大学物理-光学

这是一篇关于6.光学的思维导图，一图看懂全章节内容，知识点系统全面，无需死记硬背，框架式结构清晰明了，轻松掌握知识点！

光学

• 单缝衍射
  • 弗朗禾费单缝衍射
    • 装置：单孔，透镜，观察屏 相关参数：缝宽b，过透镜中心的光线与水平线的夹角，透镜焦距f 条纹形状：明暗相间的竖条纹（越往外亮度越小） 明暗条件/条纹位置：（当Δδ为偶数个半波时，会干涉相消） （δ=a*sin(夹角)） （x=f*tan(夹角)） [夹角~sin(夹角)=δ/a~tan(夹角)=x/D] 暗：δ=2k*(波长/2) 夹角=x/f=2k*(波长/2)/a x=(f/a)*2k*(波长/2) 明：δ=(2k+1)*(波长/2) 夹角=f/x=(2k+1)*(波长/2)/a x=(f/a)*(2k+1)*(波长/2) 条纹宽度：中央明纹的宽度：Δd=2*x=2*(f/a)*波长[k=1] （根据暗纹的x计算） 联系：类似与双缝干涉，只是明暗条件恰好相反 小孔移动，条纹不移动
  • 圆孔衍射及分辨本领
    • 圆孔衍射时，中央会有明亮的圆斑，叫做艾里斑 参数：圆孔直径D，圆孔到观察屏的距离f 半角宽度α：1.22*波长/D 艾里斑的直径：f*2*α 分辨本领 参数：物体距离圆孔的距离D，物体高度H 最小分辨角α：1.22*波长/D 最小分辨高度h：D*α 最远分辨距离l：H/α
• 光栅衍射
  • 衍射光栅
    • 联系：多缝干涉，单缝衍射 参数：光栅的缝条数N，缝与缝的距离b,光线与水平线的夹角，单缝宽度a 光栅常数d[a+b] 多缝干涉： 取最俩端缝的光程差：δ=(N-1)*b*sin(夹角)=N*b*sin(夹角) 当δ=2k*(波长/2)时，会造成多缝干涉相消 明纹主极大：d*sin(夹角)=2k*(波长/2) 每俩个明纹主极大之间：d*sin(夹角)=m/N*波长【m=1,2,...,N-1】 有N-1个暗纹,有N-2个明纹次级大 考虑单缝衍射： 缺极现象：d*sin(夹角)=2k1*(波长/2) a*sin(夹角)=2k2*(波长/2) d/a=k1/k2 中央明纹边界：a*sin(夹角)=+-波长 注：光栅衍射不进行小角近似
  • X射线的衍射
    • 特点：穿透力强，波长短：0.04~100nm 是一种电磁波，不偏转，会产生干涉和衍射效应 参数：原子层平面的宽度d 布拉格公式：干涉相长：2*d*sin(夹角)=2k*(波长/2)
• 光的偏振
  • 概述
    • 偏振：横波有振动面 线偏振光：振动面一定 自然光：振动面在各个方向都有可能，振幅相等 Ix=Iy=1/2*Io 部分偏振光：振动面不止一个，振幅不同
  • 起偏与检偏
    • 起偏：用偏振片产生线偏振光 检偏：用偏振片检查光线（用偏振片在光源附近转动） 自然光：屏幕上的光几乎不变 线偏振光：屏幕上明黑交替 部分偏振光：屏幕上明暗交替 马吕斯定律：起偏后：I2=I1*(cos(α))^2
  • 反射光与折射光的偏振
    • 自然光向平面入射 反射光：以垂直偏振为主的部分偏振光 折射光：剩下的光（以水平偏振为主） 当入射角i=起偏角i0时，反射光只有垂直偏振 tan(i0)=n折射/n入射 同时，i0+r0=90° 同时，光的可逆性成立 应用：使用玻璃片堆产生强度较高的偏振光 起偏角又称布儒斯特角，没有明确说明就是俩种情况
• 双折射
  • 概述
    • 光轴：晶体的一个特性，沿光轴入射的光线不发生双折射 双折射：光线在进过各向异性的晶体时，分为俩束线偏振光 一束正常光o，垂直偏振，一束不正常光e，水平偏振
• 薄膜干涉
  • 概述
    • δ=2d*根号下(n2^2-n1^2*sini)(+波长/2)【可能有半波损失】 (n2：薄膜的折射率；n1：外面的) 半波损失：光由光疏到光密的时候会半波损失
  • 选择性干涉
    • 在i和d一定时，不同的波长会有不同的干涉 增透膜：使反射的光都干涉相消（相机） 增反膜：使反射的光都干涉相长（车玻璃膜，高楼玻璃）
  • 等厚干涉
    • 在i和波长一定时，不同的d会有不同的干涉效果
    • 劈尖
      • （i近似为0） 装置：俩个玻璃板呈夹角 参数：中间薄膜的高度d，条纹的水平宽度s，劈尖的夹角α 条纹形状：暗明相间的等距竖条纹 明暗条件:（δ=2d*n2+波长/2） 明：δ=2k*(波长/2)【k=1,2,3...】 d=(k-1/2)(波长/(2*n2)) 暗：δ=(2k-1)*(波长/2)【k=1,2,3...】δ不等于0，有半波损失 d=(k-1)(波长/(2*n2)) 条纹宽度：Δd=波长/(2*n2) 条纹位置：条纹面宽度：Δs=Δd/sinα=波长/(2*n2*α) 应用：测量小物件高度h【数暗条纹个数】；测量工作面的平整程度【观察条纹是否弯曲】 条纹的变动情况：α增大时，Δs变小，条纹变密集 上板向上移动时，d变大，k变大，级数变大，条纹向底边平移
    • 牛顿环
      • （i近似为0） 装置：下面一个玻璃板平面，上面一个平面朝上的凸透镜 参数：中间薄膜的高度d，凸镜的曲率半径R，条纹环的半径r 条纹形状：明暗相间的条纹环（半径越大，越密集） r=根号下(2Rd)【R：凸镜半径；d：薄膜厚度】 明暗条件/条纹位置：δ=2d*n2+波长/2） 明：δ=2k*(波长/2)【k=1,2,3...】 d=(k-1/2)(波长/(2*n2)) r=根号下(R(2k-1)(波长/(2*n2))) 暗：δ=(2k-1)*(波长/2)【k=1,2,3...】 d=(k-1)(波长/(2*n2)) r=根号下(R(2k-2)(波长/(2*n2))) Δd=波长/(2*n2) 越往外，条纹环越密集，级数越高 应用：测量透镜的曲率半径
    • 迈克耳孙干涉仪
      • （i近似为0） 装置：分束镜，补偿镜，固定反射镜，可移动反射镜 参数：可移动反射镜与固定反射镜在同一水平线上的距离d 条纹形状：明暗相间的条纹环（中间级数最高，半径越大，越密集）联系：等倾干涉 明暗条件：（δ=2d*n2）俩次半波损失抵消了 明：δ=2k*(波长/2)【k=1,2,3...】 d=k*(波长/(2*n2)) 暗：δ=(2k-1)*(波长/2)【k=1,2,3...】δ不等于0，d不等于0 d=(k-1/2)*(波长/(2*n2)) 变动d，k每升一级，光程差：Δδ=波长 条纹位置：哒咩 条纹变动情况：d增大时，级数增大，从中心冒出条纹[Δδ/波长=Δd/(波长/(2*n2))] d减小时，级数减小，向中心收缩条纹[Δδ/波长=Δd/(波长/(2*n2))] 注：插入介质片时，光程改变2*(n-1)*e，从中间改变条纹[2*(n-1)*e/波长]
  • 等倾干涉
    • 在d和波长一定时，i改变 例如：点光源的光在经过一个平面镜的反射的干涉后 会在屏幕上形成明暗相间的环形条纹 中心的级数最大，半径越大，越密集；越往外，i越大，δ越小
• 杨氏双缝干涉
  • 装置本身及参数
    • 双孔的相干光发生干涉 两孔距离：d 孔与屏幕的距离：D 条纹在屏幕上的位置：x（一般向上为正值） 补：光程差：δ=n1r1-n2r2（在任何介质中，相同时间的光程是一定的） 相位差：Δ=2*Π/波长*δ
  • 条纹形状
    • 明暗相间的等距竖条纹
  • 明暗条件
    • 明条纹：Δ=2kΠ δ=2k*(波长/2) 暗条纹：Δ=(2k+1)Π δ=(2k+1)*(波长/2) (k=...-1,0,1....)
  • 干涉条纹在屏上的位置
    • 双孔中心到条纹的直线与水平的夹角非常小[夹角~sin(夹角)=δ/d~tan(夹角)=x/D] x=D/d*δ 明条纹：x=(D/d)*2k*(波长/2) [...-2,-1,0,1,2...] 暗条纹：x=(D/d)*(2k+1)*(波长/2) [...-2,-1,0,1,2...] 条纹宽度：(D/d)*波长
  • 另
    • 斜入射：中心条纹会移动 参数：入射角（上正下负） δ=d*(sin(夹角)+sin(入射角)) 光源移动，条纹移动