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午遗柏
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1 第九章机械波与光波是自然界中常见的一种运动形式, 如人们熟悉的声波水波电磁波以及光波等. 通过本章的学习我们将进一步了解波的一些基本特性, 特别是人类经历了漫长岁月探究出来的光的本质机械波观察与思考波对我们来说, 并不陌生. 在你的生活中, 你看到过哪些波? 你知道哪些波? 这些波有什么特点和共性? 波的形式可说是多种多样. 投一石子在水中, 就能激起水波 ; 大家交谈时能发出声波 ; 握住绳的一端, 使劲的摆动, 就能形成了一列起伏的绳波, 如图所示. 图绳波机械波机械振动在介质中的传播, 形成机械波. 水波声波绳波都属于机械波. 要产生机械波, 必须具备两个条件 : 一是波源 ( 机械振动 ), 二是介质. 在图所示的绳波中, 握绳的手在不断地上下振动, 波在由近及远的传播, 但是手和绳并没有随波迁移. 可见, 波传递的只是波源的振动形式和能量. 讨论与交流在平静的水面上投入一石子, 浮在水面上的一小杂物将如何运动? 记住 : 形成波的两个条件 : 波源和介质. 两者缺一不可. 注意 : 波传递的只是波源的振动形式和能量. 介质中的各质点, 只会在各自平衡位置附近振动, 不会随波迁移. 145

2 这种振动方向垂直于波的传播方向的波称为横波. 其波形特征是起伏相间, 其最高点称为波峰, 最低点称为波谷. 此外, 振动方向与波的传播方向沿一直线的波称为纵波, 如图所示, 其特征是疏密相间, 其中较密处称为密部, 较疏处称为疏部. 声波就是典型的纵波. 图纵波重点 : v = λ T = λ f 此公式适用于任意波. 重点 : 波的干涉条件 : 两列频率相同振动方向也相同的波在同一空间叠加. 波的衍射条件 : 障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多, 甚至更小. 记住 : 波的干涉和波的衍射是波所特有的性质, 只要具有这一性质, 它就是波. 波长频率与波速两个相邻波峰 ( 密部 ) 或两个相邻波谷 ( 疏部 ) 之间的距离称为波长, 用 λ 表示, 其单位为 m. 波前进一个波长所需的时间, 称为波的周期 (T). 波在介质中的传播速度, 称为波速 (v). 由于在一个周期 (T) 内, 波的传播距离为一个波长 (λ), 故有 v = λ = λ f (9 1) T 此公式不仅适用于机械波, 也适用于无线电波和光波等电磁波. 讨论与交流波的频率与其波源的振动频率相同吗? 波的传播速度与波源有关吗? 波的特性我们在听器乐演奏时, 各种各样的乐器在一起演奏出美妙的乐章, 如果你熟悉各种乐器, 将能从这优雅的旋律中, 辨别出有小号小提琴长笛贝斯等乐器的声音, 表明波具有独立性. 此外, 多种乐器齐奏的声音, 要比一件乐器的声音大得多, 这表明波在某一区域相遇时, 会进行叠加. 如图 9 1 3a 所示, 在两列波 (1 和 2) 的波峰与波峰相遇的区域里, 介质中质点的振幅增大 (3). 当两列波 (4 和 5) 的波峰与波谷相遇的区域里, 介质中质点的振幅减小 (6), 如图 9 1 3b 所示. 图波的叠加 146

3 当两列频率相同振动方向也相同的波叠加时, 会出现一种较为奇特的现象, 某些区域的振动始终加强, 某些区域的振动始终减弱, 且振动加强和振动减弱的区域是互相间隔的, 这一现象称为波的干涉, 如图所示. 微风激起的水波, 遇到小石芦苇小木桩等小物体时, 会绕过它们, 继续传播, 好像它们图水波的干涉并不存在. 这种波绕过障碍物的现象, 称为波的衍射. 波通过小孔时, 也会出现波的衍射. 只闻其声, 不见其人. 就是一种波的衍射. 通过大量的实验证明, 当障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多, 甚至更小时, 就会发生明显的衍射现象. 观察与思考声音是自然界里最普遍的, 也是与人类关系最密切的一种现象. 人们靠语言来交流思想表达感情. 我们的生活不能没有声音. 那么你对声音了解多少? 声波物体的振动通过空气等介质向外传播, 形成声波. 传入人耳, 使耳膜振动, 人们就产生了声音的感觉. 声波是典型的机械波, 是一种疏密波纵波, 具有波的一切特性, 如反射干涉和衍射等. 人耳一般能感觉到的声音频率大约在 20~ Hz 之间. 一般人的发声频率范围是 85~ H z 赫兹. 低于 20 H z 的叫次声波, 高于 H z 的叫超声波, 这些波我们是听不见的, 但也是非常有用的波, 在军事工业医疗等方面的应用极为广泛. 在不同介质中, 声波的传播速度也不同. 在同一介质中, 其传播速度也将随温度有所改变. 声音在 0 的空气中传播的速度是 332 m / s, 在 15 的空气中传播的速度是 340 m / s, 在 20 的空气中传播的速度是 344 m / s. 声波在液体和固体中的传播速度会更快. 表 9 1 列出了 0 时, 声音在几种介质中的传播速度. 表时, 声音在几种介质中的传播速度介质声速 / (m s - 1 ) 介质声速 / (m s - 1 ) 空气 332 玻璃水松木铜软木 480 铁橡胶

4 注意 : 回声是由于声音反射形成的. 人听到回声的条件是发声与回声间隔 0 1 秒, 这样人耳才能区别出来. 也就是说, 要听到回声, 声源与反射面必须相距 17 米以上. 对着山崖或高墙喊话, 有时可以听到回声, 站在北京天坛公园里的回音壁旁小声说话, 如图所示, 在回音壁的任何一处都能听见说话声. 请你亲自体验一下怎样才能听到自己的回声? 图回音壁机床噪声及其控制声音在给我们的生活带来方便的同时, 有时也给我们的身体造成伤害. 使人感到烦躁令人讨厌的刺耳声音的统称为噪声. 随着现代社会的发展, 噪声已经成为影响我们生活和健康的重要环境问题, 又被称为城市新公害. 通常人们用分贝 (db) 做单位, 来表示噪声大小及对人的影响.40 db 是正常的环境声音, 大于 60 db 的噪声开始对人体有害. 一些实验表明噪声对人的神经系统心血管系统都有一定影响, 长期的噪声污染可引起头痛惊慌神经过敏等, 甚至引起神经官能症. 噪声还会导致心跳加速血管痉挛高血压冠心病等. 极强的噪声 ( 如 170 db) 还会导致人的死亡年美国 F104 喷气式飞机做超音速飞行实验, 飞机的轰鸣声使附近一个农场饲养的一万只鸡死去 60%. 噪声主要来源各种机器设备和交通工具, 而机床中的噪声, 主要产生于各种转动和传动, 如转动部分不匀称及转轴与轴套间的间隙皮带的松紧不合适齿轮间的啮合度不当等, 都将产生噪声, 且转速越高, 噪声越大. 通过更换轴套调节皮带松紧调整啮合度, 以及加入适当的润滑剂, 均可达到降低噪声的作用, 必要时还可给机器加隔音罩. 超高速加工是继数控技术之后, 使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术. 超高速机床是实现超高速加工的物质基础, 而高速主轴单元则是超高速机床的核心部件, 它的性能直接决定了机床的超高速加工性能. 最适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子转子直接装入主轴组件的内部, 形成电主轴, 实现机床主轴系统的零传动, 大大改善了机床的动平衡, 避免振动和噪声. 表 9 2 是我国卫生部和劳动总局颁发的工业企业噪声卫生标准 ( 试行草案 ), 不符合此标准的产品, 视为不合格产品. 表 9 2 工业企业噪声卫生标准 ( 试行草案 ) 每个工作日接触噪声时间 / h 允许噪声 / db

5 续表每个工作日接触噪声时间 / h 允许噪声 / db 阅读材料多普勒效应在日常生活中, 我们都会有这种经验 : 当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时, 他会发现火车汽笛的声调由高变低. 为什么会发生这种现象呢? 这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的, 如果频率高, 声调听起来就高 ; 反之声调听起来就低. 这种现象称为多普勒效应, 它是用发现者克里斯蒂安多普勒 (Ch ri stian Do p p le r, ) 的名字命名的, 多普勒是奥地利物理学家和数学家. 他于 1842 年首先发现了这种效应. 为了理解这一现象, 就需要考察火车以恒定速度驶近时, 汽笛发出的声波在传播时的规律. 其结果是声波的波长缩短, 好像波被压缩了. 因此, 在一定时间间隔内传播的波数就增加了, 这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因 ; 相反, 当火车驶向远方时, 声波的波长变大, 好像波被拉伸了, 因此, 声音听起来就显得低沉. 定量分析得到 f 1 = (u + v 0 )/ (u - vs )f, 其中 vs 为波源相对于介质的速度,v 0 为观察者相对于介质的速度,f 表示波源的固有频率,u 表示波在静止介质中的传播速度. 当观察者朝波源运动时,v 0 取正号 ; 当观察者背离波源 ( 即顺着波源 ) 运动时,v 0 取负号. 当波源朝观察者运动时 vs 前面取负号 ; 前波源背离观察者运动时 vs 取正号. 从上式易知, 当观察者与声源相互靠近时,f 1 > f; 当观察者与声源相互远离时,f 1 <f 波传递的是什么? 两列什么的波相遇时才会出现明显的干涉现象? 什么情况下才能出现明显的衍射现象? 一圆形水波, 不断的由圆心向外传播, 经过 45 s 的时间, 当第 1 个波峰到达半径为 9.0 m 的圆周时, 第 10 个波峰恰在圆心处, 求此列波的波长波速周期和频率观察者看到闪电 15 秒钟后才听到雷声. 求打雷处与观察者之间的距离 ( 设气温是 15 ). 149

6 9. 2 光太阳的光芒照耀着空间, 光给世界带来光明, 也把自然界的信息带给人们. 人类很早就研究了光光的传播规律和光的本性, 对当今科学技术的发展起到了巨大的推动作用. 观察与思考当你把一根筷子插在一个透明的盛满水的玻璃杯里, 从杯子的外面看, 筷子好像被折断了, 从水中拿出来发现并未折断, 这是为什么呢? 注意 : 光路的可逆性是光传播的重要规律. 重点 : 射率光的折射定律及折 n = sin i sinγ 光的折射光射到两种介质的界面上时, 一部分光被反射回原介质, 另一部分进入到另一种介质中去, 并改变了原来的传播方向. 光从一种介质射入另一种介质时, 传播方向发生改变的现象称为光的折射. 图表示光线由空气射到水面上时发生的反射和折射现象. 图中 M M 表示空气和水的分界面, A O 表示入射光线,O B 表示反射光线,OC 表示折射光线, 而 O N 是法线,i 是入射角,β 是反射角,γ 是折射角. 通过大量的实验研究发现 : 折射光线入射光线和法线在同一平面上, 折射光线和入射光线分居在法线的两侧. 入射角 i 的正弦和折射角 γ 图光的折射 sin i 的正弦成正比, 即 sin γ = 常数, 这一规律称为光的折射定律. 讨论与交流如果光线逆着原来的折射光线 OC 的方向射到分界面上, 能否逆着原来的入射光线 O A 的方向折射出去? 光从空气射入玻璃和射入水中的时候, 虽然入射角的正弦跟折射角的正弦之比都是常数, 但是这两个常数的数值不同, 可见这个常数是跟介质有关的一个物理量. 光从真空射入某种介质发生折射的时候, 入射角 i 的正弦跟折射角 γ 的正弦之比 n, 称为这种介质的折射率, 即 n = sin i sin γ (9 2) 进一步研究表明, 如果光从真空射入某一均匀介质, 则某介质折射率 n 在数值上等于光在真空中的传播速度 c 跟光在介质中的传播速度 v 之 150

7 比, 即 n = c v (9 3) 表 9 3 一些介质的折射率介质折射率介质折射率金刚石 2.42 酒精 1.36 二氧化碳 1.62 乙醚 1.35 水晶 1.54 水 1.33 玻璃 1.5~ 1.9 冰 1.31 甘油 1.47 空气注意 : 光速 c = m / s, 由于光在真空里的速度跟在空气里的速度相差很小, 可以认为光从空气里进入某种介质时的折射率就是那种介质的折射率. 例 1 已知水的折射率为 1.33, 请问光在水中的传播速度有多大? 光从空气进入水中, 当入射角为 30 时, 折射角有多大? 解根据介质的折射率公式可以算出光在这种玻璃里的速度 v = c n = km / s = km / s 当入射角 i = 30 时, 折射角的正弦 sin γ = sin i = n 折射角 γ = sin = 0 376, 即在一个烧杯中装满水, 将一把毫米尺竖直立在杯边. 视线沿着杯的另一边观察尺端, 同时用一枝铅笔沿着尺上半部上下移动, 直到铅笔在水中的倒影和 A 等高为止. 从图上读出 CA 和 CD 的距离, 用另一把尺测量出 CO 的距离, 计算出 A O 和 DO 的长度, 根据 n = sin i CO/ DO = sin γ CO / A O = AO 求出 DO 水的折射率 ( 图 9 2 2). 观察与思考 2003 年 7 月 30 日上午, 在大连港附近海面上出现了一个较大的山体轮廓, 左侧则是连绵起伏的小山体轮廓 ( 约有十几个小山头 ), 一个小山头上还隐约可见烟囱的影子 ( 如图 9 2 3), 这些山体为何突然出现在海面上? 光的全反射一束光线从水中射向空气, 如图所示, 当入射角 i 从 0 开始逐渐增大时, 折射角 γ 也跟着增大, 而且总是增大的比入射角快. 当入射角增大到某一角度 Φ 时, 折射角 γ 已达到 90. 若入射角再增大, 折射光线将消失, 光线将全部返回到原来的介质水中. 这种入射光线图测水的折射率图海面上的影物 151

8 重点 : 全反射的条件是光从光密介质到光疏介质. 在两种介质分界面上发生全部反射回原媒质的现象称为光的全反射. 折射角等于 90 时的入射角称为临界角, 用符号 Φ 表示. 根据, 光的折射定律可以求出各种媒质的临界角. 在自然界里, 我们经常会看到全反射现象. 例如在水或玻璃里的空气泡显得特别明亮, 就是因为从水或玻璃里射向气泡的光线在分界面上发生全反射的缘故. 还有不常见的海市蜃楼和海兹现象. 光导纤维就是全反射现象应用的一个图全反射典型例子. 光导纤维是一种能够传导光的细玻璃丝, 对光的传导原理可以通过图来说明. 在不透光的暗盒里, 装一个电灯泡作为光源, 把一根弯曲的细玻璃棒或一端 A 伸进暗盒. 打开电灯, 玻璃棒的另一端 B 就会有光线传出. 这是因为从玻璃棒 A 端射入的光线, 在棒的内壁上发生了多次全反射, 最后从棒的 B 端射出. 玻璃棒 A B 就像能传导光的管子一样. 光导纤维就是利用这一原理制成的, 它的直径非常小, 一般只有 50~ 100 μ m, 是由内芯和外套两层组成, 内层材料的折射率约为 1. 8, 外层材料的折射率为光线在内芯和外套的交界面上发生全反射, 因而不会有光从纤维的侧壁射出, 损失很小. 图 (a) 是光导纤维内光路的示意图. 图光的传导图光导纤维及应用由于光导纤维使光沿弯曲的路径传播, 医学上用它来观察人体内脏某一部分的病变, 如胃镜 [ 见图 9 2 6(b)] 心脏窥镜等. 近年来, 纤维光学有了突飞猛进的发展, 不仅用于内窥光学系统, 已成功地应用于通信系统. 和电通信相比, 光纤通信有许多优点, 如抗电磁干扰性强, 频带宽和通信容量大, 保密性好, 节省有色金属等. 我国已铺设了光纤通信线路, 用来传输图像信号等, 今后光纤通信在实际应用方面将会取得更重大的进展. 152

9 小资料海底光缆铺设于海底的光缆, 有浅海和深海应用. 这种光缆的特点 ; 一是耐受很大的静水压力 ( 每深 10 m 增加压力为 1 t) 和施放过程中的拖曳力 ; 二是能防止氢入侵光纤. 已经证实, 氢会导致光纤增大衰减 ; 三是中继段跨距大. 在海缆中光纤单元都放置于缆的中心并在专制的不锈钢管中. 该管外绕高强度拱形结构的钢丝. 钢丝层又包上铜管, 然后是挤塑外护套. 以防利器伤害, 其中包括鲨鱼咬噬. 我国已建成 16 条 7 个系统的国际海底光缆系统, 通达世界 30 多个国家和地区的海底光缆登陆站, 形成覆盖全球的高速数字光通信网络. 观察与思考用细金属丝做成一个圆环, 放入肥皂液中蘸一下, 环上就形成一层肥皂液薄膜, 用洒有食盐的酒精灯照射, 薄膜上就产生明暗相间的条纹, 这是为什么? 把食指和中指紧靠在一起, 留一点细缝, 举到眼前, 让细缝与日光灯管平行, 透过细缝去看日光灯, 为什么可以看到许多平行的彩色条纹? 光的干涉和衍射干涉和衍射现象是波的主要特征之一, 光如果是一种波, 就会像机械波一样观察到干涉和衍射现象年, 英国物理学家托马斯杨在实验室里成功地观察到了光的干涉现象, 如图所示. 用狭缝代替小孔, 用单色光代替太阳光来做实验, 得到了更清晰的明暗相间的干涉条纹, 如图所示. 这就是著名的杨氏双缝干涉实验. 这个实验, 证明光是一种波. 图杨氏实验图双缝干涉图样发生干涉的两列光, 其频率相同, 振动方向相同, 满足这样条件的两重点 : 列光称为相干光. 图的杨氏双缝干涉实验中, 通过单缝 S 的光, 光的干涉条件 : 两经缝 S1 和 S2 后形成了相干光, 当其相遇叠加时, 就会出现干涉现象. 束光的频率振动方向等相同. 肥皂液薄膜上, 路面积水的油膜上, 经阳光照射能看到美丽的彩色花纹, 是由于光从透明膜的前后两个表面反射后, 发生干涉的结果. 153

10 光的干涉现象被用于精密量具和精密镜面的检测 ( 图 9 2 9a). 利用标准透明平面和被测平面之间极薄空气层的上下面作为反射面. 被测表面是平的, 空气层厚度方向上, 相同的各点在一条直线上, 产生的干涉条纹是平行的 ( 图 b); 如果被测表面某些地方不平, 空气层厚度方向上相同的各点不再位于一条直线上, 产生的干涉条纹就要弯曲 ( 图 9 2 9c), 条纹的弯曲程度可以了解被测表面的不平. 图用干涉法检查平面讨论与交流两个独立光源 ( 如两盏灯 ) 发出的光, 在空间叠加时会不会产生干涉? 光屏上能产生明暗相间的条纹吗? 图 (a) 是一个不透光的屏, 屏中间开一圆孔, 一束光射来, 后面的像屏上可见到明亮的圆形光斑. 缩小圆孔孔径, 光斑也随着减小 ( 图 (b)). 但当孔径小到一定程度 ( 约 0. 1 m m 以下 ) 时, 像屏上的光斑不仅没有减小, 反而变大了, 而且光斑的亮度也变得不均匀, 成了一些明暗相间的圆环 ( 图 (c)). 这些圆环的面积, 远远超过了光沿直线传播的区域. 光偏离直线路径绕到障碍物后面的现象称为光的衍射. 图圆孔衍射重点 : 光的衍射条件 : 障碍物的尺寸与光的波长相近或比波长小. 光的衍射现象随处可见. 例如, 眯起眼睛或隔着窗纱看灯光, 看到灯周围出现衍射形成的花纹 ; 隔着羽毛看光源, 也会看到这种现象. 光的衍射现象表明, 光沿直线传播是一种近似的规律. 在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下, 光才能看作是直线传播的. 在障碍物或小孔 ( 狭缝 ) 的尺寸与光的波长相近或比波长还要小, 衍射现象十分明显. 衍射现象限制了光学显微镜的放大倍数, 因为与光的波长相近的物体使光产生衍射, 无法形成清晰图像. 154

11 光通过单狭缝产生的衍射条纹比较宽, 增加狭缝的数量, 会使衍射条纹变得更窄更清楚晰. 这种多狭缝的光学仪器称为光栅. 常用的透射光栅是在玻璃片上刻有许多等宽等间距的平行刻痕, 一般每毫米内有几十乃至上千条狭缝. 光栅除用于光的波长测量外, 在工程上也得到了广泛应用, 如用光栅光纤光栅制成的传感器可精确的测量长度角度温度应变应力加速度压强等. 光的干涉和衍射现象证明光具有波动性. 19 世纪中期, 光的波动说得到了公认, 但是光波的本质问题仍没有解决, 人们习惯于按机械波的模型把光看成是在弹性媒质中传播的振动.19 世纪 60 年代, 英国物理学家麦克斯韦提出电磁波的理论, 并且从理论上得出电磁波的传播速度, 跟实验测得的光速相同, 在这个基础上麦克斯韦提出光是一种电磁波年赫兹用实验证实电磁波的存在, 并且证明电磁波与光波一样具有反射折射干涉衍射等性质. 无线电波红外线可见光紫外线 X 射线 γ 射线等, 构成了范围非常广泛的电磁波谱. 在科学和技术中有广泛的应用. 讨论与交流光波与机械波都可以发生干涉和衍射, 那么它们的本质相同吗? 有何异同点? 在一小块玻璃上均匀涂上一薄层墨汁, 晾干. 把两片双面刀片并拢, 沿着直尺用刀尖划两条平行的透明的细缝. 把玻璃片横放在眼前, 透过双缝去看近处的白炽电灯, 可在灯丝两侧观察到彩色干涉条纹. 光电效应光的电磁说使光的波动理论发展到完美的程度. 但是, 这个学说不能解释所有光现象. 一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上, 用紫外线照射锌板, 验电器上带正电 ( 图 ). 说明在紫外线的照射下, 锌板上有部分自由电子从表面飞出去, 锌板失去电子带正电. 在光的照射下物体发射电子的现象称为光电效应, 发射出来的电子称为光电子. 通过对光电效应的进一步研究, 人们发现了光电效应的一系列规律. 而这些图光电效应记住 : 光电效应进一步证实了光的粒子性. 155

12 注意 : 光子是由光源发出的一颗颗不连续的粒子流. 每个光子的能量 E = hν 重点 : 光既有波动性, 又有粒子性光的波粒二象性. 记住 : 激光的特性 : 方向性好, 单色性好, 亮度高. 规律却无法用经典的波动理论来解释.1900 年, 德国物理学家普朗克在研究电磁波的能量分布时发现, 只有认为电磁波的发射与吸收不是连续的, 而是一份一份地进行的, 每一份的能量为 hν(ν 是光的频率,h 是普朗克常量, 实验测定 h = J s), 其理论计算结果才能与实验事实完全符合. 在这个学说的基础上, 爱因斯坦于 1905 年提出 : 在空间传播的光并不是连续的, 而是一份一份的, 每一份称为一个光子, 光子的能量与它的频率成正比, 即 E= hν. 这个学说称为光子说. 光子说很好地解释了光电效应. 光的波粒二象性光既有波动性又有粒子性, 光的本性是什么呢? 到 17 世纪, 形成了两种学说, 一种是牛顿主张的微粒说, 认为光是从光源发出的直线传播的弹性微粒流. 另一种是惠更斯提出的波动说, 认为光是某种振动引起的波动. 光的微粒说很容易解释光的直进现象和光的反射现象, 然而却很难解释光在两介质交界面处同时发生折射和反射的现象, 而波动说却比较容易解释这种现象. 但是波动说在解释光的直进现象时却遇到了困难, 因为波能够绕过障碍物, 而不会像光那样在物体的后面留下清晰的影子. 光的微粒说和波动说各有成功的一面, 但都不能圆满地解释已知的各种光现象, 由于牛顿在学术界声望较高, 微粒说占着主导地位, 波动说发展得很慢.19 世纪初, 人们成功地在实验中观察到光的干涉和衍射现象, 证明波动说是正确的.19 世纪后期, 随着电磁学的发展, 明确了光实质上是一种电磁波. 到了 19 世纪末 20 世纪初, 有关光与物质相互作用的现象, 如光电效应光压效应等, 又证实了光的确具有粒子性. 由于光既有波动性, 又有粒子性, 这使爱因斯坦提出, 光是由光子组成并且具有波动性质, 即光具有波粒二象性的结论, 圆满地解释了光的干涉衍射和光电效应等光现象. 激光 1960 年 5 月 15 日, 在休斯公司的一个研究室里, 年轻的美国物理学家梅曼在他的实验装置里有一根人造红宝石棒. 突然, 一束深红色的亮光从装置中射出, 它的亮度是太阳表面的 4 倍! 这是一种完全新型的光, 科学家渴望多年而自然界中并不存在的光, 它被命名为 L aser ( 镭射 ), 是英文受激辐射光放大的缩写, 这就是激光. 产生激光的装置被称为激光器. 激光和激光器的问世, 被称为 20 世纪最重大的科学发现之一. 由于激光具有方向性好单色性好亮度高的特性, 近年来, 激光技术发展的速度十分惊人, 应用的范围不断拓展, 在工农业气象天文大地测量军事空间科学技术医学等领域有广泛的用途. 如激光制导, 激光保鲜, 激光育种, 激光清洗, 激光医疗, 激光美容等等. 激光也成为了现代社会生活中最尖端的科技之一, 如激光唱机, 激光影碟机, 激光防伪标志, 激光照排, 光纤信息传送, 激光雕刻, 激光成型以及礼品标牌等等. 156

13 光栅传感器在数控机床中, 测量工作台的位移, 一般为计量光栅. 其结构为光源透镜光栅副和光电元件组成. 主要部件光栅副由栅距相等的主光栅和指示光栅组成, 这两个光栅相互重叠, 相距一个微小的距离, 在光源的照射下, 由于光的衍射作用, 在与光栅刻线垂直的方向上, 产生明暗相间的条纹, 这些条纹称为莫尔条纹. 莫尔条纹间距变化的光信号转化为电信号, 在显示元件上以数字形式显示出位移量的大小. 阅读材料光通信的发展人类很早就利用光来传递信息了. 烽火台, 就是古代人进行光通信的设施. 利用光波传递信息, 一直是人们研究的目标. 一百多年前, 著名的电话发明家贝尔在发明电话之后, 于 1880 年又发明了利用太阳光进行电话通信的光电话, 最远的通话距离达到了 213 m. 后来, 人们又利用弧光灯的光来代替太阳光, 使通话的距离延长, 但是最多也只能传几公里. 原因是这些光通过大气传播时会受到雨雾烟尘等的吸收 ; 从而造成较大的消耗 ; 还因为这些光在传播时会逐渐扩散, 即使是天气晴朗时也会逐渐扩散而消失. 从技术上来说, 无论是太阳光还是各种火花灯光都是不纯的光它们的频率相位等光的特性是杂乱的, 不可能用来传送大量的信息, 也不能用作远距离通信. 而激光是由物质原子结构的本质决定的, 这种光与人们已经广泛应用的电磁波有类似的特性. 激光的光束具有很强的功率很直的直射性, 光质很纯, 也就是光波的频率相位等都很稳定, 因此可以用来载送信息, 通信的容量很大, 比微波通信还要大一万倍. 激光的发明给光通信的研究工作带来了很大的希望. 最初发明的激光器有严重的缺点, 它不能持续地发光, 不能用于通信. 直到 1970 年, 贝尔研究所的林严雄等人终于成功地研制出能在室内常温下连续工作的半导体激光器. 与研究激光器的同一年代里, 科学家们也在为寻求传导光的介质而努力年, 英国标准电信研究所的英籍华人高锟发表了具有历史意义的论文, 论述了光学纤维传输光的前景. 当时光学玻璃纤维的传输损耗在每千米 db 以上. 也是在 1970 年, 美国康宁玻璃公司的三位研究人员马瑞尔卡普隆和凯克, 首先研制成功了传输损耗只有每千米 20 d B 157

14 的光纤. 在室温下连续工作的半导体激光器和低损耗光纤是技术上的重大突破, 使光纤通信终于得到了实现年, 在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首次开通了商用的光纤通信系统, 许多人惊奇地看到 : 一对只有头发丝粗细的玻璃丝 ( 直径 0. 85μ m), 竟然能同时开通路电话 ( 传输速率达 45 MB / s). 这一成果震惊了世界. 但是到现在, 这样容量的光纤通信系统已经不足为奇了. 光通信或是光纤通信的通信容量或是光纤通信传送信息的速率发展之快是十分惊人的, 现在已经实际应用的光纤通信系统容量或传输速率, 已经比 1977 年的那个系统提高了多位. 而且还有更大的容量可以开发, 光纤通信以其无可比拟的超大容量, 从 80 年代开始已经逐渐替代电线和电缆成为现代电信网的骨干. 在信息量急剧增长的信息社会里, 光纤通信成为信息传递的主力. 到 2000 年, 全世界 80% 以上的信息传送业务都要由光纤通信来完成. 9.2 练习图一束光跟水面成 60 角从空气进入水中, 水的折射率是求折射角和光在水中的传播速度光从某种介质射入空气, 测得入射角为 18 折射角为 30. 求这种介质的折射率和光在其中的传播速度如图所示, 一块折射率为 3 的玻璃砖, 作出一束光线从玻璃砖射出的光路图. 你能证明射出的光线与入射光线平行吗? 水的折射率是 4 / 3, 在水面下 1 米处有一个点光源 S, 问水下发光点能照亮水面的区域是一个半径为多大的圆面? 什么是光的干涉? 什么是相干光? 课本叙述的实验是怎样获得相干光的? 浮在水面上的薄油层在太阳光的照射下会显出彩色的花纹, 这是为什么? 什么是光的衍射? 发生光的衍射需满足什么条件? 举例简要说明可见光中何种颜色光子的能量最大? 何种最小? 世纪的光的波动说和微粒说有什么成功之处和不足之处? 试述光的波粒二象性. 实践与探索超声波应用非常广泛, 你知道它在哪些领域中有哪些具体的应用? 158

15 知识回顾一机械波机械波的形成条件是. 横波的振动方向与波的传播方向, 纵波的振动方向与波的传播方向, 水波是波, 声波是波. 波速波长周期频率的关系为或. 波的频率取决于频率, 波速由决定. 人耳能听到声音的频率范围是, 更低的叫, 更高的叫. 波特有的性质是. 机器中产生噪声的主要原因是. 二光折射光线入射光线和法线在, 折射光线和入射光线分居在. 入射角 i 的正弦和折射角 γ 的成正比. 光从真空射入某种介质发生折射的时候, 入射角为 i 的正弦跟折射角为 γ ; 光在真空中的传播速度为 c, 在介质中的传播速度为 v 则这种介质的折射率为或. 光从介质到介质, 且折射角时, 才会出现全反射. 两列的光称为相干光, 其相遇时出现. 称为光的衍射, 只有在时候才能明显的衍射现象. 在空间传播的光并不是连续的, 而是的, 每一份称为一个光子, 光子的能量与它的成正比, 即. 这个学说称为光子说. 光既有, 又有, 称为光的性. 激光具有的特性. 习题一选择题 1 甲敲击一下铁管的一端, 乙把耳朵贴在铁管另一端, 听到了两次敲击声. 对这一现象的分析, 正确的是 ( ). A 乙听到的两声中有一声是回声 B 乙有两只耳朵, 所以听到两声 C 乙先听到沿铁管传来的声音, 后听到沿空气传来的声音 D 乙先听到沿空气传来的声音, 后听到沿铁管传来的声音 159

16 2 在运动场上的百米赛跑时, 终点线上的计时员为了计时精确, 在计时时 ( ). A 听见枪声同时按下跑表, 因为耳朵的听觉灵敏 B 看见发令枪散发的白烟同时按下跑表, 因为眼睛很灵敏 C 凭自己掌握, 听见枪声和看见白烟都可以按跑表, 因为响声和白烟是同时发生的 D 应该以看见白烟为准, 因为光的传播速度特快, 而声音的传播速度要慢得多 3 以下关于波的说法中正确的是 ( ). A 干涉现象是波的特征, 因此任何两列波相遇时都会产生干涉现象 B 因为声波的波长可以与通常的障碍物尺寸相比, 所以声波很容易产生衍射现象 C 声波是横波 D 纵波传播时, 媒质中的各质点将随波的传播一直向前移动 4 渔民叉鱼时, 其正确的方法是 ( ). A 对准所看见鱼叉去 B 对准所看见鱼的偏下方叉去 C 对准所看见鱼的偏上方叉去 D 对准所看见鱼的前方叉去 5 下列现象中由光的干涉产生的是 ( ). A 天空出现彩虹 B 肥皂泡在阳光照耀下呈现彩色条纹 C 阳光通过三棱镜形成彩色光带 D 光线通过一个很窄的缝呈现明暗相间的条纹 6 关于光具有波粒二象性的叙述中, 正确的是 ( ). A 光既具有波动性又具有粒子性, 是互相矛盾的, 是不能统一的 B 光的波动性与机械波, 光的粒子性与质点都是共同的 C 大量光子才能显示出波动性, 个别光子产生的效果只能显示出粒子性 D 光在传播时表现为光的波动性, 而在和物质相互作用时, 表现为光的粒子性二填空题 1 出现波峰和波谷的波是 ; 出现密部和疏部的波是. 2 一列横波波形如所示. 这列波振幅为 cm; 波长为 m. 经过 1 s,a 点第一次回到平衡位置, 则这列波的周期为 s; 频率为 Hz; 波速为 m / s. 160 填空题 2 附图 3 声音在空气中 ( 气温为 15 时 ) 的传播速度是 m / s.

17 4 声音在固体液体中传播速度要比在空气中 ( 填快或慢 ). 5 水的折射率为 1. 33, 玻璃的折射率为 1. 5, 则光在水中的传播速度是光在玻璃中速度的倍, 光从射向时, 可能发生全反射. 三计算题 1 人在峡谷中喊叫会听到回声, 若从发出声音到听到回声用了 1. 5 s, 则反射声音的山峰离喊话人距离是多少? 2 一块厚玻璃放在一本书上, 当我们垂直于书面往下看时, 书上的字好像升高了 10 cm, 如果玻璃的折射率 n = 1.5, 那么玻璃的厚度是多少? 3 X 射线的波长 = 10 nm, 求它的每个光子的能量. 161

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NONE 王第１期健等太赫兹量子级联激光器光束特性分析ｌ３１Ｏ９Ｏ９Ｏ８Ｏ８Ｏ７Ｏ７Ｏ６Ｏ６Ｏ５Ｏ５Ｏ４Ｏ４Ｏ３Ｏ３Ｏ２Ｏ２涮潞鳗ＯＯ矧潮瑚疆誓一ａＴＭｌｍｄｅｂＴＭｍｄｅ图６Ｆｉｇ６ｚ１Ｏ７Ｕｍｍ处的衍射光斑Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｓｐｔｓｗｈｅｎｚｌｏｍｍ在戈和方向上ｐｘ和１５Ｉ随激射波长的变化曲线如图８所示