第十三章 A 光的干涉和衍射

初中物理课程中我们学习了光的有关知识，知道光在均匀介质中沿直线传播，初步认识了影、反射和折射等规律，了解了小孔成像和透镜成像规律，然而，我们对光的本质却不甚了解。

本章我们将追随人类对光的本性的认识历程，去探知“光是什么？”，在本章你将学习“光的干涉和衍射现象”、“光的电磁波说”、“光电效应和光子说”以及“光的波粒二象性”等内容。

当你在阳光下吹肥皂膜时，你会看到飘动的肥皂膜上有变幻的色彩，如图13-1所示。在19世纪前，人们无法解释这是如何产生的。

本节课程，我们将学习有关光的干涉和衍射的规律，认识光是一种波。

一、光的干涉现象

1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉现象。托马斯·杨让一束光投射到一个有孔的屏上，这个小孔就成了一个“点光源”。光从小孔出来后，射到第二个屏的两个小孔上，这两个小孔离得很近（约0.1mm），而且与前一个小孔的距离相等。在实验中，托马斯·杨又用狭缝来代替小孔进行如图13-2（a）所示实验，在光屏上产生了明暗相间的彩色条纹。

托马斯·杨利用波的叠加原理很好地解释了光的干涉现象，假设光是传播某种振动的波，那么，任何时刻从线光源S发出的光波都会同时传到前方的两个缝S₁、S₂，这两个缝就成了两个振动情况总是相同的波源，如图13-2（b）所示，从它们发出的波在屏上叠加，在波峰跟波峰叠加、波谷跟波谷叠加的地方，光就互相加强；在波峰跟波谷叠加的地方，光就互相抵消或削弱，从而形成明暗相间的条纹。

这种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。

在双缝干涉实验中，狭缝S₁和S₂相当于两个振动情况总是相同的光源（波源），叫做相干光源。由相干光源发出的光相互叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹。

光的干涉现象证明了光是一种波，为了纪念这位杰出科学家，我们把托马斯·杨做的这个实验叫做杨氏双缝干涉实验。

大家谈

用两个不同的光源做干涉实验，能观察到干涉现象吗？这是为什么？

【学生实验】观察光的干涉现象

【实验目的】利用自制的双缝，观察光的干涉条纹的间距随双缝的间隙、光屏到缝的距离变化的情况。

【实验器材】激光，自制的双缝屏，光屏。

【实验原理】当激光通过双缝时，被分为振动情况相同的两束光，照射到光屏上产生叠加形成光的干涉现象。

【实验步骤】

1．自制双缝屏，将两片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上划出有很小间隙（约0.1mm）的双缝。在两刀片间夹上纸片，在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝；

2．按图13-3所示的方法，让激光束通过自制的双缝，观察在光屏上出现的现象；

3．换用不同间隙的双缝，保持缝到光屏的距离不变，记录下观察到的现象；

4．保持双缝的间隙不变，改变光屏到缝的距离，记录下观察到的现象；

观察结果：__________________________________________________。

【实验结论】

当保持双缝的间隙不变，光屏到缝的距离越大，屏上明暗相间的条纹间距越大；

当保持光屏到缝的距离不变，双缝的间隙越小，屏上条纹的间距越大。

在以上实验中，如果用白光代替激光，双缝干涉图案将呈现彩色条纹。这种彩色条纹是如何产生的？

在双缝干涉现象里，明条纹或暗条纹之间的距离总是相等的。在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下，用不同颜色的光做实验，条纹间的间隔是不同的；图13-4所示的图案是分别使用红光、紫光和白光，在相同实验条件下分别获得的双缝干涉的图案。

实验表明，红光的条纹间隔最大，紫光的条纹间隔最小。波的干涉理论告诉我们：波长越长，干涉条纹之间的距离越大，条纹的间距跟波长成正比。因此不同色光的波长也不同：红光的波长最长，紫光的波长最短。白光是由不同颜色的单色光复合而成的，而不同色光的波长不同，产生的明暗条纹间距也不同，因此在屏上出现了彩色条纹。

不同色光在真空中的传播速度相同，根据波长与频率的乘积等于波速这个关系可知：波长越长，频率越低；波长越短，频率越高，即红光的频率最低，紫光的频率最高。

大家谈

用白光做双缝干涉实验时，多数亮纹都是彩色的，为什么中间一条亮条纹是白色的？

自主活动

查阅有关资料，写出可见光的波长范围。

二、光的薄膜干涉

阳光下，竖直放置的肥皂液膜上呈现的彩色条纹（如图13-5）、在肥皂泡或水面的油膜上看到的彩色花纹等，都是光的干涉现象。

下面让我们做一个薄膜干涉实验。

燃起一盏酒精灯，在酒精灯火焰里洒上一些氯化钠，使火焰发出黄光，把酒精灯放在金属丝圈上的肥皂液薄膜前，仔细观察，就可在薄膜上看到火焰的反射像。我们发现（图13-6）：火焰的反射像上有明暗相间的条纹。这是什么原因呢？

酒精灯火焰的光照射到薄膜上时，从膜的前表面和后表面分别反射出来，形成两列波，这两列波的频率相同，所以能产生干涉。竖立的肥皂液薄膜，由于重力的作用，成了上薄下厚的楔形，在薄膜的某些地方，两列波反射回来时恰是波峰和波峰叠加，波谷和波谷叠加，使光波的振动加强，形成黄色的亮条纹；在另外一些地方，两列波的波峰和波谷叠加，使光波的振动互相抵消，形成暗条纹。如果用白照射上述肥皂液薄膜，薄膜就呈现各种不同颜色的条纹。这正是由于白光是由各种不同颜色的光组成的，而每种颜色的光各有一定的波长，所以在薄膜某一厚度的地方，某一波长的光反射回来互相增强，另外一些波长的光反射回来互相削弱。这样，在薄膜上就出现了不同颜色的条纹。

光照射到薄膜上时，从膜的前表面和后表面分别反射出来，形成两列相干光，产生干涉现象叫做薄膜干涉。

薄膜干涉现象在技术中有重要应用。例如，在磨制各种镜面或其他精密部件时，对加工表面的形状可以用干涉法检查（如图13-7）。

三、光的衍射

通过以上学习，我们已经认识到光能产生干涉现象，说明光是一种波，光既然是波，那它一定会有衍射现象。

把你的手指并拢，将指缝与白炽灯的灯丝平行，通过指缝观察灯丝发光，你会在指缝间观察到明暗相间的条纹（如图13-8）。

光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫做光的衍射。

如图13-9（a）所示，用两片刀片造成一个宽度可调节的狭缝。将狭缝靠近一只眼睛，闭上另一只眼睛，如图13-9（b），透过狭缝看约2m外的灯炮的灯丝，调节狭缝的宽度使其逐渐变窄，到一定的宽度后，便可以看到如图13-9（c）所示的图案。

这种现象，用光的直线传播是无法解释的。我们看到了光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，这种现象叫做光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。

其实本节开始时介绍的杨氏双缝干涉实验中，光穿过狭缝时也都有衍射现象。

自主活动

透过羽毛或其他狭缝观看远处的灯光，你看到了什么？

【学生实验】观察光的衍射现象

【实验目的】利用自制的狭缝，观察光的衍射条纹的间距随狭缝宽度变化的情况。

【实验器材】激光，自制的狭缝屏，光屏。

【实验原理】当激光通过狭缝时，光离开直线路径绕到障碍物阴影里去，形成光的衍射现象。

【实验步骤】

1．自制狭缝，用两片中央有孔的硬纸片夹住两片刀片，如图13-9（a）所示，形成一个可以调节缝宽的狭缝。

2．按图13-11所示的方法，让激光束通过自制的狭缝，观查在光屏上出现的现象；

3．保持缝到光屏的距离不变，调节狭缝的缝宽，记录下观察到的现象；

观察结果：__________________________________________。

【实验结论】

当保持狭缝到光屏的距离不变，屏上明暗相间的条纹间距随缝宽的减小而增大。

自主活动

观察光分别通过双缝和单缝后在光屏上形成的图案特点，并用DIS实验的光传感器测量干涉和衍射图样中光强分布的规律。

光的衍射现象表明，光沿直线传播只是一种近似的规律，只有在光的波长比障碍物小得多的情况下，光才可以看做是直进的，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小的时候，衍射现象就十分明显了。

如图13-12所示，用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘，例如小分币，我们发现在不透明圆板的阴影中心，有一个亮斑，这个亮斑记载了历史上一个有趣的故事。

1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了严密的解决衍射问题的数学方法。当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现影的中心总是一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。但是就在征文活动的关键时刻，菲涅耳在实验中观察到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑。

干涉和衍射是波特有的现象。光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波。如今，人们利用光的波动性研制和发明了许多新技术。例如，激光防伪就是利用光的衍射发明的新型防伪技术。

大家谈

在阅读了左边的一段文章后，请你说说为什么平时我们在圆盘后的影中没有发现亮斑呢？菲涅耳在实验中要克服的主要困难是什么？

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激光防伪技术

光通过一个狭缝会产生衍射现象，通过平行的多狭缝同样会产生衍射现象，狭缝越窄越多，衍射现象越明显。现代高科技可以制成每厘米上有超过一万条的狭缝。

现代防伪技术就是利用激光在印有图案的表面上沿不同的方向刻上密排的细条纹，使照射到表面的光发生衍射形成彩色条纹。

发布时间：2016/2/24 下午3:46:47  阅读次数：12682