干扰是?
ɡàn·谢
(1)询问或制止,多指不应硬性管:对方~内部事务。2相关;关系:两个没了~。
干扰现象:
ɡàn·谢辛·xiànɡ
1.当两个或两个以上的波相遇时,在一定情况下会相互影响。这种现象叫做干涉现象。声波、光波等电磁波都有这种现象。
杨氏干涉实验;
yánɡ·ɡàn·谢希扬
英国物理学家托马斯·杨做了光的干涉实验。1802中,他让太阳光穿过如图所示的小孔S(后改为狭缝),发出的光穿过两个相邻的小孔S?1和s?2.这两个孔发出的光由于光的干涉在后面的屏幕ac上形成明暗条纹。这个实验不仅证明了光的波动,还可以用来测量光的波长。
光干涉
一、光干涉现象的发现
在光学发展史上,意大利科学家格里马是第一个发现光干涉现象的人。他做了一个简单的实验,实验设计是这样的:在房子的窗户板上打两个紧挨着的小孔,阳光通过这个小孔进入室内,形成两个圆锥形的光束。在两个光束重叠的地方放一个屏幕,这时你可以发现,相反,屏幕上有些地方的亮度比只用一个光束照明时要暗。grimma首先从这个实验中得出一个结论:当两束光叠加在一起时,亮度并不总是增加。他以此类推,把光的干涉现象比作石头丢入水中引起水波的现象。但是,他并没有对这种干涉现象进行深刻的理论分析。
英国物理学家胡克(1635-1703)研究了另一种相干现象。他通过实验研究了光对肥皂水和云母片制成的薄膜的干涉作用。胡克提出光是一种振幅很小的快速振动,并试图分析薄膜干涉时产生颜色的原因。他提出在薄膜上观察颜色必须满足三个条件:薄膜的厚度有一定的极限;薄膜必须是透明的;胶片背面必须有良好的反光膜。他认为,一束最弱成分领先,然后最强成分倾斜并混合的光脉冲会在胶片上产生蓝色印象。一束最强成分领先,然后最弱成分倾斜混合的光脉冲,在视网膜上是红色的。虽然这种解释是不正确的,但它包含了两束光的相位差等现代干涉理论的一些观点。胡克对光的理论研究在从笛卡尔提出的光是以太压力的模型到光涨落的过渡中起了重要作用。
牛顿设计并进行牛顿环实验,研究薄膜干涉问题,发现牛顿环现象。牛顿亲自制作了一个仪器来进行实验。他把一个平凸透镜放在双凸透镜上,使平凸透镜的平面向下,然后慢慢按压,中心周围出现各种颜色的圆环。如果把上面的平凸透镜慢慢抬离下面的双凸透镜,那么中心的彩色圆环就一个接一个地消失了,这就是著名的“牛顿环”现象。牛顿还发现色环的颜色有一定的排列顺序;当两个镜片压紧时,色环的直径会增大,其周边的宽度会减小。如果上透镜被抬起,色环的直径将减小,其外围的宽度将增加。牛顿还测量了圆环的半径,发现它与透镜的曲率半径和空气膜的厚度有一定的关系。“牛顿环”现象实际上是两束光“干涉”的结果。但是,因为牛顿倾向于轻粒子,所以
二、光干涉理论的建立
格里姆、胡克、牛顿等人相继发现了光干涉现象,但都没有得到正确的解释,也没有建立正确的光干涉理论。到19世纪初,经过托马斯·杨、菲涅尔等人的工作,光的干涉理论终于形成并确立。
托马斯·杨通过类比首次将光干涉的概念引入物理学。
1800年,托马斯·杨根据自己的实验对占主导地位的光粒子理论提出质疑,并为惠更斯的波动理论辩护。他通过对声波的研究,提出了声波相互重叠时的加强和减弱现象,即声波的干涉现象。他抛弃了重叠波只能加强的概念,提出了在一定条件下,重叠波也可以减弱甚至相互抵消的观点。杨受观察水波干涉现象的启发,想到了平行光的干涉。他利用水波干涉现象的类比,提出了光的干涉现象。他说,想象一群水波以一定的恒定速度沿着平静的湖面运动,进入一条狭窄的水道,这条水道与湖泊相连。现在我们假设在某个因素的作用下形成了另一个群体。它以与第一组波浪相同的速度到达水道。这两组波互不干扰,但它们的作用会结合起来。如果一组浪的波峰在到达航道后与另一组浪的波峰重合,就会形成一组波峰更高的浪。但如果一组波浪的波峰与另一组波浪的波谷重合,波峰将刚好填满波谷,水面将保持平静。我假设如果两束光以同样的方式组合。
2.杨提出了相干条件。
杨氏对干涉现象的研究提出,干涉现象的基本条件是同一束光只有两部分可以干涉,而根据现代理论,只有两束相干光束可以干涉。
3.杨发现了干涉定律
在1801中,杨提出了他在一篇论文中发现的光的干涉定律:“每当同一个光的两部分沿不同的路径传播,且方向准确或接近平行时,那么当光的路径差等于波长的整数倍时,光相互加强,而在相干部分的中间状态下,光最强,这个波长对于不同颜色的光是不同的。”杨也是第一个到这里的。
托马斯·杨还做了著名的杨氏双缝干涉实验,他第一个提出了干涉现象和衍射现象的密切关系。杨虽然在光波理论上做出了突出的贡献,但他的工作在当时并没有得到科学界的认可,还受到了恶意的攻击。他的论文被斥为“一文不值”,他发现的干涉原理被形容为“荒谬”、“不合逻辑”,导致杨的发现被埋没。
4.光的干涉理论的进一步发展。
法国科学家菲涅耳(1788-1827)1815独立得出干涉和衍射定律。同时,他称赞托马斯·杨的杰出工作,使杨氏干涉理论得到科学界的认可,恢复了他对光学的研究工作。菲涅耳的光干涉思想补充了惠更斯原理。提出了著名的惠更斯-菲涅耳原理,进行了著名的双镜双棱镜干涉实验,使光的干涉理论更加完善。菲涅耳在光学研究中应用了更多的数学分析和定量计算方法,他将正确的物理思想与高超的实验技巧结合起来。他在光学研究中取得了许多深刻而精确的定量成果。他还用阿拉戈实验研究了偏振对干涉现象的影响,并在1819中得出两个相互垂直的偏振光互不干涉的原理,从而进一步丰富和发展了光的干涉理论。
三、光的干涉定律的现代表达
1.光的干涉现象
当两束(或两束以上)光束在一定条件下叠加时,在重叠区域的不同地方呈现出稳定的相互增强或减弱的现象,称为干涉现象。通常情况下,两个独立的光源或同一光源上的两个不同部分不会产生干涉现象。利用光的反射或折射等一些方法,可以将同一光源发出的光分成两束光,当这两束光通过空间中不同的路径重新组合时,就可以实现干涉。
重叠区域中两个光束的增强和减弱形成了干涉图案。能产生干涉现象的光称为相干光,产生相干光的光源称为相干光,产生干涉的条件称为相干条件。
2.光的相干条件
光干涉的必要条件:
①两个光波振动频率相同;
②两个光波在交汇点有固定的相位差;
为了获得振动最弱点处振幅为零的干涉现象,除了上述两个条件外,还必须满足以下两个条件:
③两光波在交汇点振动方向相同;
④两个光波的振幅相同。
如果两个光波在交汇点产生的振动不在同一个方向,那么在该点合成的振动就不是简谐振动,因此就不可能发生干涉现象。如果两个光波在交汇点的相位差不是固定的,而是随时无规律地快速变化,那么在观测或测量所需的时间间隔t内,这种变化引起的光强变化次数几乎是无限的。在交汇点只能得到t区间的平均光强。这和两个光波单独在这一点上产生的光强之和没什么区别,所以不存在干涉现象。因此,只有满足上述三个条件①、②、③,才能产生干涉现象。但要产生明显的干涉现象,还必须满足光干涉的充分条件。
产生光干涉的充分条件:
(1)两个光波在交汇点产生的振动幅度相差不大;
②两个光波在交汇点的光程差不要太大。
如果两个光波在交汇点的振幅相差很大,那么合成的振动在该点的振幅与单个光波在该点产生的振动的振幅就不会有明显的差别,因此观察不到干涉现象。如果两个光波在交汇点的光程差较大,当一个光波的波列经过时,另一个光波对应的波列还没有到达,两个对应的波列之间没有重叠,所以不会出现干涉现象。如果光程差中等,当两个对应的波列部分重叠时,不会出现明显的干涉现象。因此,只有当两个光波的振幅差很小时,两个光波的光程差很小时,才能观察到明显的干涉现象。当两个光波的振幅相等时,在干涉条纹的最暗部分也可以观察到清晰的光强为零的干涉图样。
3.光干涉的类型
光的干涉可以分为两类。一种是波前干涉,即从同一光源发出的光波的波前中分离出两个或两个以上的部分,然后将两个或两个以上的光学器件组合起来,在交汇区域产生干涉现象,如杨氏双缝干涉实验、菲涅耳双棱镜干涉实验、菲涅耳双镜干涉实验等。
另一种是分幅干涉。入射光的振幅被透明薄板两个表面的顺序反射分解成几个部分,这些部分相遇产生的光波干涉就是分振幅干涉,如牛顿环实验、迈克尔逊干涉仪等。
在分数振幅干涉中,如果干涉条纹对应的入射角相同,则称为等倾干涉;对应于相同厚度的干涉条纹称为等厚干涉。
利用光干涉,我们可以测量微小的角度,微小的长度,检查表面质量,测量长度的微小变化。
4.几种著名干涉实验方法的分析
根据光的干涉定律,为了观察到稳定的光的干涉现象,需要创造特殊的条件。这些条件可以总结为:在任意一个瞬间,应该是同一批原子发出的两束波,但经过不同的光路(如反射或折射)。虽然每个原子的发光变化很快,但任何相变总是同时发生在两个波中。因此,当它们到达同一个观测点时,总是保持恒定的相位差,只有通过这样一个特殊装置的两束光才是相干的。因此,历史上一些著名的光干涉实验都是利用上述实验设计原理设计的。
1.杨氏干涉实验
1801年,托马斯·杨用极其简单的装置和巧妙的构思,实现了光与普通光源的干涉。这一实验设计不仅是许多其他光干涉实验的原型,而且在理论上可以从中获得许多重要的概念和启示。
杨氏干涉实验装置如图所示。让光源照在一个不透明的遮光板上(叫光阑),有一个小孔S,后面还有一个光阑,有两个小孔S1和S2。针孔S1和S2发出的两组球面光波相互干涉,在屏幕d上产生强度不等的对称图案,如果用单色光作为光源,可以用在屏幕上。
后来,为了提高干涉的亮度,S,S1和S2在实验中使用了三条平行狭缝,称为杨氏双缝干涉。目镜可以代替屏幕直接观察。激光出现后,以激光为光源进行实验,在屏幕上可以观察到稳定清晰的干涉条纹。也可以用目镜放大,或者用相机拍照。在杨氏实验装置中,一般要求两孔间距d在0.1mm ~ 1mm之间,水平观察范围在1cm ~ 10cm之间,屏与双孔屏的距离在1cm ~ 10cm之间。
从杨氏实验中可以得出结论,取自同一列波面的两个子波源始终是相干的,随后所有波前干涉器件的设计思想都来源于杨氏的巧妙构思。在分析干涉条纹的特征时,杨推导出两孔干涉条纹之间的距离为:
即,光的波长是:
杨从这个公式计算出了光的波长,这是人类历史上第一次用实验测量光的波长。而且,杨氏干涉实验是光学发展过程中的一个决定性实验,导致了光的波动理论的复兴。
2.菲涅耳双棱镜实验
1817年,法国物理学家菲涅尔设计并进行了著名的菲涅尔双棱镜实验,如图:狭缝光源S发出的光通过顶角α很小(约1)的薄棱镜P,借助棱镜的折射,从S发出的光束被分成ac和bd两束,传播方向不同,仿佛来自图中所示的虚光源S 66。干涉条纹是在两束光重叠的bc区产生的。当测量双棱镜产生的干涉条纹的宽度时,光波的波长可由下式计算。
其中L1和L2是光源和屏幕与棱镜之间的距离P,D是两个虚拟光源S1和S2之间的距离,△x是屏幕上两个相邻条纹之间的距离。然后菲涅耳完成了双镜干涉的实验。
3.迈克尔逊干涉仪
美国物理学家迈克尔逊在1881年提出了用分束法产生双光束干涉的精密光学仪器,因而得名。如图所示,单色宽光源S发出的光,在平行平面玻璃板G1上镀上一层薄薄的银半反射面A,光被分成强度几乎相等的两束。它们分别从平面镜M1和M2反射后重新结合,在透镜L2的焦平面F上形成等倾条纹。M2是固定的,M1安装在一个可以平移调整的基座上。通常在G1和G2之间放置一个与G1相同且平行于G1的补偿板G2。
因此,F上的等倾条纹可以认为是在反射面M1和虚反射面M’2之间的平行空气层上产生的。条纹的形状是以焦点为中心的同心圆。当M1移近λ/2时,它向中心收缩一个条纹。另一方面,如果它远离λ/2,则在中心将出现条纹。通过测量条纹变化的次数,可以计算出M1的移动距离。迈克尔逊用这个仪器做了以下三个重要实验:1887中测量以太漂移的迈克尔逊莫雷实验;1892首次系统研究了谱线的精细结构。1895年,光的波长第一次与标准表直接比较。
迈克尔逊干涉仪的设计是光干涉现象的典型应用。
干扰(正体)
干涉是两个波重叠形成新的合成波的现象。
目录
1波的重叠原理
2种类型的干扰
3驻波
4另见
波的重叠原理
当两个波在同一介质中传播,相向传播并重叠时,重叠范围内介质中的粒子同时受到两个波的作用。如果波的振幅不大,则重叠范围内电介质粒子的振动位移等于各自涨落引起的位移的矢量和,称为波重叠原理。
同相:如果两个波的波峰(或波谷)同时到达同一个地方,就说这两个波在该点同相。
异相:如果一个波的波峰和另一个波的波谷同时到达同一个地方,就说这两个波在该点是异相的。
两个波相交后的波形和行进速度不会改变,因为它们已经重叠。
干扰类型
相长干涉
当两个波重叠时,合成波的振幅大于分量波的振幅,称为相长干涉或相长干涉。
如果两个波刚好同相干涉,就会产生最大的振幅,称为完全相长干涉或完全相长干涉。
相消干涉(相消干涉)
当两个波重叠时,合成波的振幅小于分量波的振幅,称为相消干涉或相消干涉。
如果两个波正好反相干涉,就会产生最小的振幅,这种干涉叫做完全相消干涉或完全相消干涉。
驻波
具有相同振幅、波长和周期的两个正弦波以相反的方向传播,并将干涉形成驻波。参见驻波。
看见
波浪
相位
类别:振动和波动