1、光学教学中的两个问题第 23 卷总第 247 期物理教学探讨2005 年第 7 期(上半月)JournalofPhysicsTeachingVO1.23No.247(S)07.2005.39光学教学中的两个问题袁海江?诸暨草塔中学,浙江省诸暨市 3118121 光的干涉杨氏双缝干涉实验在光学发展史上具有很重要的地位,托马斯? 杨最先在 1801 年得到两列相干的光波,并且最早以明确的形式确立了光波叠加原理,用光的波动性解释了干涉现象,这一实验的历史意义是重大的,她对近代物理的发展起了积极的作用.在高中光学教学中我们常用图 1 所示来讨论杨氏双缝干涉的有关内容,其中判断 P 点是明条纹还是暗条纹
2、的条件是:P 点出现明条纹的条件是光程差=r2 一 rl=正,其中 k=0,1,2P 点出现暗条纹的条件是光程差1=r2 一 r1=(2k+1)鲁,其中 k=0,1,厶2,斗一兰尸 l明确这个条件后,下面来看一个题目:题目如图 2 所示,在双缝干涉实验中,若单缝 s 从双缝 s1,s2 的中央对称轴位置处稍微向上移动,则:()A.不再产生干涉条纹B.仍可产生干涉条纹,其中央亮纹 P 的位置不变C.仍可产生干涉条纹,其中央亮纹 P 的位置略向上移D.仍可产生干涉条纹,其中央亮纹 P 的位置向下移错误解答双缝干涉实验中,单缝 S 的作用是形成线光源,双缝 S】 ,S2 的作用是形成相干光源,将单缝
3、 S 稍微向上移动时 ,并没有改变单缝传到的光的频率,即双缝仍符合形成相干光源的条件,所以仍能产生干涉现象.在单缝 S 向上稍微移动时并没有改变双缝到 P 的光程.根据双缝到 P 的光程为零可知 P 点为亮纹.故选项 B 正确,其余选项是错误的.选项 B 是大多数学生所选的,究其原因是没有理解好光程差的概念,光程差是指从光源发出的光线到达屏上某点的路程之差.在杨氏双缝干涉实验中,光程差应指从单缝(光源)S 发出的光线经双缝 Sl,S2 后到达屏上某点的路程之差.这也是我们在平时教学中易忽视的一点,希望能引起我们的注意和重视.正确解答在本实验中,单缝 s 的作用是假设可以制造出一台第二类永动机,
4、则用此机器可以从海洋,大气等广阔的热源中吸收热量而全部用来对外做功并把重物举起.那么被举起的重物下落并撞击到某一高温物体上,其重力势能就转化成热能而传给了高温物体.这样,一个低温热源加上一台第二类永动机,就实现了热量自发地从低温物体传给了高温物体而没有引起其他变化.这就违背了克劳修斯的说法.假设热量可以自发地从低温物体传给高温物体而不引起其他变化.并设热量 Q2 能够从温度为 T2 的低温物体自发地传给温度为 T1 的高温物体.就可以使一个热机在温度为 T1 和 T2 的两个热源间进行工作,并使它传给低温物体的热量恰好等于 Q2,则整个系统在工作过程中,热机从单一热源(即温度为 T】的高温物体
5、)获得的热量(Q1 一Q2)全部转化为功,即如图所示的整个系统成了第二类永动机.这就违反了开尔文的说法.综上所述,教材上关于热力学第二定律的两种表述尽管表面上不是针对同一事件提出的,但二者既相互联系,又完全一致.(栏目编辑罗琬华)一 2一,图一一VO1.23No.247(S)07.2005.40物理教学探讨JournalofPhysicsTeachi第 23 卷总第 247 期2005 年第 7 期(上半月)形成频率一定的线光源,双缝 Sl,S2 的作用是形成相干光源,稍微向上移动单缝 S 后并没有改变传到双缝 Sl,S2 的光的频率,由 Sl,S2 射出的仍是相干光,其对应的光程差为零的位置
6、则向下移,故中央亮纹 P 的位置向下移 ,选项 D 正确.,fD,l 光振动修加选修)图 o-o 反射引起的自然光偏振第二十章光的波动性所新增的内容.因是新增内容,故我们在教材处理时应当有足够的重视和注意.其中在教科书 34 页有这样一段话:“光的偏振现象并不罕见,除了光源(如太阳,电灯等)直接发出的光以外,我们通常看到的绝大部分光,都是偏振光.自然光射到两种介质的界面上,如果入射的方向合适,使反射光与折射光之问的夹角恰好是 90.,这时,反射光与折射光就是偏振的,并且偏振方向互相垂直(图 2020).“笔者认为上段文字中的最后一句“这时,反射光与折射光就是偏振的,并且偏振方向互相垂直“和所配
7、图示值得推敲,理由如下:当一束自然光在两种介质上反射和折射时,反射光和折射光的传播方向虽由反射和折射定律决定,但这两束光的偏振取向即偏振态,则须根据光的电磁理论,由电磁场的边界条件来决定,如教材所述,光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光.这样我们把自然光光振动分解为平行于入射面的分量和垂直于入射面的分量,由菲涅耳公式可以知道,光振动的平行分量和垂直分量的振幅比分别为:一AP2 一旦 2Aplsin(il+i2)co8(ili2)旦 2As1一sin(il+2)(3)(4)其中 il,i1 和 i2 分别表示入射角,反射角和折射角;Ap,AP 和 Ap 分别表示入射光,反射光线和折射光线在入射
8、面内的光振动的振幅;As,As 和 Ss 分别表示入射光线 ,反射光和折 ll2射光线垂直于入射面的光振动的振幅.当入射光线以图 2020 的情况入射时,由几何关系得:i1 十 i2=90.,代入 (1),(2)式得ApA:0 和0.这表示反射光线在入射面/aXplIASl内的光振动振幅 AP 等于零,只有垂直于入射面的光振动振幅,所以此时反射光线是平面偏振光,其光振动方向垂直于入射面(即光振动垂直与纸面).对于折射光线而言,将 i1+i2=90.代APA入(3),(4)式得0 和一0. 这表示折射PlSl光线在入射面内的光振动振幅和垂直于入射面的光振动振幅都不等于零,即折射光并非平面偏振光,
9、只能是部分偏振光.还须指出,当自然光以图 2O 一 2O 入射时,在经过一次反射,折射后,反射光虽然是平面偏振光,但光强很弱,对与单独一个玻璃面来说,垂直于入射面振动的光能只被反射一小部分(约15%);因此折射光应是部分偏振光,它占有入射光中光振动在入射面内的全部光能和光振动垂直于入射面的大部分光量.为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度,可以把玻璃片叠起来,成为玻璃堆.当自然光连续通过许多玻璃片时,入射光在各层玻璃面上经过多次的反射和折射,使得反射光的垂直于入射面的振动成分得到加强;同时折射光中的垂直于入射面的也被各层的玻璃面上不断的反射,而使得折射光的偏振化程度逐渐增加.玻璃片数愈多,折射光的偏振化科度愈高.当玻璃片足够多时,最后透射出来的折射光就接近于完全偏振光,其光振动就在入射面内,与反射光的振动面相互垂直,即偏振方向互相垂直.综上所述,我们认为教材原文应适当加以修改,如可改为:“ 反射光是光振动垂直于纸面的偏振光,折射光是部分偏光琚功垂且-I/,fD,光振动3 反射引起的|然光偏振振光其光振动在纸内占绝大部分“,且相应配图可改为图 3 所示.(栏目编辑罗琬华)
