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干涉
如果将两块石头扔到水里相距较近的位置,那么从这两个位置就会产生两组圆形波向外扩散并最终相遇。
在波与波叠加的地方,波峰会变得更高。
在水面上也有另外一些可以连接成线的地方,尽管两个波都经过,却没有丝毫高低起伏。
这些线的位置如图17所示,一般都是沿着波前(波源发出的振动经相同时间所到达的各个波峰点组成的面,见图17a中灰色的同心圆线,圆心则为波源位置)。
图17 a.水面上两个圆形波相互干涉。
灰色的线是等相位线。
b.两个波的波程相同,彼此之间发生相长干涉。
c.两个波的波程相差半个波长,彼此之间发生相消干涉
这种现象被称为干涉,它是由两个波相遇时的振幅相加而产生的。
如果两个波的峰值重合,则波峰的振幅变为原来的两倍。
也就是说两个同相位的波,会发生相长干涉,即波的振幅加倍,见图17b。
如果两个波是反相位的,也就是说其中一个波的波峰和另外一个波的波谷相遇,则合成波的振幅为零,使得这两个波彼此抵消,被称为相消干涉,见图17c。
很显然,这样的现象不可能发生在粒子上,因为两个粒子怎么可能互相抵消呢?
1803年,托马斯·杨(ThomasYoung)在一个著名实验中观察到了干涉现象,这一发现使得光的波动说成为解释光本质的主要理论。
杨的实验简单而精妙。
他用一个蜡烛当光源,蜡烛后面放一块屏幕,在屏幕上有两个距离很近的小孔。
光线透过这两个小孔,投射在被放置在不远处的第二块屏幕上。
如果只使用一个小孔(例如盖住另一个小孔),那么在第二块屏幕上就会出现一个小小的光斑。
然而,在两个小孔都开放的情况下,奇妙的现象发生了:第二块屏幕上出现的并不是一个两倍于之前亮度的光斑,而是在此基础上出现了条纹。
这些条纹是由亮度几乎为零的直线组成,方向垂直于两个小孔的中心连线。
图18是光线穿过两个小孔之后产生干涉现象的横截面图。
这种条纹称为“杨氏条纹”
,是光作为波运动的关键证据之一。
图18 托马斯·杨的实验。
光透过一个小缝之后形成一个光滑的光强分布图。
光透过两个小缝之后,形成一系列明暗条纹,这是典型的波动特征
我们之前提到牛顿做过的一个实验,光在两个靠得非常近的平面上反射时会产生彩色条纹。
那么如何利用干涉原理来解释牛顿观察到的彩色条纹呢?我们知道,产生干涉现象需要两个波,其相对相位(两个波峰值的相对位置)可以调整。
在牛顿的实验中,一束入射光被两个平面反射,从而被分成了两个波,就是在这两个波之间发生了干涉。
如果两个反射面的距离等于光的波长,那么两个波的波峰相互重合,会形成一道亮条纹;如果两个反射面的距离等于半个波长,那么一个波的波峰和另一个波的波谷重合,从而发生相消干涉,产生“暗条纹”
。
因此,当你观察明暗条纹时,你会发现明暗条纹之间的间隔小于一个波长。
对于波长约为500纳米的绿光,这一间隔甚至可以小于250纳米——约为头发直径的140。
当然,对于不同的波长,明暗条纹会出现在不同的地方。
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