光的干涉|托马斯杨双缝干涉实验

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2017.11.03 04:56

光的干涉原理

光的干涉原理就是波的干涉原理，因为光也是波，是电磁波。

在机械振动与机械波中，我们提到了波的干涉：满足一定条件的两列相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布。

机械波的干涉原理及水纹波干涉图样

波的干涉，实际上与波的叠加原理是一致的，只不过波的干涉更加特殊，必须满足相应的条件。而且我们考虑波的干涉时并不是单独一个波形的叠加，而是空间内众多波形的叠加情况。具体如下图所示。

水纹波干涉图样

光的干涉

与光的衍射类似，光的干涉现象是波动独有的特征。

光是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉。只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

下图为学生实验光的双缝干涉原理示意图。

双缝干涉示意图

托马斯杨双缝干涉实验

1807年，托马斯·杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝实验：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。

托马斯杨的双缝干涉实验

托马斯·杨描述了双缝干涉实验，后来的历史证明，这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列。但是他认为光是在以太媒质中传播的纵波。这与光的偏振现象产生了矛盾，然而杨并未放弃光的波动说。

杨的著作点燃了革命的导火索，光的波动说在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不好过，在微粒说仍然一统天下的年代，杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”。在近20年间竟然无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。

1818年菲涅耳在巴黎科学院举行的一次以解释衍射现象为内容的科学竞赛中以光的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理论并获得优胜。早于1817年在面对波动说与光的偏振现象的矛盾时，杨觉察到如果光是横波或许问题可以得到解决，并把这一想法写信告诉了阿拉果，阿拉果立即把这一思想转告给了菲涅耳。于是当时已独自领悟到这一点的菲涅耳立即用这一假设解释了偏振现象，证明了光的横波特性，使得光的波动说进入一个新的时期。

光的干涉案例：肥皂泡干涉

光的干涉之肥皂泡干涉

如下图所示，光经薄膜上表面反射后得第一束光，折射光经薄膜下表面反射，又经上表面折射后得第二束光，这两束光在薄膜的同侧，由同一入射振动分出，是相干光，便发生光的干涉。与上述托马斯杨的双缝干涉实验是非常类似的。

由于白光是由红橙黄绿蓝靛紫七种光组成的，光的波长不同，因此我们能够看到吹起的肥皂泡上五颜六色的花纹。

光的干涉案例：检验平面的平整度

当不同倾角的光入射到折射率均匀，上、下表面平行的薄膜上时，同一倾角的光经上、下表面反射(或折射)后相遇形成同一条干涉条纹，不同的干涉明纹或片间的空气层就形成非常薄的空气薄膜。

光的干涉应用：平整度检测

用单色光作为光源，就可以观察到明显的单色光干涉现象，具体如下图所示。我们可以借助该实验来检测桌面的平整度。当桌面不平整时，便出现如下图所示的图样。光的干涉的案例不好用文字表达，建议同学们看物理自诊断的视频讲解。王尚老师新书物理自诊断每道题都有视频讲解，哪道题不会扫题旁二维码即可看视频，学习更高效，考试分数更高。欢迎微信teacherws咨询。

光的干涉之平整度检测

光的干涉案例：牛顿环

牛顿环，又称“牛顿圈”。在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。

光的干涉之牛顿环

牛顿环实验是这样的：如下图所示取来两块玻璃体，一块是14英尺望远镜用的平凸镜，另一块是50英尺左右望远镜用的大型双凸透镜。在双凸透镜上放上平凸镜，使其平面向下，当把玻璃体互相压紧时，就会在围绕着接触点的周围出现各种颜色，形成色环。

光的干涉典型应用之牛顿环

物理学家牛顿测量了六个环的半径（在其最亮的部分测量），发现这样一个规律：亮环半径的平方值是一个由奇数所构成的算术级数，即1、3、5、7、9、11，而暗环半径的平方值是由偶数构成的算术级数，即2、4、6、8、10、12。例凸透镜与平板玻璃在接触点附近的横断面，水平轴画出了用整数平方根标的距离：√1=1√2=1.41,√3=1.73,√4=2,√5=2.24等等。在这些距离处，牛顿观察到交替出现的光的极大值和极小值。从图中看到，两玻璃之间的垂直距离是按简单的算术级数，1、2、3、4、5、6……增大的。