波的干涉
两列波在同一位置相遇时,位移按叠加原理相加;同相的波峰相遇会加强,峰谷相遇会抵消。这种由相位差形成的强弱分布叫干涉。要观察稳定条纹,两列波的频率应相同且相位差随时间保持稳定;如果相位差不断漂移,长时间平均后的明暗图样会被抹平。
路程差与相位差
设两路波由同相源发出,波长为 ,到观测点的路程分别为 。传播一个波长,相位转过 ;因此路程差 对应相位差 。若 ( 为整数),两路到达时同相,形成相长干涉;若 ,两路反相,形成相消干涉。
若两路强度在观测点分别为 ,相干条件下的强度为 。当强度相等 ,相长处为 ,相消处可为零;强度不等时,相消处仍有 ,不会完全黑。这里的强度式还假设两路具有可相干叠加的同类波动分量,例如光的偏振方向相同。
若两源起初就有固定相位差 ,观测点的总相位差要写成 ;此时不能再把 的中央点自动判成亮纹。双缝常用同一束入射光分成两路,是为了让两缝出射光在普通实验条件下具有稳定的相位关系。波在屏上相遇后继续传播,干涉改变的是该处叠加后的振幅和能流分布,不是说两列波相撞后“互相消灭”。
双缝条纹的间距
两条狭缝相距 ,屏到狭缝的距离为 ,且 。屏上离中央亮纹偏移 的点,对应传播方向与中央方向夹角 。在远场几何近似下,路程差 ;若角度又很小,,所以第 级亮纹的位置约为 取单色光真空波长 、缝距 、屏距 。把三个量先换成米,相邻亮纹间距为 计算得到 。把缝距减半,条纹间距加倍;这说的是符合远场、小角度条件时的几何位置,实际条纹亮度还受到单缝衍射包络影响。
参考资料
- OpenStax《University Physics》16.5,叠加与相位差。
- OpenStax《University Physics》3.2,双缝路程差与条纹间距。