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教学-光的干涉现象


(A) 干涉實驗的幾何圖(未依照原比例所繪), 通常 L>> d,則 ∠S2S1B ~~ θ。
(B) 假設路徑 r1 與 r2 平行時,兩路徑差為 ∆=r2-r1=d sin θ,且只在 L>>d 時, 此近似才能成立。
发生亮带中央线的条件
当光程差为波长的整数倍,即 ∆=nλ,n=0、1、 2、…… 时,可产生建设性干涉或由 d sin θ= nλ,所求得的 θ 即可代表各种亮带中央线所发生
范例5-2
概念 雙狹縫干涉實驗產生暗紋的條件為破壞性干涉。
策略
1. 暗紋至中央線距離 y 之關係 y=Ld(n-12)λ 2. 第 10 條暗紋對應於 n=10。
范例5-2 解
由暗紋處 y、雙狹縫間距 d 與波長 λ 之關係,可得
λ=
dy
1
=(2.95.×0(×1100--5)0×.05.)12=4.5×10-7
同调光
让通过两狭缝的单频光也具有相同的相位, 例如同为波峰或同为波谷,两狭缝便可当成 同相光源,如此远方屏幕上的干涉效果便会 较清晰,我们把具有相同频率、固定相位差 的光,称为同调光。
在杨氏双狭缝干涉的实验装置中,常在光源 前方先放置含有一细狭缝的屏幕,产生一清 晰的细小线光源。并让第二道屏幕上的两个 狭缝,至第一个屏幕狭缝之距离相等。
d sin θ=nλ。 2. 第一亮帶對應於 n=1。 3. 產生暗紋的條件:
d sin θ=(n-12)λ。 4. 第二條暗紋對應於 n=2。
范例5-1 解
(1) 產生第一個亮帶中線的角度,可由
nλ 1×(7.5×10-7) sin θ= d = 5.0×10-5 =0.015(此時 =0.86°)范例5-3
概念 雙狹縫干涉實驗產生亮帶的條件,為建設性干涉。
策略
1. 產生亮帶的條件:d sin θ=nλ。 2. 兩亮帶重疊在同一位置,表示 θ 或 sin θ 相等,
即 n1λ1=n2λ2。 3. 亮帶中線到中央線距離 y=Ld nλ。
范例5-3 解
兩亮帶重疊在相同位置,有
n1λ1=n2λ2 n1×4800=n2×6000 nn12=64080000=54 即最小之 n1 可取 n1=5,故亮帶發生在距離中央線 y=Ld nλ=01.00040×5×4800=6.0×107(Å)=0.60(cm)
(2) 產生第二個暗紋的角度,可由
1
(n-2)λ (1.5)(7.5×10-7)
sin θ= d =
5.0×10-5
=0.023(此時 θ=1.3°)
范例5-2
相距 9.0×10-5 m 的雙狹縫可在 2.5 m 之
外的屏幕上產生干涉圖形,若第 10 條暗 紋在中央亮帶上方 12 cm 處,求此實驗所 使用光源的波長為多少?
程差 (λ 省略)。
不以與中央線所張的角度,來描述干涉條紋發生
的位置,而是以至屏幕中央線的距離 y 來描述,
則可知 y=L tan θ

θ
y 角很小時,L=tan
θ
~ ~
sin
θ,分別
y
y
1
可得 d×L=nλ 及 d×L=(n-2)λ,因此發生
亮帶中線,或暗紋的條件,也可表示為
由上式
Ld(n+1)λ
范例5-1
波長為 7500 Å 的紅光,通過相距 5.0×10-5 m 的雙
狹縫,求在屏幕上﹕ (1) 第一亮帶中線與雙狹縫中點之連線和中央線的 夾角之正弦值為何? (2) 第二條暗紋與雙狹縫中點之連線和中央線的夾 角之正弦值為何?
范例5-1
概念 策略
雙狹縫干涉實驗產生亮帶中 線(或暗紋)的條件為建設 性(或破壞性)干涉。 1. 產生亮帶中線的條件:
在两个亮带之间,会出现暗纹,由双狭缝至此暗纹处的光程差,则 刚好等于半个光波长的奇数倍,而使得两光束产生(完全)破坏性 干涉。
蓝光的双狭缝干涉图形
(A)屏幕上干涉图形的照片。建设性干涉在屏幕上 产生高强度的蓝光;而破坏性干涉则是呈现黑色。
(B)双狭缝 S1、S2 及由狭缝发出光波之波前。
(A)(C)在 O 与 R 处,光程差分别为零个波长、一个波长或 波长的整数倍,会产生建设性干涉。(B)在 Q 处光程差为 1∕2 波长,会产生破坏性干涉。
L(n-2)
(m)=4500(Å)
范例5-2 应用
若使用的光源波長減少,則中央亮帶上方的 第 10 條暗紋位置,將會遠離或靠近中央亮 帶,還是維持不變?
〔因 y 與 λ 成正比,故暗紋位置會較靠近
中央亮帶〕
范例5-3
將波長分別為 4800 Å 及 6000 Å 之單色光 同時照射在一雙狹縫上,兩狹縫相距 0.040 cm,狹縫與屏幕的距離為 100 cm,則兩單 色光干涉亮帶第一次重疊(最接近中央線) 發生在距離中央線多少 cm 處?
光的干涉现象
高中物理
建设性与破坏性干涉
杨氏的双狭缝干涉实验,考虑以一理想的平行光束,垂直朝向两平 行的细狭缝照射。若光是一种波动的话,则由惠更斯原理,双狭缝 可当成两新的光波波源向前方四处传播,而非仅沿着入射方向直线 传播。
光波在远方屏幕上可扩展到很大的范围,而非只局限在双狭缝后的 狭小区域。
设 S1 与 S2 为两个相位相同的光源,它们可以是狭缝或者 是微小的洞口。自 S1 与 S2 发出的光波有彼此迭加而产生建 设性干涉或破坏性干涉,在抵达光屏时,形成亮带或暗纹。
程差為半波長的奇數倍時,或 ∆=λ2 、

λ 3λ
2 、…… 時,亦即當 dsinθ= 2 、 2 、……
所求得的 θ 即代表各種暗紋所發生的位置。
发生暗纹的条件
也就是说
n=1、2、3、…… 分别表示中央亮带两侧的第一、
第二、第三、…… 暗纹。
在屏幕上的双狭缝干涉实验结果,最 亮带为中央亮带,并标示出对应的光
的位置。亦即
n=0 代表亮带发生在 θ=0°,即中央在线。光屏
的干涉条纹以中央线为对称线,两侧(上下或左右)
对称,而 n=1、2、3、…… 分别表示中央亮带一
侧之第一、第二、第三、…… 之亮带中线。
发生暗纹的条件
在亮帶之間所出現的即為暗紋或暗線(dark fringe),也是破壞性干涉發生的地方,即光
建设性干涉
在屏幕上还会出现明暗相间的条纹或带状图案。这些条纹是光波发 生建设性与破坏性干涉的直接结果。
正中央的亮带中心因为至双狭缝等距,也就是双狭缝至中央亮带的 光程相等,故抵达中央处时,两光束可产生(完全)建设性干涉, 而在中央处形成亮带。
破坏性干涉
自双狭缝分别至光屏上一点,两光线路程的相差,称为光程差,若 其值刚好等于一个光波长时,仍可产生建设性干涉而产生下一个亮 带。

L d

之差,
或 Ld(n+12)λ 與 Ld(n-12)λ 之差,
可知任意兩相鄰亮帶中線距離,或相鄰暗紋距離,
均為
∆y 代表每個亮帶(包括中央亮帶)的寬度,
與亮帶或暗紋的條數順序無關。
相邻两暗纹距离或每个亮带宽度,与波长成正比。
在相同的干涉条件之下,波长较长的红光所形成干涉图中的亮带宽度, 会较波长较短的蓝光之亮带宽度大。
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