第十二章A 光的干涉与衍射

杨氏双缝干涉实验

托马斯·杨

杨氏双缝干涉实验

由两束振动情况完全相同的光在空间相互叠加，在一些地方相互加强，在另一些地方相互削弱的现象，叫做光的干涉。

两个振动情况总是相同的光源，叫做相干光源。

实验：观察光的干涉现象

双缝干涉条纹特点

等宽、等亮、等间距

  • 与波长成正比
  • 与光屏到缝的距离成正比
  • 与双缝的间隙成反比

条纹的间距

薄膜干涉——竖直放置的肥皂液膜上呈现的彩色条纹

薄膜干涉——竖直放置的肥皂液膜上呈现的彩色条纹

竖直放置的肥皂液膜上呈现的彩色条纹

薄膜干涉中是哪两束光产生了干涉现象？

薄膜干涉的应用——检查平整度

单缝衍射

光离开直线路径绕到障碍物（或孔隙）阴影里去的现象叫做光的衍射。

发生明显衍射的条件：障碍物或孔隙的尺寸比光的波长小或差不多。

实验：观察光的衍射现象

单缝衍射条纹特点

中央的亮条纹最宽最亮，

两边的条纹宽度和亮度依次减弱。

条纹的间距

  • 与波长成正比
  • 与光屏到缝的距离成正比
  • 与缝的宽度成反比

圆盘衍射（泊松亮斑）

明暗相间的圆环，中央为小亮斑

圆孔衍射

明暗相间的圆环，中央亮斑较大

第十二章B 光的电磁波说

一、电磁波的形成与传播

  • 麦克斯韦（1831～1879，英国物理学家）
  • 提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在。

一、电磁波的形成与传播

变化的电场将产生磁场，变化的磁场产生电场，这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生（形成一个不可分割的统一体），由近及远地传播，从而形成电磁波。

一、电磁波的形成与传播

一、电磁波的形成与传播

  • 赫兹（1857～1894，德国物理学家）
  • 1887年通过实验证实了电磁波的存在，之后又测出了电磁波的速度。

二、电磁波的性质

电磁波谱

二、电磁波的性质

  • 都有反射、折射、衍射和干涉的特性。
  • 在真空中传播速度相同，都等于光速 c，即3.00×108 m/s
  • 都遵循波速与频率的关系，即 v= λf。

二、电磁波的性质

光的频率由光源决定。事实：光在不同介质中的颜色保持不变。

介质 光速（m/s）
真空 3×108
水 2.25×108 m/s
玻璃 2.0×108 m/s

光的速度由介质决定

二、电磁波的性质

三、电磁波的应用

无线电波：通信

三、电磁波的应用

红外线

Text

红外加热

红外测温

用途：加热

特点：热效应

三、电磁波的应用

紫外线

用途：杀菌，防伪

特点：化学作用

三、电磁波的应用

X射线

用途：透视

特点：较强的穿透作用

三、电磁波的应用

γ射线
用途：γ刀

特点：很强的穿透作用

第十二章C 光电效应 光子说

光电效应

光电效应

在光（包括不可见光）的照射下，物体表面发射出电子的现象叫做光电效应。

在光的作用下发射出来的电子叫做光电子。

光电效应的规律

任何一种金属都有一个 极限频率 ν0（或极限波长 λ0），入射光的频率必须大于极限频率（小于极限波长），才能产生光电效应；
光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的 增大而增大；
光电子的发射几乎是瞬时的；
当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成 正比。

1

3

2

4

爱因斯坦的光子说

E=h\nu

普朗克恒量：\(h = 6.63 \times 10^{-34} \rm{J·s}\)

光在空间中的传播并不是连续的，而是一份一份地集中在一些叫做光子的粒子上，光是由大量光子组成的按光速运动的光子流。

每个光子具有的能量跟频率成正比：

光电效应的规律的解释

1、任何一种金属都有一个极限频率 ν0（或极限波长 λ0），入射光的频率必须大于极限频率（小于极限波长），才能产生光电效应；

3、光电子的发射几乎是瞬时的；

光子

光电子

常见金属的极限频率和极限波长

金属 极限频率（Hz） 极限波长（微米）
铯 4.545×1014 0.6600
锌 8.064×1014 0.3720
铂 15.29×1014 0.1962

光电效应规律的解释

2、光电子的最大初动能 Ek 随入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关。 

光子

光电子

光电效应规律的解释

4、光电流与入射光强度成正比

光电子

光子

入射光强度：单位时间入射的光子数目

光电流：单位时间逸出的光电子数目

光电效应的应用——光电管

第十二章D 光的波粒二象性

微粒说

牛顿：光是一种从光源发出的物质微粒，在均匀介质中以一定的速度沿直线传播。

波动说

惠更斯：光是某种振动以机械波的形式向外传播。

电磁波说

麦克斯韦：光是一种电磁波，可以在真空中传播。

注意：惠更斯认为光是机械波，与麦克斯韦的电磁说是有区别的。

 

光子说

爱因斯坦：光在空间中的传播并不像电磁波理论认为的那样连续分布的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。

注意：牛顿的微粒说认为光是一种弹性粒子，与爱因斯坦的光子说是有区别的。

 

光的波粒二象性

光的波粒二象性应理解为光子在空间中各点出现的可能性大小（即概率）。即光是一种几率波（概率波）。

用很弱的光做双缝实验，通过不同的曝光时间记录现象。

概率波

  1. 少量光子的运动表现出粒子性；大量光子的运动表现出波动性。
  2. 频率高的光子粒子性强，频率低的光子波动性强。
  3. 当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。

光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现

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