光的干涉和绕射99课纲选修.docVIP

第十六章 物理光學 — 光的干涉與繞射 §16-1光的本質 1.幾何光學(又稱為線光學):利用「光在均勻介質中以直線傳播」的觀點來解釋光的現象 ，例如反射、折射……等。物理光學(又稱為波動光學):利用「光是波動」的觀點來解釋光的現象，例如干涉、繞 射….等。 2. 微粒說與波動說： 微粒說－牛頓 波動說－海更士 主張 光是由很輕、運動速度很快的微小粒子組成 光線是一種類似繩波的橫波 能解釋的現象 直線傳播、反射、折射(包含色散)、照度與距離平方成反比、 光電效應、康普吞效應 直線傳播、反射、折射(包含色散)、照度與距離平方成反比、干涉、繞射、部份反射部份折射、偏振 不能解釋的現象 折射光在介質中速度變慢、干涉、繞射、部份反射部份折射、偏振 光電效應、康普吞效應 (1).牛頓1672年先提出光微粒說。 (2).後來因無法解釋楊格(young)約1800年做出的干涉、繞射實驗，而被海更士 (Huygens) 1690年提出的波動說推翻。馬克士威爾1864年提出”光是電磁波”理論, 赫茲完成實驗，證明電磁波存在。 (3).到了1900年之後，光電效應和康普吞效應實驗又指出，高能量的光具有粒子的 特性,波動說無法解釋，於是愛因斯坦提出新的”光子說”,認為低能量的無線電 波、紅外線和可見光等具有波動的特性,而高能量的紫外光和X-ray有粒子的特 性，不同能量的光有不同的特性,此稱為『二元論』。 3.光速的測量： (1) 加利略(Galileo Galilei，1564~1642，義大利人)：仿照測聲速的方法，利用兩 座山之間的距離進行測量，結果失敗，以為光速無限大。 (2) 隆美耳(Romer，1644~1710，丹麥人)：利用地球的公轉軌道直徑，測定木星的衛 星成蝕的週期差，測出光速為2.26×108m/s 。 (3) 菲左(H.L. Fizeau，1819~1896，法國人)：利用光線通過快速旋轉的齒輪，產生 週期性的脈波而測出光速為3.1×108m/s 。 (4) 傅科(Leon Foucault，1819~1868，法國人)：以轉動鏡代替菲左實驗中的齒輪， 並使光線在水中往返，測出光在水中的速率為2.23×108m/s，約為空氣中光速的 3/4，與牛頓預測「水中的光速大於空氣中的光速」相反，導致微粒說的失敗。 1. 下面哪個現象，不能用光的微粒說解釋？ (A)光的直進性質 (B)光的反射 (C)光的折射 (D)影子的形成 (E)光的干涉Ans:E 解析：光的干涉不能用光的微粒說解釋。故正確選項為(E)。 2.下列有關「波動」現象的一般特性，何者錯誤？ (A)可傳遞能量和動量 (B)有干涉及繞射的現象 (C)遇不同介質，有反射及折射現象 (D)傳遞波動的介質，會隨波傳播出去。Ans:D 解析：傳遞波動的介質，只在原平衡位置附近作週期性振動，不隨波形移動。 §16-2光的干涉 1.光的相位：兩個頻率相同的光波在空間中出現時 (a)兩光波對應波峰之間的時間差為零，即同相。(相位角差0o) (b)兩光波對應波峰之間的時間差為T/2，即反相。(相位角差180o) 2.水波的干涉: (1)實驗圖形 (2)公式推導: 腹線：= ，n=0、1、2、3…… 節線：=，m=1、2、3 …. 3.光波的干涉: (1)同調光：頻率相同且相位差不隨時間而變的二光波，稱為同調光 (2)楊格雙狹縫干涉實驗：單色光入射在光屏A的單狹縫，透出後再經光屏B上的雙狹 縫S1和S2射出，形成兩同頻率、同相位的光波進行干涉，在屏C上顯示出亮暗相間 的條紋，類似水波干涉圖樣。下右圖是在光屏C上所呈現之亮暗相間的實驗干涉條 紋照片。 (3)亮線及暗線形成的原理: (a) (b) (c) －＝0 －＝ －＝λ交會時同相，形成亮線 交會時反相，形成暗線 交會時同相，形成亮線 亮線：=0、λ、2λ、3λ…= ， n=0、1、2、3…. 暗線：=、、…= ， m=1、2、3、4….. (4)公式推導: 當r (＞d時,θ就很小( sinθ≒tanθ  ? S1與S2的光程差△x＝=，則② ②， n= 0、1、2、3….. 為螢幕上第n條亮紋離中心點O的距離 ，m=1、2、3….. 為螢幕上第m條暗紋離中心點O的距