物理光学：光的干涉、衍射和偏振以及光的颜色与色散

1、光的干涉

1.定义

在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强区域和减弱区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象。

2.发生干涉的条件

两列光波的频率相同、相位差恒定和振动方向相同。

能发生干涉的两列波称为相干波。如果两个光源发出的光能够发生干涉，这样的两个光源称为相干光源，相干光源可将同一束光分成两列光而获得。

3.明暗条纹糸件

亮纹：

暗纹：

2 干涉条纹图样特征

1.双缝千涉

①中央为亮纹，两侧是明、暗相间的条纹，且亮纹与亮纹间、暗纹与暗纹间的距离相等，即条纹宽度相等。

②相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离

，其中

为两条狭缝间的距离，

为双缝到屏的距离，

为光的波长。此式表明，相同装置，光的波长越长，相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离越大。

③若用白光做实验，则中央亮纹为白色，两侧出现彩色条纹。彩色条纹显示了不同颜色光的干涉条纹间距是不同的。

2.薄膜干涉

光照射到薄膜上，被膜的前、后表面反射的两列光形成相干光。

①劈形薄膜厚度均匀变化时，干涉条纹是与劈棱平行的明暗相间的直条纹，相邻条纹间距相等。

②某处两反射光相遇时的路程差为该处薄膜厚度的

倍，即

。

③观察薄膜干涉时观察者与光源应在薄膜的同侧。

④白光发生薄膜干涉时形成的是彩色条纹。

3 薄膜干涉的两种应用

1.检代工件表面的平整度

①装置示意图

②原理

某处有凸凹时该处两反射光相遇时的路程差减小或增大，使干涉条纹发生弯曲。根据条纹弯曲的方向和程度，可判定该处的凸凹情况。

③判定

2.增透膜与增反膜

①增透膜

厚度：为增大视觉最敏感的绿光的透射膜的厚度为绿光在膜中波长的

。

原理：从膜前后表面发生反射的两列反射波干涉相消。

②增反膜

厚度：为减少紫外线的透射，眼镜片上的增反膜厚度为紫外线在膜中波长的

。

原理：膜前后表面引起的反射波相遇时干涉加强。

知识拓展

拓1 制约劈尖千涉条纹间距的因素

劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，将一平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹人极薄的垫片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。干涉条纹有如下特点：（1）任意一条亮条纹或暗条纹所在位置对应的薄膜厚度相等；（2）任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。

光线在空气膜的上、下表面上反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为

处为两相邻条纹，如图所示，则两处路程差分别为

，

。因为

，所以

。设条纹间距为

，则由几何关系得

，即

。在

角很小时，有

，则

，可以看出，劈尖干涉中条纹宽度取决于入射光波的波长和劈尖顶角大小

拓2  牛顿环

凸透镜的弯曲表面是个球面，球面的半径叫做这个曲面的曲率半径。把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入（如图），从上往下看凸透镜，可以看到亮暗相间的圆环状条纹。这个现象是牛顿首先发现的，这些环状条纹叫做牛顿环，它是两个玻璃表面之间的空气膜引起的薄膜干涉造成的。

在一平玻璃板上放一曲率半径很大的平凸透镜，如图所示，凸球面与平玻璃接触并构成尖劈形空气薄膜。当平行单色光垂直入射时，显示的一组等厚条纹是以接触点

为圆心的同心圆环，就是牛顿环。

牛顿环所产生的干涉条纹的规律是越靠近中心，条纹的宽度越宽。这一点可用劈尖干涉的结论来理解。如图，靠近中心处劈尖顶角减小，

增大。

利用牛顿环可以精确检测光学元件表面的精确度，可精密地测定压力或长度的微小变化。

4 光的衍射

1.定义：当光照射到小孔或障碍物上时，光离开直线路径绕到孔或障碍物的阴影里去的现象，叫做光的衍射现象。

2.发生明显衍射的条件：障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还要小。

3.形成原因：光的衍射是相干光波叠加的结果，当光源发出的光照射到小孔或障碍物上时，小孔处可以看成许多点光源，障碍物的边缘也可看成许多点光源（惠更斯原理）。这些点光源是相干光源，发出的光相干涉，在光屏上形成明暗相间的条纹。

5 衍射条纹图样特征

1.单缝行射

①单缝衍射条纹的分布是不均匀的，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同。用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央亮条纹最宽最亮。用白光照射单缝时，中间是白色亮条纹两边是彩色条纹，其中最靠近中间的色光是紫光，最远离中间的色光是红光。

②中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越长，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。

③缝变窄，通过的光能变少，而光能分布的范围变宽所以亮纹的亮度降低。

2.圆孔衍射

①衍射图样中，中央亮圆的亮度最大，外面是亮、暗相间的圆环，但外围亮环的亮度小，用不同的光照射时得到的图样也不一样，如果用单色光照射时，中间为亮圆，外面是亮度越来越暗的亮环。如果用白光照射时，中间亮圆为白色，周围是彩色圆环。

②中央是大且亮度最大的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。

③只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑（光的直线传播）、光源的像（小孔成像）明暗相间的圆环（衍射图样）、完全黑暗。

④用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大。

⑤白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑周围是彩色同心圆环。

⑥圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。

3.圆盘衍射

①圆盘阴影区的中央有个亮斑—泊松亮斑。

②圆盘阴影区的周围有明暗相间的圆形衍射条纹。

③亮环或暗环的间距随半径的增大而减小，即越向外条纹越窄。

6 光的偏振

1.自然光与偏振光

（1）自然光

若光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

（2）偏振光

在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫偏振光。

2.偏振片与头镇方向

偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”。

3.两种获得偏振光的方法

（1）让自然光通过偏振片。

（2）自然光射到两种介质的交界面，如果光入射的方向合适，使反射光线和折射光线之间的夹角恰好是

时，反射光和折射光都是完全偏振光，且偏振方向相互垂直，反射光的振动方向垂直于入射光线与法线决定的平面，折射光的振动方向平行于入射光线与法线所决定的平面。

4.部分应用

（1）拍摄水下、玻璃橱窗内等物体的像时，在镜头前安装的消除反射光的偏振滤光片；

（2）立体电影；

（3）液晶显示屏等。

温馨提示

只有横波才有偏振现象，光的偏振现象证明光是一种横波。

自然光经过反射或折射后会变成偏振光。除了从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光。

7 光的颜色与色散

1.光的颜色

（1）不同颜色的光，频率不同，在同种介质中传播时波长不同，波速不同。

（2）光的颜色与频率有关，当光由一种介质进入一种介质时频率不变，故颜色不变。

2.光的色散

（1）概念：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。

（2）光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列，就是光谱。

（3）双缝干涉中的色散：由

可知，对于不同波长的光，在屏上同一点相遇时不都是加强的，再由

知不同波长的光形成的干涉条纹宽度是不同的。在用白光做双缝干涉实验时，中央的是白色亮纹，但两侧出现的是彩色条纹，即发生了色散。

（4）薄膜干涉中的色散：在光的薄膜干涉中，前后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮纹或同一暗纹出现在膜的厚度相同的地方。

肥皂泡的厚度并不均匀，不同波长的光，也就是不同颜色的光从肥皂泡的内外表面反射后在不同的位置相互加强，所以肥皂泡看起来是彩色的。

（5）单缝衍射中的色散：在单缝衍射中，形成的衍射条纹的宽度与狭缝宽度、人射光波波长都有关系，在装置不变时，人射光波波长越长，形成的衍射条纹越宽。因此白光入射时，各种单色光形成的衍射条纹宽度各不相同，就会出现彩色的条纹，发生色散。

（6）折射中的色散

棱镜使光发生色散的原因是同种介质对不同频率的光的折射率不同，不同频率的光通过棱镜后的偏折程度不同。同种材料对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小。

（7）色散的意义：表明白光是由各种单色光组成的复色光。

8 激光

1.概念：激光是原子受激发产生的光。两列相同激光相遇可以发生干涉，激光是相干光，激光是人工产生的光。

2.特性

（1）相干性好。所谓相干性好是指频率单一，容易发生干涉现象。

（2）平行度非常好。与普通光相比，传播相同距离激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量。

（3）亮度非常高。它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温。

（4）单色性很好。激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的。

3.应用

（1）相干性好的应用举例：光纤通信，全息照相。

（2）平行度好的应用举例：激光雷达、读盘。

（3）亮度高的应用举例：医用激光刀，切割金属等难熔物质，激光育种，激光武器。

（4）单色性好的应用举例作为干涉行射的光源。

易混易错

1.光的于涉和衍射的比较

内容	干涉	衍射
现象	在光重叠区域出现加强或减弱的现象	光绕过障碍物或孔偏离直线传播的现象
产生条件	两束光频率相同、相位差恒定振动方向相同	障碍物或孔的尺寸与波长差不多或比波长小得多
典型实验	杨氏双缝干涉实验	单缝衍射（圆孔衍射、不透明圆盘衍射）
图样特点	中央亮纹，两边等间距分布的明暗相间条纹各条纹亮度基本相同	中央最宽最亮，两边不等间距分布的明暗相间条纹。中央条纹最亮、两边变暗
应用	检查平面，增透膜	测定波长（光栅）
共同点	都是波特有的现象都是波叠加的结果。干涉中有衍射，衍射中有干涉。都有明暗相间的条纹

2.自然光和偏振光的比较

	自然光（非偏振光）	偏振光
光的来源	直接从光源发出的光	自然光通过起偏振器后的光自然光被界面反射或折射后的反射光和折射光
光振方的动向	在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向光振动的强度相同	在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向
联系	自然光通过起偏振器后或被界面反射折射后就转变为偏振光