第一节电磁波光的电磁说

第十三章光的本性第一节电磁波光的电磁说[知识要点]（一）电磁波变化的电场和变化的磁场相互交替产生，由近及远地向周围空间传播，就形成电磁波。电磁波的传播速度：在真空中，c=3.00×108m/s波速、频率和波长的关系：c=λf（二）光的反射反射定律光到达两种媒质的界面被反射回来的现象称光的反射。反射定律：（1）入射光线、折射光线和法线在同一平面上，入射光线和折射光线分居法线的两侧；（2）入射角等于反射角。（三）光的折射折射定律光从一种媒质通过界面进入另一种媒质时，光线的方向发生偏折的现象称光的折射。折射定律：（1）入射光线、折射光线和法线在同一平面上，入射光线和折射光线分居法线的两侧；（2）入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数，即sinsininr（四）折射率n光从真空射入某种媒质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比：n=sinsinir称为这种媒质的折射率。媒质的折射率也等于光的真空中的速度c跟光的这种媒质中的速度v之比：n=cv,而光在真空中速度c=3.00×108m/s。（五）光的色散白光经过棱镜折射后，产生按一定顺序排列的彩色光带（又叫光谱），称为光的色散。（六）光的干涉（1）相干光源：能产生干涉现象的两个光源称相干光源，它们产生的光波一定是频率相同、振动方向相同的光波。（2）光的干涉：两列相干光波在空间相遇，产生稳定的振动始终加强和振动始终减弱相互间隔的条纹（干涉条纹），这种现象称为光的干涉。白光的干涉条纹是彩色条纹，单色光的干涉条纹是明暗相间条纹。（3）双缝干涉：线光源通过等距离放置的两个狭缝后产生的干涉现象。（4）薄膜干涉：平行光通过薄膜的前后两个表面反射后的反射光产生干涉的现象。（七）光的衍射光波通过孔、缝或障碍物后偏离直线传播的方向，进入阴影区的现象称光的衍射。产生显著衍射现象的条件：孔、缝或障碍物的尺寸比光的波长小或接近。衍射条纹：衍射现象产生的条纹，白光衍射是彩色条纹，单色光衍射是明暗相间条纹。（八）光的电磁说光具有反射、折射现象，同时具有干涉、衍射现象，证明了光是一种波；电磁波和光在真空中的速度相等，说明了光是电磁波，这就是光的电磁说。（九）电磁波谱按电磁波的波长（或频率）大小，各种电磁波的顺序排列称电磁波谱。按频率由低到高排列电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线。（十）红外线、紫外线、X射线的产生及主要作用[疑难分析]1.光波与机械波的不同点。（1）本质不同，光皮是电磁波，是变化的电磁场的传播，机械波是机械振动在媒质中的传播。（2）光波可以在真空中传播，机械波必须在媒质中传播。（3）机械波的传播速度只决定于媒质，而与频率无关，如各种频率的声波，在空气中传播速度一样，进入水中后速度变化也都一样。但光波的速度不仅与媒质有关，且与频率有关，如白光由真空进入媒质后，各种频率的色光速度都变小，而且频率越高，速度变得越小。2.光的干涉、相干光源的获得。历史上在证明光是一种波时，光的干涉现象作了有力的证据，因为干涉现象是波的主要特性之一。但由于相干光源的难以获得，使光是一种波的理论很久难以定论，直至1801年，英国物理学家托马斯·扬巧妙地用双缝实验解决了相干光源问题；而同时代的法国物理学家菲涅耳也巧妙地用双面镜实验获得了相干光源。他们都是用同一光源分出两束完全相同的相干光源。如图13-1所示为扬氏双缝干涉实验原理图，图13-2为菲涅耳双面镜干涉实验原理图。3．光的干涉和衍射的区别及联系。光的干涉现象和衍射现象都是光的波动性体现，都有力地证明了光是一种波，但两者在概念上是有严格区别的。干涉是两列相同频率的光在传播过程中的重叠区域里叠加而发生的现象，衍射是一同一列光在传播过程中，遇到尺雨与期波长相近(或小)的障碍物(或孔)的障碍物(或孔)而发生的绕射现象。虽然其结果都是明暗相同的条纹，但这两种条纹还是有区别的，单色光的双缝干涉条纹，明暗条纹间距相等，光源的波长越长，间距也越大，如图13-3所示，单色光的单缝衍射明暗条纹中，中央明纹最亮最宽，其两则的亮纹亮度逐渐减弱，且间距也逐渐增大，如图13-4所示。干涉和衍射虽然是两种不贩现象，但它们在发生时是相辅相成的，便如在双缝干涉时，若两缝宽度较宽，就只能观察到光的直线传播现象，不能得到干涉条纹。必须在狭缝很窄时，先使光在每个狭缝处发生衍射，才能在双缝后的重叠区域内发生干涉，产生干涉条纹，所以干涉离不开衍射。同样，在单缝衍射时，通过单缝的光小上每一占都可看作一个新的点光源（惠更斯原理），各点光源发生的光又发生相应干涉，而形成衍射条纹，所以衍射也离不开干涉。4.关于增透膜的工作原理增透膜的工作原理就是薄膜干涉原理，当一束单色平行光照射到薄膜上时，薄膜的前后两表面分别会反射出两束反射光，当这两束反射光正好反相时（振动步调相差1800）就会相互抵消，反射光消失（出现暗条纹）。现代光学仪器由许多透镜和棱镜组成，它们的表面都会使光反射，结果透射光的能量大大减少，如果是照相机，就会使成像模糊，因此利用薄膜干涉原理，在这些元件表面涂上一层薄膜，使之两束反射光恰好抵消，这就减少了反射损失，增强了透射光强度，这层薄膜就叫增透膜。通常要使某种波长的光增透，薄膜厚度就等于该光在薄膜介质波长的14，例如一般照相机镜头的增透膜厚度，做成白光中间色光（绿光）在膜中波长的14，使绿光及其邻近波长的光透射增强，而边缘的红光、紫光仍有反射，因此这层增透膜看上去呈谈紫色。[例题解析]1.某单色光在空气中传播时波长为1=400nm，当它由空气射入水中时，速度变为2.25×108m/s，求该色光的频率和在水中的波长。解析：由于光在空气中的传播速度与真空中接近，一般计算时空气中光速可取c=3.00×108m/s，由c=1v，可求出该色光的频率为8141013.00107.510()400010cvHz进入水中后，由于介质的不同，光速度成v=2.25×108m/s,但光的频率不会变，故仍由2vv，可求得在水中的波长。872142.2510310()300()7.510umnmv应该知道，光在真空中的传播速度是最大的，进入任何介质，速度都将变小，波长也变短，但频率是不变的。这一点可以推广到所有电磁波。2．解释下列光学现象。（1）蜡烛通过小孔成倒立的像；（2）水杯中的筷子被“折断”；（3）雨后天空出现的彩虹；（4）水面上油膜呈现的彩色；（5）一束红色激光束通过小圆孔后，在屏上呈现的明暗相间同心圆环。解析：（1）小孔成像，是由于光的直线传播的结果；（2）是光的反射和折射共同形成的一种影像；（3）是太阳光由空气折射进水珠，又从水珠中折射出来产生的色散现象；（4）是薄膜干涉现象，光射到薄膜的前表面时，一部分发生反射，另一部分折射进膜内在其后表面发生反射后，再次折射出来，因而获得了同一束光的两束反射光，满足相干条件而发生干涉，形成明暗条纹，由于太阳光由七种色光组成，它们的波长不相同，明暗条纹间距不同，组合在一起，就形成彩色条纹；（5）是单色光的圆孔衍射，由于衍射现象的实质是同一束光在绕射后的重叠区域里发生干涉的结果，形成明暗相间条纹，圆孔衍射就得到明暗相间的同心圆环。[知识拓宽]1．波动理论对光的双缝干涉实验结论的解释。如图13-5所示，S1，S2为双缝，它们距光屏的距离为L，彼此相距为d,r1和r2分别为它们到光屏上一点P的距离（又称光程）。由于S1和S2为相干光源，波长相同，因此若它们到P点的光程差r2-r1恰为波长的整数倍时，两列光波在P点的振动叠加是干涉的加强点。若r2-r1恰为波长的整数倍时，两列光波在P点的振动叠加是干涉的加强点。若r2-r1是半波长的奇数倍时，两列光波在P点的叠加，是干涉的相消点，因此可用一个关系式表示：212rrn①当n=2kP点应出现明纹。当n=2k+1(k=0,1,2,…)时，P点应出现暗纹。若再设P点到屏中心距离为x，则22222212(),()22ddrlxrlx，两式相减得(r2-r1)(r1+r2)=2dx，由于L比x和d都大得多，故r2+r2≈2L，所以21drrxL②由①②式得2dxnL即2Lxnd③③式表明，当P点位置坐标x满足③式时，或者出现亮条纹（n=2k,k=0,1,2,…），或者出现暗条纹（n=2k+1,k=0,1,2,…）.由③式可以得到任意两条明纹（或暗纹）的间距1kkxxx得Lxd④④式表示，只要知道L，d，测出相邻两条明纹（或暗纹）的间距x，就可计算出干涉光波的波长。2.关于光通过不透明小圆板的衍射和泊松亮斑。18世纪初，法国物理学家菲涅耳利用波动理论对光的衍射现象作出了数学分析。当时一位反对光的波动说的数学家泊松从菲涅耳的分析得出结论：如果光是一种波，则在光通过一个不透明的小圆板时，屏上的圆盘影中心应出现一个亮斑。由于当时人们从未看到过这个现象，光的波动说再次受到怀疑，菲涅再接受了这个挑战，精心研究，不断实验，终于证明了盘影中心确实有一个亮斑，如图13-6所示。历史上称之为“泊松亮斑”，从而光的波动说获得了巨大成功。[练习题]一、填空题1.两列光波必须满足时，才能产生干涉现象。2．凡是波都可发生衍射现象，使波产生明显衍射的条件是，而使波直进的条件是。3．激光唱片在日光灯下出现彩色条纹，是光的现象，通过游标卡尺窄缝看日光灯出现的彩色条纹，是光的现象，增透膜是利用光的现象，而增大了透射光的强度。4．白光中有七种彩色成分，它们是，其中光波长最长，光频率最高。5。白光的双缝干涉应得到条纹，白光的单缝衍射应得到条纹。6．小孔成像是属于光的现象，用平行单色光照射一把刀片，发现屏上刀片的阴影边缘模糊不清，这是光的现象，用平行单色光垂直照射一块不透明的小圆板，在屏上发现圆板的阴影中心有一亮斑，这是光的现象，这个亮斑称为亮斑。147．电磁波谱按频率由低到高的排列是。8．红外线的主要作用是，紫外线的主要作用是，X射线的主要作用是。二、选择题1.下面哪些恪地光的干涉现象？（）（A）雨后美丽的彩虹（B）从两支铅笔的狭缝中看到日光灯的彩色条纹（C）阳光下肥皂膜上的彩色条纹（D）光通过三棱镜后在屏上出现的彩色光带2.下列叙述中正确的是（）（A）光的干涉和衍射所产生的条纹都是由于相干光源互相叠加的结果（B）干涉和衍射都说明光具有波动性（C）白光通过双缝干涉得到彩色条纹，如果将一缝遮住，就得不到彩色条纹（D）光的衍射现象否定了光的直线传播3.从两支手电筒射出的光，当它们射到同一点时，看不到干涉图样，主要因为是（）（A）手电筒射出的不是单色光（B）干涉图样太细、太小看不到（C）周围环境的漫反射光线太强（D）两个淘汰是非相干光源4.指出下列哪些条纹是不等间距的（）（A）双缝干涉图样（B）圆孔衍射图样（C）由劈形薄膜形成的干涉图样（D）单缝衍射形成的衍射图样5.如图13-7是一竖直肥皂膜的横截面，光通过薄膜产生干涉，下列说法中正确的是（）（A）用绿光照射时产生的干涉条纹间距比红光照射时大（B）干涉条纹中的暗线是薄膜前后两表面反射的两列光波，波谷和波谷叠加而形成的（C）观察干涉条纹，应沿着平行光照射方向自左向右看（D）薄膜上的干涉条纹应是水平排列的。6.如图13-8所示，用干涉法检查某零件表面的平整度，下列判断中正确的是（）（A）a是被测零件（B）a是标准件（C）b是被测零件（D）c是空气劈7.上题中，干涉条纹是哪两个表面反射光线相干产生的？（A）a的上表面和b的下表面（B）a的上表面和b的上表面（C）a的下表面和b的上表面（D）a的下表面和b的下表面8.如图13-9所示，用单色光做双缝干涉实验时，光屏上P处是第二亮条纹的位置，若改用频率较高的单色光做实验时，第二亮条纹的位置应（）（A）仍在P点（B）P点上方（C）P点下方（D）不能确定9.上题中，若光源是单色红光，屏上应出现红色干涉条纹，此时若将双缝中的一缝用遮光片挡住，则在屏上（）（A）干涉条纹不变（B）只有一半的干涉条纹（C）变成红光的衍射条纹（D）没有明暗条纹10.首先提出光是电磁波的物理学家是（）（A）惠更斯（B）麦