1、第十三章 光的本性第一節 電磁波 光的電磁說知識要點 （一）電磁波變化的電場和變化的磁場相互交替產生，由近及遠地向周圍空間傳播，就形成電磁波。電磁波的傳播速度：在真空中，c=3.00×108m/s波速、頻率和波長的關系：c=f（二）光的反射 反射定律光到達兩種媒質的界面被反射回來的現象稱光的反射。反射定律：（1）入射光線、折射光線和法線在同一平面上，入射光線和折射光線分居法線的兩側；（2）入射角等于反射角。（三）光的折射 折射定律光從一種媒質通過界面進入另一種媒質時，光線的方向發生偏折的現象稱光的折射。折射定律：（1）入射光線、折射光線和法線在同一平面上，入射光線和折射光線分居法線的

2、兩側；（2）入射角的正弦與折射角的正弦之比為一常數，即（四）折射率n光從真空射入某種媒質時，入射角的正弦與折射角的正弦之比：n=稱為這種媒質的折射率。媒質的折射率也等于光的真空中的速度c跟光的這種媒質中的速度v之比：n=,而光在真空中速度c=3.00×108m/s。（五）光的色散白光經過棱鏡折射后，產生按一定順序排列的彩色光帶（又叫光譜），稱為光的色散。（六）光的干涉（1）相干光源：能產生干涉現象的兩個光源稱相干光源，它們產生的光波一定是頻率相同、振動方向相同的光波。（2）光的干涉：兩列相干光波在空間相遇，產生穩定的振動始終加強和振動始終減弱相互間隔的條紋（干涉條紋），這種現象稱為光

3、的干涉。白光的干涉條紋是彩色條紋，單色光的干涉條紋是明暗相間條紋。（3）雙縫干涉：線光源通過等距離放置的兩個狹縫后產生的干涉現象。（4）薄膜干涉：平行光通過薄膜的前后兩個表面反射后的反射光產生干涉的現象。（七）光的衍射光波通過孔、縫或障礙物后偏離直線傳播的方向，進入陰影區的現象稱光的衍射。產生顯著衍射現象的條件：孔、縫或障礙物的尺寸比光的波長小或接近。衍射條紋：衍射現象產生的條紋，白光衍射是彩色條紋，單色光衍射是明暗相間條紋。（八）光的電磁說光具有反射、折射現象，同時具有干涉、衍射現象，證明了光是一種波；電磁波和光在真空中的速度相等，說明了光是電磁波，這就是光的電磁說。（九）電磁波譜按電磁波的

4、波長（或頻率）大小，各種電磁波的順序排列稱電磁波譜。按頻率由低到高排列電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和射線。（十）紅外線、紫外線、X射線的產生及主要作用疑難分析1.光波與機械波的不同點。（1）本質不同，光皮是電磁波，是變化的電磁場的傳播，機械波是機械振動在媒質中的傳播。（2）光波可以在真空中傳播，機械波必須在媒質中傳播。（3）機械波的傳播速度只決定于媒質，而與頻率無關，如各種頻率的聲波，在空氣中傳播速度一樣，進入水中后速度變化也都一樣。但光波的速度不僅與媒質有關，且與頻率有關，如白光由真空進入媒質后，各種頻率的色光速度都變小，而且頻率越高，速度變得越小。2.光的干涉、相干

5、光源的獲得。歷史上在證明光是一種波時，光的干涉現象作了有力的證據，因為干涉現象是波的主要特性之一。但由于相干光源的難以獲得，使光是一種波的理論很久難以定論，直至1801年，英國物理學家托馬斯·揚巧妙地用雙縫實驗解決了相干光源問題；而同時代的法國物理學家菲涅耳也巧妙地用雙面鏡實驗獲得了相干光源。他們都是用同一光源分出兩束完全相同的相干光源。如圖13-1所示為揚氏雙縫干涉實驗原理圖，圖13-2為菲涅耳雙面鏡干涉實驗原理圖。3光的干涉和衍射的區別及聯系。光的干涉現象和衍射現象都是光的波動性體現，都有力地證明了光是一種波，但兩者在概念上是有嚴格區別的。干涉是兩列相同頻率的光在傳播過程中的重疊

6、區域里疊加而發生的現象，衍射是一同一列光在傳播過程中，遇到 尺雨與期波長相近(或小)的障礙物(或孔)的障礙物(或孔)而發生的繞射現象。雖然其結果都是明暗相同的條紋，但這兩種條紋還是有區別的，單色光的雙縫干涉條紋，明暗條紋間距相等，光源的波長越長，間距也越大，如圖13-3所示，單色光的單縫衍射明暗條紋中，中央明紋最亮最寬，其兩則的亮紋亮度逐漸減弱，且間距也逐漸增大，如圖13-4所示。干涉和衍射雖然是兩種不販現象，但它們在發生時是相輔相成的，便如在雙縫干涉時，若兩縫寬度較寬，就只能觀察到光的直線傳播現象，不能得到干涉條紋。必須在狹縫很窄時，先使光在每個狹縫處發生衍射，才能在雙縫后的重疊區域內發生干

7、涉，產生干涉條紋，所以干涉離不開衍射。同樣，在單縫衍射時，通過單縫的光小上每一占都可看作一個新的點光源（惠更斯原理），各點光源發生的光又發生相應干涉，而形成衍射條紋，所以衍射也離不開干涉。4.關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，當一束單色平行光照射到薄膜上時，薄膜的前后兩表面分別會反射出兩束反射光，當這兩束反射光正好反相時（振動步調相差1800）就會相互抵消，反射光消失（出現暗條紋）。現代光學儀器由許多透鏡和棱鏡組成，它們的表面都會使光反射，結果透射光的能量大大減少，如果是照相機，就會使成像模糊，因此利用薄膜干涉原理，在這些元件表面涂上一層薄膜，使之兩束反射光恰好抵消，這就減

8、少了反射損失，增強了透射光強度，這層薄膜就叫增透膜。通常要使某種波長的光增透，薄膜厚度就等于該光在薄膜介質波長的，例如一般照相機鏡頭的增透膜厚度，做成白光中間色光（綠光）在膜中波長的，使綠光及其鄰近波長的光透射增強，而邊緣的紅光、紫光仍有反射，因此這層增透膜看上去呈談紫色。例題解析1.某單色光在空氣中傳播時波長為1=400nm，當它由空氣射入水中時，速度變為2.25×108m/s，求該色光的頻率和在水中的波長。解析：由于光在空氣中的傳播速度與真空中接近，一般計算時空氣中光速可取c=3.00×108m/s，由c=1v，可求出該色光的頻率為進入水中后，由于介質的不同，光速度成v

9、=2.25×108m/s,但光的頻率不會變，故仍由，可求得在水中的波長。應該知道，光在真空中的傳播速度是最大的，進入任何介質，速度都將變小，波長也變短，但頻率是不變的。這一點可以推廣到所有電磁波。2解釋下列光學現象。（1）蠟燭通過小孔成倒立的像；（2）水杯中的筷子被“折斷”；（3）雨后天空出現的彩虹；（4）水面上油膜呈現的彩色；（5）一束紅色激光束通過小圓孔后，在屏上呈現的明暗相間同心圓環。解析：（1）小孔成像，是由于光的直線傳播的結果；（2）是光的反射和折射共同形成的一種影像；（3）是太陽光由空氣折射進水珠，又從水珠中折射出來產生的色散現象；（4）是薄膜干涉現象，光射到薄膜的前表面

10、時，一部分發生反射，另一部分折射進膜內在其后表面發生反射后，再次折射出來，因而獲得了同一束光的兩束反射光，滿足相干條件而發生干涉，形成明暗條紋，由于太陽光由七種色光組成，它們的波長不相同，明暗條紋間距不同，組合在一起，就形成彩色條紋；（5）是單色光的圓孔衍射，由于衍射現象的實質是同一束光在繞射后的重疊區域里發生干涉的結果，形成明暗相間條紋，圓孔衍射就得到明暗相間的同心圓環。知識拓寬1波動理論對光的雙縫干涉實驗結論的解釋。如圖13-5所示，S1，S2為雙縫，它們距光屏的距離為L，彼此相距為d,r1和r2分別為它們到光屏上一點P的距離（又稱光程）。由于S1和S2為相干光源，波長相同，因此若它們到P

11、點的光程差r2-r1恰為波長的整數倍時，兩列光波在P點的振動疊加是干涉的加強點。若r2-r1恰為波長的整數倍時，兩列光波在P點的振動疊加是干涉的加強點。若r2-r1是半波長的奇數倍時，兩列光波在P點的疊加，是干涉的相消點，因此可用一個關系式表示： 當n=2k P點應出現明紋。當n=2k+1 (k=0,1,2,)時， P點應出現暗紋。若再設P點到屏中心距離為x，則，兩式相減得(r2-r1)(r1+r2)=2dx，由于L比x和d都大得多，故r2+r22L，所以 由式得 即 式表明，當P點位置坐標x滿足式時，或者出現亮條紋（n=2k,k=0,1,2,），或者出現暗條紋（n=2k+1,k=0,1,2,

12、）.由式可以得到任意兩條明紋（或暗紋）的間距 得 式表示，只要知道L，d，測出相鄰兩條明紋（或暗紋）的間距，就可計算出干涉光波的波長。2.關于光通過不透明小圓板的衍射和泊松亮斑。18世紀初，法國物理學家菲涅耳利用波動理論對光的衍射現象作出了數學分析。當時一位反對光的波動說的數學家泊松從菲涅耳的分析得出結論：如果光是一種波，則在光通過一個不透明的小圓板時，屏上的圓盤影中心應出現一個亮斑。由于當時人們從未看到過這個現象，光的波動說再次受到懷疑，菲涅再接受了這個挑戰，精心研究，不斷實驗，終于證明了盤影中心確實有一個亮斑，如圖13-6所示。歷史上稱之為“泊松亮斑”，從而光的波動說獲得了巨大成功。練習題

13、一、填空題1.兩列光波必須滿足 時，才能產生干涉現象。2凡是波都可發生衍射現象，使波產生明顯衍射的條件是 ，而使波直進的條件是 。3激光唱片在日光燈下出現彩色條紋，是光的 現象，通過游標卡尺窄縫看日光燈出現的彩色條紋，是光的 現象，增透膜是利用光的 現象，而增大了透射光的強度。 4白光中有七種彩色成分，它們是 ，其中 光波長最長， 光頻率最高。5。白光的雙縫干涉應得到 條紋，白光的單縫衍射應得到 條紋。6小孔成像是屬于光的 現象，用平行單色光照射一把刀片，發現屏上刀片的陰影邊緣模糊不清，這是光的 現象，用平行單色光垂直照射一塊不透明的小圓板，在屏上發現圓板的陰影中心有一亮斑，這是光的 現象，這

14、個亮斑稱為 亮斑。7電磁波譜按頻率由低到高的排列是 。8紅外線的主要作用是 ，紫外線的主要作用是 ，X射線的主要作用是 。二、選擇題1.下面哪些恪地光的干涉現象？ （ ）（A）雨后美麗的彩虹（B）從兩支鉛筆的狹縫中看到日光燈的彩色條紋（C）陽光下肥皂膜上的彩色條紋（D）光通過三棱鏡后在屏上出現的彩色光帶2.下列敘述中正確的是 （ ）（A）光的干涉和衍射所產生的條紋都是由于相干光源互相疊加的結果（B）干涉和衍射都說明光具有波動性（C）白光通過雙縫干涉得到彩色條紋，如果將一縫遮住，就得不到彩色條紋（D）光的衍射現象否定了光的直線傳播3.從兩支手電筒射出的光，當它們射到同一點時，看不到干涉圖樣，主要

15、因為是（ ）（A）手電筒射出的不是單色光（B）干涉圖樣太細、太小看不到（C）周圍環境的漫反射光線太強（D）兩個淘汰是非相干光源4.指出下列哪些條紋是不等間距的 （ ）（A）雙縫干涉圖樣 （B）圓孔衍射圖樣（C）由劈形薄膜形成的干涉圖樣 （D）單縫衍射形成的衍射圖樣5.如圖13-7是一豎直肥皂膜的橫截面，光通過薄膜產生干涉，下列說法中正確的是（ ）（A）用綠光照射時產生的干涉條紋間距比紅光照射時大（B）干涉條紋中的暗線是薄膜前后兩表面反射的兩列光波，波谷和波谷疊加而形成的（C）觀察干涉條紋，應沿著平行光照射方向自左向右看（D）薄膜上的干涉條紋應是水平排列的。6.如圖13-8所示，用干涉法檢查某零

16、件表面的平整度，下列判斷中正確的是 （ ）（A）a是被測零件 （B）a是標準件（C）b是被測零件 （D）c是空氣劈7.上題中，干涉條紋是哪兩個表面反射光線相干產生的？（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.如圖13-9所示，用單色光做雙縫干涉實驗時，光屏上P處是第二亮條紋的位置，若改用頻率較高的單色光做實驗時，第二亮條紋的位置應 （ ）（A）仍在P點 （B）P點上方（C）P點下方 （D）不能確定9.上題中，若光源是單色紅光，屏上應出現紅色干涉條紋，此時若將雙縫中的一縫用遮光片擋住，則在屏上 （ ）（A）干涉條紋不變 （B）只有一半的干涉條紋（C）變成紅光的衍射條紋 （D）沒有明暗條紋10.首先提出光是電磁波的物理學家是 （ ）（A）惠更斯 （B）麥克斯韋 （C）赫茲 （D）愛因斯坦11.認為光和無線電波都是電磁波的理由正確的是（ ）（A）真空中傳播速度相同 （B）都能發生反射、折射、干涉和衍射現象（C）傳播時都不需要別的本質 （D）都是由振蕩電路中的自由電子運動產生的12.對所有的機械波和電磁波，下列說法中正確的是 （ ）（A）都能產生干涉和衍射現象 （B）在同一介質中傳播速度相同（C）都能在真空