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高中物理波动光学复习资料

波动光学是高中物理光学部分的核心内容，它从光的波动性出发，解释了光的干涉、衍射和偏振等现象。与几何光学不同，波动光学不再将光视为沿直线传播的“光线”，而是强调其电磁波的本质。理解波动光学，不仅能帮助我们解释生活中诸多奇妙的光现象，更是为后续学习近代物理奠定基础。这份复习资料将带你系统梳理波动光学的关键知识点，希望能助你巩固基础，提升解题能力。

一、光的波动性与电磁波谱

我们首先要明确光的波动本性。光既具有粒子性，也具有波动性，这就是光的波粒二象性。但在波动光学的范畴内，我们重点研究光的波动性。

1.光的电磁波本质：

麦克斯韦电磁场理论预言了电磁波的存在，并指出光也是一种电磁波。可见光只是电磁波谱中一个很窄的波段。电磁波是横波，其电场强度矢量和磁感应强度矢量都与传播方向垂直。在讨论光的波动现象时，通常以电场强度矢量（光矢量）的振动来代表光的振动。

2.电磁波谱：

按波长（或频率）大小顺序排列的电磁波序列称为电磁波谱。从长波到短波包括：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。可见光的波长范围大约在几百纳米，不同波长对应不同颜色，红光波长较长，紫光波长较短。

二、光的干涉

光的干涉现象是光波动性的直接证据之一。当两列（或多列）光波在空间相遇时，在相遇区域某些点的光振动始终加强，而在另一些点的光振动始终减弱，形成稳定的明暗相间的条纹，这种现象叫做光的干涉。

2.1光的干涉条件

要产生稳定的干涉现象，相遇的两列光必须满足以下条件，称为相干条件：

1.频率相同：这是产生干涉的首要条件。只有频率相同，叠加时才能产生稳定的相位差。

2.振动方向相同（或有平行的振动分量）：如果两列光的振动方向相互垂直，则它们的合振动不会产生强度的稳定变化，无法形成干涉条纹。

3.相位差恒定：在相遇点，两列光的相位差必须保持恒定。如果相位差随机变化，干涉图样也会随之随机变化，无法观察到稳定的条纹。

普通光源（如白炽灯、日光灯）发出的光，是由大量原子的无规则热运动跃迁辐射产生的，其频率、相位、振动方向都是随机的，因此不能直接产生干涉。获得相干光的方法通常有两种：分波阵面法（如杨氏双缝干涉）和分振幅法（如薄膜干涉）。

2.2杨氏双缝干涉实验

托马斯·杨的双缝干涉实验是历史上证明光具有波动性的著名实验。

1.实验装置：由单色光源、单缝（或狭缝）、双缝和接收屏组成。单缝的作用是获得一个线光源，双缝将该线光源发出的光分成两束，这两束光来自同一光源，满足相干条件。

2.实验现象：在接收屏上可以观察到一系列等间距、明暗相间的平行条纹。中央为亮条纹，两侧对称分布。

3.条纹成因分析：

*亮条纹（加强）：当两列光波到达屏上某点的光程差等于波长的整数倍（或相位差为2π的整数倍）时，该点振动加强，出现亮条纹。

光程差δ=±kλ（k=0,1,2,...），其中k=0对应中央亮纹（零级亮纹），k=1,2,...对应一级、二级、...亮纹。

*暗条纹（减弱）：当两列光波到达屏上某点的光程差等于半波长的奇数倍（或相位差为π的奇数倍）时，该点振动减弱，出现暗条纹。

光程差δ=±(2k+1)λ/2（k=0,1,2,...），对应k=0,1,2,...级暗纹。

4.条纹间距公式：相邻两条亮纹（或暗纹）中心之间的距离Δx=Lλ/d，其中L为双缝到屏的距离，d为双缝间距，λ为入射光的波长。

*此公式表明，条纹间距与波长成正比，与双缝间距成反比，与双缝到屏的距离成正比。

*用白光做实验时，中央亮纹为白色，两侧各级亮纹为彩色条纹，且紫光靠近中央，红光远离中央。

2.3薄膜干涉

薄膜干涉是利用分振幅法获得相干光的典型例子。光照射到薄膜上时，会在薄膜的上、下表面发生反射（有时也会有折射后再反射的情况），这两束反射光（或两束透射光）来自同一入射光，满足相干条件，在相遇时会产生干涉。

1.光程差的计算：在分析薄膜干涉时，需要考虑两束相干光的几何路程差以及可能存在的半波损失。

*半波损失：光从光疏介质（折射率较小）射向光密介质（折射率较大）并在界面反射时，反射光的相位会发生π的突变，相当于光程增加或减少了λ/2，这种现象称为半波损失。如果是从光密介质射向光疏介质，反射光则没有半波损失。折射光永远没有半波损失。

2.等倾干涉与等厚干涉：

*等倾干涉：当薄膜厚度均匀时，光程差主要由入射角决定。具有相同入射角的光，其反射光（或透射光）将在透镜的焦平面上形成同一级干涉条纹，这种干涉称为等倾干涉。条纹形状为一系列同心圆环。

*等厚干涉：当薄膜厚度不均匀，且入射光为平行光（即入射角恒定）时，光程差主要由薄膜的厚度决定。薄膜厚度相同的