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科學(xué)研究能破除迷信,因?yàn)樗膭?lì)人們根據(jù)因果關(guān)系來思考和觀察事物。—愛因斯坦(A.Einstein)
一、干涉和諧振普遍存在干涉(或諧振)就是,在兩列波或多列波疊加時(shí),因?yàn)橄辔魂P(guān)系有時(shí)相互加強(qiáng),有時(shí)相互削弱的一種波的基本現(xiàn)象。
1.水波干涉
在水池中,從相隔不遠(yuǎn)的兩處,同時(shí)分別投進(jìn)一塊石頭,就會(huì)產(chǎn)生同樣的水波,都向四周傳播,仔細(xì)觀察兩列水波會(huì)合處的情景,即可發(fā)現(xiàn)其波幅時(shí)而因相長干涉上漲,時(shí)而因相消干涉下降,如圖6.1.1所示。這就是波的干涉現(xiàn)象,光作為一種電磁波也有類似的現(xiàn)象。
2.機(jī)械共振
在了解光波的干涉現(xiàn)象之前,讓我們先回憶一個(gè)已知的力學(xué)問題。這個(gè)力學(xué)問題就是:一根長為L的弦線兩端被夾住時(shí),其所做的各種固有振動(dòng)方式,如圖6.1.2所示。在振動(dòng)弦線中,邊界條件要求弦線兩端各有一個(gè)節(jié)點(diǎn),即選擇波長λ時(shí)一定要使
或者說,由于波長λ要滿足式(6.1.1a)被整數(shù)化了。弦線的波擾動(dòng)可用駐波來描述,圖6.1.2左上角表示m=3時(shí)的駐波情況,其他三個(gè)圖分別表示m=1,2,3這三種振動(dòng)方式駐波的振幅函數(shù)曲線。
圖6.1.1水池中兩列水波的干涉波紋
圖6.1.2一根長為L的繃緊弦線及其三種可能的振動(dòng)方式
3.電諧振
電諧振在電子技術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛。諧振電路對(duì)頻率具有選擇性,在發(fā)送和接收設(shè)備中常用于振蕩器、濾波器、調(diào)諧器和混頻器。
在串聯(lián)諧振回路中,如圖6.1.3a所示,電容和電感串聯(lián)。電容器放電時(shí),電感充電,當(dāng)電感電壓達(dá)到最大時(shí),電容放電完畢,電感開始放電,電容開始充電,電路中的損耗由電池補(bǔ)償,這樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)維持的狀態(tài),稱為諧振。
諧振的實(shí)質(zhì)是串聯(lián)回路電容中的電場(chǎng)能與電感中的磁場(chǎng)能交替相互轉(zhuǎn)換,此增彼減,相互補(bǔ)償,但電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能總和時(shí)刻保持不變。電源只需供給電路中所消耗的電能。
比如收音機(jī)就是電諧振的一個(gè)典型應(yīng)用,如圖6.1.3b所示,人們?cè)诼犑找魴C(jī)時(shí),通過轉(zhuǎn)動(dòng)選臺(tái)旋鈕,可以隨意選擇所要收聽的廣播節(jié)目。原來,各地的廣播電臺(tái)都按照預(yù)先安排好的頻率向空中發(fā)送無線電波。這些電波看不見、摸不著,可是收音機(jī)的天線L1會(huì)立刻對(duì)各種不同頻率的電波做出感應(yīng)。轉(zhuǎn)動(dòng)選臺(tái)按鈕時(shí),與諧振線圈L相連的可變電容器C也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。電容器轉(zhuǎn)動(dòng)到某一個(gè)位置,諧振回路就能選擇某個(gè)頻率的電波所產(chǎn)生的微小電流i(f),而其他頻率的微小電流則得不到放大,因?yàn)橹C振頻率f=1/,由諧振回路的電感和電容值決定。
圖6.1.3電諧振
a)串聯(lián)諧振電路b)收音機(jī)天線和調(diào)諧選臺(tái)電路
二、光的干涉——法布里-珀羅(F-P)光學(xué)諧振器法國導(dǎo)師法布里和其中國學(xué)生嚴(yán)濟(jì)慈
法國物理學(xué)家夏爾·法布里(CharlesFabry,1867—1945年)曾在巴黎理工學(xué)院學(xué)習(xí),于1892年獲得博士學(xué)位。他先后任教于馬賽大學(xué)和巴黎大學(xué),專門研究光學(xué)和光譜學(xué)。他是巴黎光學(xué)研究所的第一任所長,著有《光干涉的應(yīng)用》(1923)和《物理學(xué)和天體物理學(xué)》(1935)。法布里和玻羅(A.Perot)于1897年發(fā)明了實(shí)用性很強(qiáng)的光學(xué)諧振腔,后來人們尊稱為法布里-珀羅(Fabry-Perot)光學(xué)諧振器。
嚴(yán)濟(jì)慈(1901—1996年),中國物理學(xué)家、教育家,中國現(xiàn)代物理研究奠基者之一,曾任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長、名譽(yù)校長、研究生院院長,中央研究院院士、中國科學(xué)院院士。人們尊他為教育宗師、科學(xué)泰斗。他是中國光學(xué)研究和光學(xué)儀器研制工作的重要奠基人,在壓電晶體學(xué)、光譜學(xué)、大氣物理學(xué)以及光學(xué)儀器研制等方面成就卓著。