；

4，λ4

428.6

nm；

5，λ5

333.3nm。

∴

在可见光范围内，干涉加强的光的波长是

600

和

428.6

nm。

5.证：

由于

位相差

2π光程差/波长

所以

2π(dsinθ)/

P点处合成的波振动

2E0cos(j/2)

sin(ωt

j/2)

sin(ωt

j/2)

所以合成振幅

2E0cos(j/2)

式中λ是光波长，是的最大值。

6.解：

(1)

Δx

2kDλ/d，∴

2kDλ/Δx，此处

∴

10Dλ/Δx

0.910

(2)

共经过20个条纹间距，即经过的距离

20Dλ/d

(3)

不变

7.解：

(1)

20Dλ/a

0.11ｍ

(2)

覆盖云玻璃后，零级明纹应满足

1)e

＋

设不盖玻璃片时，此点为第k

级明纹，则应有

kλ

所以(n

1)e

kλ

1)e/λ

6.96

≈７

零级明纹移到原第7

级明纹处。

8.解：

(1)

明环半径

(2)

对于r

1.00

cm，=

50.5

故在OA

范围内可观察到的明环数目为50个。

9.解：

(1)

棱边处是第一条暗纹中心，在膜厚度为

处是第二条暗纹中心，依此可知第四条暗纹中心处，即

处膜厚度。

∴

rad

(2)

由上问可知

处膜厚为

750

对于λ＇=

600

nm的光，连同附加光程差，在A

处两反射光的光程差为，它与波长λ＇之比为

所以

处是明纹

(3)

棱边处仍是暗纹，A

处是第三条明纹，所以共有三条明纹，三条暗纹。

10.解：空气劈尖时，间距

液体劈尖时，间距

∴

1.7×10-4

rad

11.解：(1)

第k

个明环，(2)

∵

式中

为第k

级明纹所对应的空气膜厚度

∵　ek

很小，ｅK，∴

可略去，得

∴

（k

=１，２，３…）

12.解：原间距

改变后，mm

改变后，６×10-4

rad

改变量

4.0×10-4

rad

13.解：第四条明条纹满足以下两式：，即，即

第4

级明条纹的位移值为

（也可以直接用条纹间距的公式算，考虑到第四明纹离棱边的距离等于3.5个明纹间距。）

14.解：。

7.26×10-3

15.解：

mm，λ

5893

Å，第一级衍射主极大：

∴

0.295

17.1°

16.解：(1)

由光栅衍射明纹公式得

3.36×10-4

(2)

4200

17.解：第1暗纹的衍射角

q，满足

双缝干涉的明纹满足

对于位于中央明纹内的干涉明纹。我们有

。因此

又因为，故

是

4的倍数的明纹缺失，所以在衍射的中央明纹区域内有7条干涉明纹：-3，-2，-1，0，1，2，3

18.解：光栅总缝数

(条)

分辨率，k

是光谱的级次。

可分辨的最小波长差为

19.解：(1)

由单缝衍射明纹公式可知

（取

1）；

由于；

所以

设两第一级明纹之间距为

(2)

由光栅衍射主极大的公式

且有

所以

20.解：(1)

由光栅衍射主极大公式得

(2)

若第三级不缺级，则由光栅公式得

由于第三级缺级，对应于最小可能的a，方向应是单缝衍射的第一级暗纹：，两式比较，得：

(3)

（主极大），观察到的全部主极大的级次：0，±1，±2

21.解：(1)

cm；(2)

0.373

22.解：(1)

0.06

m；(2)

共有k

0，±1，±2

等5个主极大。

第五篇：大学物理波动光学总结

大学物理学波动光学的学习总结

（北京航空航天大学

仪器科学与光电工程学院131715班

北京 100191）

摘要：文章就大学物理学中的波动光学中的核心部分包括干涉，衍射，偏振部分的知识做了梳理，并就对推动波动光学理论建立的光学实验做了总结性的介绍和研究。关键词：波动光学干涉衍射偏振实验

19世纪初，人们发现光有干涉、衍射、和偏振等现象。例如，在日常生活中常可看到在太阳光的照耀下，肥皂泡或水面的油膜上会呈现出色彩绚丽的彩色条纹图样；又如，让点光源发出的光通过一个直径可调的圆孔，在孔后适当位置放置一屏幕，逐渐缩小孔径，屏幕上上会出现中心亮斑，周围为明暗相间的圆环形图案等等。这些现象表明光具有波动性，用几何光学理论是无法解释的。由此产生了以光是波动为基础的光学理论，这就是波动光学。19世纪60年代，麦克斯韦建立了光的电磁理论，光的干涉，衍射和偏振现象得到了全面说明。

本文将从光的干涉衍射和偏振来讨论光的波动性以及波动光学中的经典实验。

一、光的干涉

1.光波

定义光波是某一波段的电磁波，是电磁量E和H的空间的传播.2.光的干涉

定义满足一定条件的两束(或多束)光波相遇时，在光波重叠区域内，某些点合光强大于分光强之和，在另一些点合光强小于分光强之和，因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，称为光的干涉现象，光波的这种叠加称为相干叠加，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布称为干涉条纹，其中强度极大值的分布称为明条纹，强度极小值的分布称为暗条纹.3.相干条件

表述两束光波发生相干的条件是:频率相同，振动方向几乎相同，在相遇点处有恒定的相位差.4.光程差与相位差

定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差;两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差.5.双光束干涉强度公式

表述在满足三个相干条件时，两相干光叠加干涉场中各点的光强为

式子中，相位差保持恒定，若I1I2I0则

6.杨氏双缝千涉实验

实验装置与现象如图1所示，狭缝光源S位于对称轴线上，照明相距为a的两个狭缝S1和S2，在距针孔为D的垂轴平面上观察干涉图样，装置放置在空气(n=1)中，结构满足dD,Dx,sintan.在近轴区内，屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹，屏幕上P点的光程差为

相应明暗纹条件是

干涉条纹的位置是

式中，整数k称为干涉级数，用以区别不同的条纹.2

7.薄膜干涉

实验装置如图2所示，扩展单色光源照射到薄膜上反射光干涉的情况，光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后，形成两条光线①、②，在实验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观察，在膜的上下两个表面反射的两束光线①和②的光程差为

二、光的衍射

1.光的衍射现象

定义一束平行光通过一狭缝K，在其后的屏幕上将呈现光斑，若狭缝的宽度比波度大得多时，屏幕E上的光斑和狭缝完全一致，如图3 Ca)所示，这时可成光沿直线传播的;若缝宽与光波波长可以相比拟时，在屏幕E上的光斑亮度虽然降低，但光斑范围反而增大，如图3 Cb)所示的明暗相间的条纹，这就是光的衍射现象，称偏离原来方向传播的光为衍射光.2.惠更斯一菲涅耳原理

表述任何时刻波面上的每一点都可以作为子波的波源，从同一波面上各点发出的子波在空间相遇时，可以相互叠加产生干涉.3.菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射

定义光源到障碍物，或障碍物到屏的距离为有限远，这类衍射称为菲涅尔衍射:光源到障碍物，以及障碍物到屏的距离都是无限远，这时入射光和衍射光均可视为平行光，这类衍射称为夫琅禾费衍射.三、光的偏振

1.光的偏振性

定义光波是电磁波，其电矢量称为光矢量，在垂直于传播方向的平面内，光矢量E可能具有的振动状态(矢量端点的轨迹)，称为光的偏振态.光矢量的振动方向与光传播方向所组成的平面称为振动面.2.偏振光

定义振动方向具有一定规则的光波，称为偏振光。若一束光的光矢量E只沿一个固定的方向振动，称这种光为线偏振光，线偏振光的振动面固定不动，故又称为平面偏振光;若一束光的E矢量按一定频率旋转，其矢端沿着一圆形轨道运动，称这种光为圆偏振光;与圆偏振光类似，若E矢量末端沿着一椭圆形轨道运动，称这种光为椭圆偏振光。

3.部分偏振光

定义如果一束光的光矢量在垂直于传播方向的各个方向上都有分布，各个振动之间没有固定的相位关系，但沿某方向的振动总比其他方向更占优势，称这种光为部分偏振光。

4.偏振片与马吕斯定律

表述某些晶体物质对入射光在某个方向的光振动分量有强烈的吸收，而对与该方向垂直的分量却吸收很少，使之能够通过晶体，具有这种特性的晶体称为“二向色性”物质.把允许通过的光振动方向称为偏振化方向，既透光轴.将具有该性质的晶体制成获取线偏振光的器件，称为偏振片.当一束线偏振光通过偏振片时，透射光的强度是

式中，I0为入射线偏振光的强度，为入射线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角，这个规律称为马吕斯定律.4

5.反射与折射时的偏振布儒斯特定律

表述当自然光以一定入射角入射到两种透明介质的界面上时，反射光和折射光都是部分偏振光，其中，反射光中垂直于入射面的振动分量占主导地位，折射光中平行于入射面的振动分量占主导地位，当入射角是某一特定角度时，反射光变成垂直于入射面的振动方向的线偏振光，该特定角度称为布儒斯特角.布儒斯特角由布儒斯特定律决定，即布儒斯特角i0满足如下关系:

式中，n1和n2分别为入射空间和折射空间的折射率.6.波片

表述表面与光轴平行的晶体薄片称为波片，当一束光正入射于波片时，具有相同的相位，由于它们的传播速度不同，使之通过波片后产生一定的光程差.式中，d为波片的厚度，对应的相位差是

若使d满足o光和e光在通过波片后产生/2的相位差，则此波片称为该波长的1/4波片;若相位差为π（或光程差为/2)，称为该波长的半波片.7.偏振光的干涉

实验装置及现象如图4所示，在两个偏振化方向成一定角度的偏振片之间插入一个波片，当自然光入射时，先用一个起偏器使自然光变成线偏振光.线偏振光进入波片后，投射光形成偏振方向相互垂直的口光和e光，再经过检偏振器，使。光和e光变为同方向的振动，以满足偏振光的干涉条件，形成干涉条纹。

四、推动波动光学发展的重要实验世纪, 胡克和惠更斯创立了光的波动说.这一时期, 人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象,例如格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播, 他把此现象起名为“衍射”.胡克和玻意耳分别通过实验观察到现称之为牛顿环的干涉现象.这些发现成为波动光学发展史的起点.在随后的一百多年间, 牛顿的“微粒说” 与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论, 并由此而产生激烈的争议和探讨, 科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战.因牛顿在学术界的权威和盛名, “ 微粒说” 一直占据着主导地位,波动说则不为多数人所接受.直到进入19 世纪后,人们发现光有干涉、衍射、偏振等现象, 这些事实都对光的波动说提供了重要的实验依据, 从而极大地推动了波动光学的发展.1、杨氏双缝实验

杨氏双缝实验是杨(T.Young)最早以明确形式确立光波叠加原理, 用光的波动性解释干涉现象的一个实验, 从而揭开了波动光学复兴的序幕.杨氏实验示意图如下图所示, 根据惠更斯原理, 认为双缝S1和S2 是两个发射子波的波源, 它们都是从同一个光源S 而来并位于同一个子波波面, 故它们的相位总是相同而能构成相干光源.由下图 , 若双缝间距离为d , 缝屏到光屏EE′间距为D , 光屏上任一点P 到双缝的距离为r1、r2 , 从S1 和S2 所发出的光, 到达P 的波程差是δ= r2-r1 ≈d sin θ

式中θ表示PO 对双缝中点的张角.若光程差等于波长整数倍, 即

dsink

若光程差等于半波长的奇数倍, 即

k =0 , 1 , 2 , „

P 点为明纹.2k12dsin

k =0 , 1 , 2 , „ P 点为暗纹.2通常能观察到干涉条纹的情况下θ总是很小,则

dsindtand故光屏上各级亮纹离中心O 的距离为

xk DxkDd

k =0 , 1 , 2 , „

两相邻亮条纹或暗条纹的间距都是Δx =Dλd ,且干涉条纹都是等间距分布的.杨氏双缝实验为光的波动学说提供了有力的实验依据, 它导致人们对光的波动理论普遍接受.同时, 杨氏双缝实验还以极简单的装置和极巧妙的构思把普通光源变成相干光源, 即满足了频率相同、相位差恒定, 存在相同的振动分量.在此以后的菲涅尔双面镜、双棱镜、洛埃镜等都是以杨氏双缝实验为原型设计出来的.因此杨氏双缝实验在波动光学发展

史上乃至物理学史上都占有非常重要的地位.2 夫琅禾费单缝衍射实验

衍射和干涉一样, 也是波动的重要特征之一.波在传播过程中遇到障碍物时, 能够绕过障碍物边缘前进, 这种偏离直线传播的现象称为波的衍射.但是因为光波的波长太短, 只有几百纳微米, 因此要想实现光波的衍射比起机械波的衍射要难得多, 所以

在一个相当长的时期内, 光能够发生衍射的观点根本不被人们所接受, 光的波动说也就欠缺了说服力.夫琅禾费单缝衍射实验有力地证明光的波动性.平行光通过狭缝产生的衍射条纹定位于无穷远, 称做夫琅禾费单缝衍射.如下图所示, 根据菲涅尔半波带理论, 设单缝的宽度为a , 在平行单色光的垂直照射下, 位于单缝所在处的波阵面AB 上各点发出的子波沿各个方向传播, 位于两条边缘衍射线之间的光程差为δ=BC = asinθ

式中θ表示衍射角即波衍射后沿某一方向传播的子波波线与平面衍射屏法线之间的夹角.根据菲涅尔半波带理论, 当θ适合

asin2k

k =±1 , ±2;±3 , „ 暗纹

2asin2k1



2k =±1 , ±2 , ±3 , „ 明纹

中央明条纹的半角宽度01arcsina,当θ1 很小时有

0a 泊松亮斑实验

在人类探索光的本性的进程中, 泊松亮斑实验是波动光学发展史上具有重大意义的一个经典实验, 在很大程度上推动了波动光学的进一步发展.1818 年, 法国科学院组织了一次悬赏征文活动,竞赛评奖委员会的本意是希望通过这次征文, 鼓励用微粒理论解释衍射现象, 以期取得微粒理论的决定性胜利.然而, 出乎意料的是, 不知名的学者菲涅耳却按照波动说深入地研究了光的衍射.当时, 泊松是光的波动说的极力反对者, 他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题, 发现在一定条件下,在不透明的圆板的阴影中心有一个亮斑, 这就是著名的“泊松亮斑”, 如下图所示.泊松认为这是十分荒谬的, 于是就声称驳倒了光的波动理论.但后来菲涅耳在实验室观察到了这个亮点, 这样, 泊松的计算公式反而有力地支持了光的波动学说, 使光的波动理论在这场竞赛中, 赢得了新的辉煌的胜利.塞曼效应试验

塞曼效应被誉为继X 射线(1895 年发现)之后物理学最重要的发现之一, 1902 年塞曼因这一发现与洛伦兹共享诺贝尔物理学奖.19 世纪初, 光的波动说获得很大成功, 逐渐得到人们公认.但是当时人们把光波看成像机械波, 需要有传播的媒介, 曾假设在宇宙空间充满一种特殊物质“以太”.而且,“以太” 应具有以下性质:一是有很大的弹性(甚至像钢一样);二是有极小的密度(比空气要稀薄得多——— 以至我们根本不能用实验探测它的存在).这种神秘的“以太” 存在吗?这个问题到目前为止, 甚至还在小范围的争执之中.但是, 各种证明“以太” 存在的实验都被认为是失败的, 这就使光的机械波学说陷入了困境.这时, 有一些新的事实促使人们去进一步探索光的本性的神秘面纱.1862 年法拉第做了最后一次实验, 试图发现磁场对放在磁场内的光源发出的光线的影响, 但结果是否定的, 因为他用的仪器还不够灵敏, 不能探测到这种微细的效应.30 年后, 当时还是青年的塞曼, 从阅读法拉第的实验计划受到启发,他用更精密的仪器重新做实验, 发现了塞曼效应.这个实验证明了光具有电磁本性, 同时也对原子物理的研究有着重要的贡献.塞曼效应的发现使人类对光的认识更加深化,认识范围更加扩大.光具有波动性、光的电磁本性逐渐被人们所公认.这种理论在光学史上起着特殊重要的作用.五、波动光学学习感想

通过对波动光学部分学习，我真切的感受到了光学的奥秘和无限的研究价值之所在。在这之前，一直是几何光学给予我最直接的对于光学的印象，这种印象是我对光学并没有产生多大的兴趣。接触和学习了波动光学部分的内容和知识之后，我感受到了光变化万千的本质。作为一种电磁波，光的波动性质使其具有了诸如干涉，衍射，偏振的性质，这些性质随着科技不断的进步，测量工具的日益进步逐渐为人类所了解熟悉，到应用。这些应用体现在现代科学技术中的各个方面，例如。长度的精密测量，光谱学的测量与分析，光测弹性研究，晶体结构的分析等。随着激光技术的发展，全息照相技术，集成光学，光通信等新技术也先后建立起来，开拓了光学研究和应用的全新领域。其中，在基础理论方面也包括了对波动光学的再认识和新内容。如傅里叶光学、相干光学和信息处理以及在强激光下的非线性光学效应。我们不难发现，波动光学由于其对科学的测量手段的高度依赖性，它的研究和实际价值的开发是有巨大潜力的。

参考文献：

[1]吴百诗.大学物理学[ J ]．北京：高等教育出版社，2004.12 [2]游璞，于国萍．光学[ M ]．北京：高等教育出版社，2008.12 [3]宋贵才．物理光学理论与应用[ J ].北京：北京大学出版社，2010.3 [4]赵青生．大学物理实验[ M] ．合肥：安徽大学出版社, 2004

大学物理实验(光学部分)复习资料

第一篇：大学物理实验(光学部分)复习资料

第二篇：大学物理实验(光学部分)思考题

第三篇：大学物理演示实验感想光学（推荐）

第四篇：大学物理-波动光学自测题

第五篇：大学物理波动光学总结

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