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三棱镜使一束激光的横截面形状改变三次

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上帝之友 发表于 2014-6-19 06:59 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国–上海–上海 移动/GSM/TD-SCDMA/LTE共用出口

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            三棱镜使一束激光的横截面形状改变三次
摘要:让一束激光通过一个三棱镜,调节激光束的焦点,使焦点在激光器和三棱镜之间,然后转动棱镜,让通过棱镜的激光束偏转的方向最小,这时激光束拥有最小偏向角,激光束在通过棱镜前后其光束横截面形状都是圆形的。继续转动棱镜,这时观测从棱镜中出来的激光束——在棱镜附近,光束横截面变成椭圆形;离棱镜稍远一点,光束横截面是圆形;更远一点,光束横截面又变为椭圆形,不过相对前面一个椭圆形旋转了90°。对于这个奇怪的实验现象,作者的解释是光束中相邻光子之间有力的作用。
关键词:三棱镜  激光束   最小偏向角   光斑  折射
.实验内容
在一次有激光和三棱镜的实验中,作者偶然发现了一个奇怪的光学现象,就是一束激光经过三棱镜之后,其光斑形状竟然先后在空中改变了两次,后来经过多次实验,逐渐找到了一些规律,具体实验光路如示意图。
通过棱镜后激光束形状改变三次.JPG
激光器上有调焦装置,可以对光束进行调焦;三棱镜为直角三棱镜;光屏就是一张白纸板,实验中只有一个光屏,每次观测光斑时都要求光轴和光屏垂直。
在本文的实验中,激光束刚从激光器出来时为圆形光斑,直径约5毫米,大约在离激光器出光口90毫米处到达焦点,在离焦点约80毫米处到达棱镜。
通过旋转棱镜,使射入棱镜光束的方向和射出棱镜光束的方向的夹角达到最小,这时棱镜就处在最小偏向角的位置。用光屏在示意图中的ABC三个地方来观测光斑形状(A点离棱镜约5厘米,B点离棱镜约25厘米,C点离棱镜约40厘米),光斑的形状都是圆形。
把光屏放置在A点处,继续旋转棱镜改变折射光的方向,同时旋转光屏使光屏始终与光轴垂直,直到光屏上出现椭圆形光斑(如a光斑),这时停止旋转棱镜和光屏;然后把光屏放置到B点处,光屏与光轴垂直,观测到圆形光斑(如b光斑);接着把光屏放置到C点处,光屏与光轴垂直,观测到椭圆形光斑(如c光斑),但c光斑的椭圆形相对a光斑的椭圆形旋转了90°。
二.实验讨论
对这个实验现象的解释:在一束光中,每个光子和附近的光子都会有力的作用,如果让一束光的光轴和坐标系的X轴重合,棱镜使光子相对坐标系Z轴改变方向的同时,也使光子相对坐标系Y轴改变了方向。具体的表现为——光束中的光子在经过焦点之后,如果没有遇到棱镜,随着光程的增加,大部分光子会越来越远离光轴,但是遇到棱镜后,有些光子会越来越靠近光轴,并在一条“焦线”上相交,从而再次远离光轴。
对于一种实验新现象,可能会有多种解释,希望这个光学现象能够促进人们对光的认识。
法拉利ss 发表于 2014-6-19 08:48 | 显示全部楼层 来自: 中国–重庆–重庆–永川区 电信非住宅宽带用户
这个试验让“光”更加表现出“波”——振动的特性来。
反正我是这样理解的。

点评

不是光子之间力的作用吗?  详情 回复 发表于 2014-6-19 09:01
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Tom—Wood 发表于 2014-6-19 09:01 | 显示全部楼层 来自: 中国–重庆–重庆 联通
法拉利ss 发表于 2014-6-19 08:48
这个试验让“光”更加表现出“波”——振动的特性来。
反正我是这样理解的。 ...

不是光子之间力的作用吗?
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-19 10:25 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
我相信这个光学现象将来一定会在教科书上出现,大家就现在动起手来,亲手来呈现这个神奇的光学现象吧!
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cruiling 发表于 2014-6-19 11:03 | 显示全部楼层 来自: 美国–弗吉尼亚州–劳登县–阿什本 Verizon_Online有限公司
本帖最后由 cruiling 于 2014-6-18 22:07 编辑

这个用简单的几何光学就可以解释了吧,棱镜的那个角类似于凸透镜,对光线有汇聚作用,但是棱镜的两个表面是平面,而不是球面,所以对光线的汇聚作用不是各向同性的,就是说横向和纵向的光线汇聚的焦点不同,这样汇聚出来的就不是一个圆形光斑,而是椭圆,比如a点,横向汇聚比纵向要强,c点是横向已经发散的光线了,b点刚好是中间状态。

光子和光子之间是没有力的作用的!!
首先光子不带电,没有电磁力!第二光子没有质量,不存在万有引力!

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这个解释和我的解释是类似的。  详情 回复 发表于 2014-6-20 09:11
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liyulongmen 发表于 2014-6-19 11:09 | 显示全部楼层 来自: 中国–北京–北京 中国科学院
楼主没有考虑棱镜内的多次反射问题。
A处的拉长原因主要是棱镜内的多次反射形成的。普通的光由于亮度比较低,这种效应不显著,激光就显著多了。
如果在棱镜光路出口加一个遮光板,只允许直接折射通过的光,你说的现象应该就会消失。
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lxy6904 发表于 2014-6-19 11:11 | 显示全部楼层 来自: 中国–河南–洛阳 联通
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天狼星666 发表于 2014-6-19 11:20 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 中国–内蒙古–呼和浩特 移动
只知道,光具有波-粒二象性,是振荡着的电磁场的传播,并且具有干涉现象。光子的静止质量为零。
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gohomeman1 发表于 2014-6-20 01:19 | 显示全部楼层 来自: 中国–浙江–宁波 电信
晕死,你是怎么理解波的……

看看楼下各位的解说吧!
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-20 09:11 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
cruiling 发表于 2014-6-19 11:03
这个用简单的几何光学就可以解释了吧,棱镜的那个角类似于凸透镜,对光线有汇聚作用,但是棱镜的两个表面是 ...

这个解释和我的解释是类似的。

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类似??你的解释有本质上的错误! 你的解释是光子之间有力的作用,所以造成了光斑的形变,这个解释是错误的。为什么错误看我上次的回帖。 我的解释是光在不同方向上折射的路线不同,因为激光可以认为是多束光线的集  详情 回复 发表于 2014-6-20 09:21
但你这个理解不能够解释最小偏向角的状况。  详情 回复 发表于 2014-6-20 09:16
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-20 09:16 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
上帝之友 发表于 2014-6-20 09:11
这个解释和我的解释是类似的。

但你这个理解不能够解释最小偏向角的状况。

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如果你知道棱镜的折射率,手算都能算出来怎么摆放偏向角最小! 麻烦你看一下最基本的几何光学  详情 回复 发表于 2014-6-20 09:25
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cruiling 发表于 2014-6-20 09:21 | 显示全部楼层 来自: 美国–弗吉尼亚州–劳登县–阿什本 Verizon_Online有限公司
上帝之友 发表于 2014-6-19 20:11
这个解释和我的解释是类似的。

类似??你的解释有本质上的错误!
你的解释是光子之间有力的作用,所以造成了光斑的形变,这个解释是错误的。为什么错误看我上次的回帖。
我的解释是光在不同方向上折射的路线不同,因为激光可以认为是多束光线的集合,每一束光线折射角度不同。
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cruiling 发表于 2014-6-20 09:25 | 显示全部楼层 来自: 美国–弗吉尼亚州–劳登县–阿什本 Verizon_Online有限公司
上帝之友 发表于 2014-6-19 20:16
但你这个理解不能够解释最小偏向角的状况。


如果你知道棱镜的折射率,手算都能算出来怎么摆放偏向角最小!
麻烦你看一下最基本的几何光学
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李灼 发表于 2014-6-20 09:29 | 显示全部楼层 来自: 中国–辽宁–沈阳 联通
这个和光子之间的作用力,万有引力什么的,显然不搭边。就是几何光学的问题。
我觉得原理应该是这样的:
入射光和棱镜的接触面是椭圆面,且有一个夹角,这就会导致通过棱镜的出射光束中的各光线的光路的传播方向不同,这样就会导致在不同投射距离上分别看到圆形及椭圆形的光斑。

PS:用这类简单的实验设备在今天是很难有什么“新发现”的。

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因为同一光束内的不同光线入射角不同、并入射在棱镜的不同部位上,就会导致出射光束不再是入射前的圆锥状。  详情 回复 发表于 2014-6-20 09:37
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李灼 发表于 2014-6-20 09:37 | 显示全部楼层 来自: 中国–辽宁–沈阳 联通
本帖最后由 李灼 于 2014-6-20 09:38 编辑
李灼 发表于 2014-6-20 09:29
这个和光子之间的作用力,万有引力什么的,显然不搭边。就是几何光学的问题。
我觉得原理应该是这样的:
入 ...


因为同一光束内的不同光线入射角不同、并入射在棱镜的不同部位上,就会导致出射光束不再是入射前的圆锥状。
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-20 10:10 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
由于棱镜在焦点之后,入射光的角度确实不同了。但在最小偏向角的位置,入射光的入射角也是不同的。入射角的不同也许是原因之一,但造成这种现象的原因也许是多个因素共同造成的。

点评

其实我想,从棱镜出射后的光束,应该就是在你一楼的图中沿垂直方向,光斑的短轴逐渐增加的过程,这样就会是先是横向的椭圆,然后是正圆,再后是竖向的椭圆。而光束的横向宽度应该是一直不变的。  详情 回复 发表于 2014-6-20 10:47
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-20 10:13 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
李灼的解释有一定道理。
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李灼 发表于 2014-6-20 10:47 | 显示全部楼层 来自: 中国–辽宁–沈阳 联通
上帝之友 发表于 2014-6-20 10:10
由于棱镜在焦点之后,入射光的角度确实不同了。但在最小偏向角的位置,入射光的入射角也是不同的。入射角的 ...

其实我想,从棱镜出射后的光束,应该就是在你一楼的图中沿垂直方向,光斑的短轴逐渐增加的过程,这样就会是先是横向的椭圆,然后是正圆,再后是竖向的椭圆。而光束的横向宽度应该是一直不变的。

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“而光束的横向宽度应该是一直不变的。”——光束的横向宽度应该也是缓慢匀均增加的,因为入射光束是圆锥形的。  详情 回复 发表于 2014-6-20 10:50
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李灼 发表于 2014-6-20 10:50 | 显示全部楼层 来自: 中国–辽宁–沈阳 联通
本帖最后由 李灼 于 2014-6-20 11:02 编辑
李灼 发表于 2014-6-20 10:47
其实我想,从棱镜出射后的光束,应该就是在你一楼的图中沿垂直方向,光斑的短轴逐渐增加的过程,这样就会 ...


“而光束的横向宽度应该是一直不变的。”——光束的横向宽度应该也是缓慢匀均增加的,因为入射光束是圆锥形的,而不是圆柱形的。
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 楼主| 上帝之友 发表于 2014-6-21 07:25 | 显示全部楼层 来自: 中国–天津–天津 电信/电信/IDC机房
实验现象确实如李灼所述,光束从棱镜中出来后是椭圆形光斑,随着光程的增加,椭圆形的短轴比长轴增加的更快,变成了圆形光斑,进一步增加光程,光斑的短轴变成长轴,光斑又变成椭圆形,只是两个椭圆形相差了90度。
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