产品中心 > 工业 > 竞技宝测速

【物理实验】好看的物理演示实验:光学部分之二

发布时间:2022-04-17 09:09:54 来源:竞技宝测速网站 作者:竞技宝登陆

竞技宝测速

  本文为光学部分的演示实验系列之二,共10个视频,主要涉及光的色散、干涉、衍射和偏振等现象。

  白光是复色光,里面含有多种不同频率的光,也就是不同颜色的光,称为单色光。

  不同频率的光,在同种介质中的折射率不同,这使得以相同入射角入射的复色光折射后,折射角各不相同,显示出不同颜色的光,这种现象就是色散。

  若只经过一次折射,不同的折射角之间相差不大,因此看不出明显的色散。但若让白光入射到三棱镜上,会连续经历两次折射,则出射的光就会被明显的散开为不同颜色的光,投射到屏幕上就形成彩色的条纹,也就是光谱。

  若将得到的彩色光束射向另一个三棱镜,使之再次经历两次折射,调整合适的入射角,出射的光又重新组合为白光。

  在可见光的范围内,不同的频率的光对应不同的颜色。人们发现,通过不同比例的红、绿和蓝三种颜色的混合能得到任意的颜色,也就是说,红、绿和蓝是最基本的三种颜色,这就是三基色原理。

  众所周知,LED照明设备光通量很高,是荧光灯的4倍多,是白炽灯的大约20倍!能大大降低用于照明的能源消耗量。

  上世纪60年代前后,红光和黄绿光LED都已问世。但实现像太阳光那样的自然白光,还需要三基色中的蓝光,故蓝光LED成了关键。

  这背后的关键是一位叫中村修二的日本科学家,他和另外两位科学家,因发明了高效蓝光二极管获得了2014年诺贝尔物理学奖。

  1989年,34岁的中村修二,在前人的基础上开展研究,4年后他成功造出超亮蓝光LED,比原来的LED的亮度提高了100倍。

  后来,他又发明了紫光LED。解决了高亮蓝光LED对眼睛的伤害问题。同时有了紫光LED我们才能有完整的可见光谱,才能更好的还原在阳光下的色彩准确度。

  而即使在达到如此高的成就之后,中村教授仍希望自己只是一个纯粹的科学家。中村修二在加州大学圣芭芭拉分校的同事在评价他时,完全没有用“天才”这样的词语,而是由衷的赞叹他的勤奋:“他可能是我们学校最勤奋的教授了,他每天早上7点半到校,晚上7点离开,周末也不休息!”

  光的双缝干涉实验是最早证明光是波的实验。由英国天才物理学家托马斯·杨第一次完成。当年他是采用普通光源做成的,并在光源前面水平放了一个细缝和两条平行的狭缝和,如下图所示。

  从细缝的某个点光源处扩展的球面波,被后面的双缝和分割,又形成两个点光源。显然,它们与缝中的那个点光源处于同一平面内,比如上图所示。

  从这两个点光源分别发出的两条具有相同频率和振动方向的光,当它们在屏幕上某处相遇时,彼此之间的相位差只与该处位置有关,而不随时间变化——相位差恒定,满足了光的相干条件。它们在屏幕上形成平行的、明暗相间的干涉条纹。

  如果我们考虑缝上沿垂直于纸面不同位置的点光源,那么相应的也得到双缝上跟着偏移的另外两个点光源,所形成的干涉图样自然也在屏幕上沿垂直于纸面发生偏移。

  屏幕上所有源于缝上不同的点所形成的干涉图样,连成一片,形成与狭缝平行的明暗相间的条纹。

  以上就是杨氏双缝干涉实验。现在,一般采用激光代替普通光源,直接照射到双缝上,不再需要前面那条狭缝了。

  当平行光垂直入射单缝时,会形成最简单的衍射图样,它由一条中央亮纹和其他若干明暗条纹组成。可以根据菲尼尔半波带法解释条纹的分布。所有的明纹和暗纹的宽度都与狭缝的宽度近似成反比,即

  其中为透镜的焦距,是入射光的波长,是单缝的宽度。中央亮纹大约是其他亮纹或暗纹的两倍宽,且光强占全部条纹光强的90%以上。

  当平行光垂直入射圆孔时将形成圆孔衍射,其衍射图样由一系列的明暗相间的环组成,正中央是一个亮斑,即艾里斑,其角宽度与孔的直径成反比。

  上面视频中首先演示了用红色激光形成的单缝衍射。可以看到,当缝宽增加时,条纹相互靠拢,而当缝宽增加时,条纹散开。

  接着视频中演示了黄色激光对针孔的衍射,可能不是规则的圆孔,所以衍射图样看起来并不是规则的圆形。

  最后,视频中采用红、黄和绿三种不同颜色的激光同时做双缝干涉实验,根据前面提到的条纹间距的规律,波长越长的光,间距越大,因此绿光干涉图样相比最窄,而红光则最宽。

  薄膜干涉,是通过反射和折射,将一个光振动分成两部分后,让其叠加而获得相干光的方法,称之为分振幅法。

  当保持入射角固定,而薄膜的厚度不均匀时,光从不同厚度的地方发生的发射或折射,得到的相干光之间的相位差与厚度有关。某处干涉对应一定的光程差,产生某个级别的干涉条纹。据此,这种干涉也叫等厚干涉。

  具体来讲,等厚干涉意味着,膜的等厚线(类比等高线,相同厚度地方的点连成的线)的形状就决定了干涉条纹的形状。因此,规则的楔形薄膜的干涉条纹应该是一系列的平行直条纹,而凸面膜的干涉图样应该是一系列由小到到,嵌套的闭合曲线。

  本视频中的肥皂膜由于受到重力的作用,自上而下,厚度逐渐变厚,等厚线是沿水平的直线,因此干涉条纹也是沿水平方向的直条纹。从视频中,我们还发现,条纹越往下越密,这说明,膜的厚度的随高度降低增加越来越快。

  这视频比上面第三个视频更清晰的展示了夫琅禾费圆孔衍射。激光在圆孔后形成一个圆形的衍射图样,中央处为艾里斑,其直径与圆孔的直径成反比。

  光栅是指具有周期性的透光或反光性的结构。其中最简单的光栅是一维光栅,例如均匀刻有透光缝隙的挡板就是一种典型的一维光栅。当光垂直入射时,就会形成均匀分布的亮纹。

  本视频通过极简单的工具,展示了多种不同形式的光栅的衍射。首先用间隔均匀缝隙的细线模拟了一维光栅,所得到的衍射条纹的分布符合大学物理中所学的光栅的主极和次级大条纹的分布规律。即具有N条狭缝的光栅,相邻的两个主极大亮纹之间的暗区含有N-1个暗纹,这些暗纹被N-2个次级大亮纹隔开。

  此外,视频中还借助螺纹、梳子、尼龙绳、锯齿、弹簧和纱网等简单的材料展示了更多的一维或二维光栅的衍射现象。

  这个视频演示了更多周期结构的衍射现象。虽然衍射图样看起来如此复杂,但它与简单的光栅衍射,甚至单缝衍射背后的道理是一样的。

  要真正理解衍射屏的结构与衍射图样的结构的关系,要利用傅里叶光学中的傅里叶分析。光栅可以看为一种最简单的图像,任何一个复杂的图像可以看成是不同方位、不同空间频率的无数个光栅的组合,这就是光学傅立叶分析的基本思想。

  如果以复杂图像(物)作为衍射屏,用单色平行光照射,我们就可以在光栅衍射装置透镜的后焦面上得到按物体的空问频率分开的衍射图样。接收屏上不同位置处的衍射图样对应屏的一定的空间频率。

  夫琅和费衍射装置是一个衍射屏空间频率函数的频谱分析器。我们以复杂图像作为衍射屏进行夫琅和费衍射实验,就在接收屏上实现了对复杂图像的光信息的傅立叶变换。

  当光照射到偏振片上时,只有那些沿着特定方向振动的光矢量可以通过,这个方向被称作偏振片的透光轴。与该方向垂直的光振动都将被偏振片吸收。

  根据这个性质,自然光穿过偏振片后,成为了偏振光,其光振动都沿偏振片的透光轴。如果让这些偏振光再经过一个偏振片,则第二个偏振片透过的光强度取决于两个偏振片的透光轴的夹角。

  当这个夹角为零时,则光将完全透过第二个偏振片;当夹角为时,则透过一半的强度;而若相互垂直,则将没有光透过——但奇怪的是,若此时插入第三个偏振片到这两个偏振片之间,却又有光透过!

  这事看起来有点蹊跷,因为一般直觉是,加入的偏振片总体来讲应该挡住更多的光,但从上面的视频中看到,情况却不是这样。

  实际上,这正是马吕斯定律的结果。设两偏振片的夹角为,设透过第一个偏振片的光强为,则透过第二个偏振片的光强为

  当时,,所以没有光透过。当加入第三个偏振片时,设它与前后两个偏振片的夹角分别为和,则显然,只要插入的偏振片与第一个偏振片不平行也不垂直,则。

  假若在两个相互垂直的偏振片中间均匀的插入大量的偏振片,每相邻的两个偏振片的夹角都很小——甚至趋近于零。则根据马吕斯定律可知,每个偏振片透过的光强都是一样的。因此,最后的那个偏振片透过的光的强度与第一个偏振片的透过光的强度一样!看起来,偏振片一点一点的将光矢量的振动方向旋转了,直到累积旋转了一个直角,光矢量就这样被转过了一个直角,还保持了光强不变。

  当我们将光看作波的时候,根据矢量的正交分解的原理,我们能理解马吕斯定律,进而能解释为什么偏振片表现出上述违反直觉的行为。但若我们采用粒子的观点来看待光,那就涉及更深奥的量子力学了——因为光子是一个整体,它不可能部分穿过偏振片,它只能选择通过或者不通过。这时候偏振片就是一种测量工具,光子在碰到它之后就按照概率来选择自己的偏振态——光矢量振动的方向。

  自然光经反射后,一般都成为部分偏振光,且垂直于入射面的光矢量较多。利用这一点,我们可以采用偏振片尽可能的去掉反射光。

  免责声明:自媒体综合提供的内容均源自自媒体,版权归原作者所有,转载请联系原作者并获许可。文章观点仅代表作者本人,不代表环球物理立场。

  球物理,以物理学习为主题,以传播物理文化为己任。专业于物理,致力于物理!以激发学习者学习物理的兴趣为目标,分享物理的智慧,学会用物理思维去思考问题,为大家展现一个有趣,丰富多彩的,神奇的物理。