当你每天睁开眼睛，就能感觉到光，阳光、灯光、火光等各式各样的光帮助我们学习、工作和生活。可以说人从出生的那一刻起，几乎每一天都离不开光。可是你知道光究竟是什么呢？

这一节我们通过一些具体的实验现象来说明光的波动性。

一、光的干涉

19世纪初，英国物理学家托马斯·杨从观察水波的干涉现象中受到启发，开始分析并研究光的干涉现象与规律。他非常巧妙地用镜子将室外的阳光水平地反射到百叶窗上，通过一个小孔进入室内；再由相距0.1mm的两个小孔将这束光分成两束，如图4-13所示。这两束光射到屏上，在相遇的区域出现了彩色的干涉条纹。如果用单色光（用激光效果更好）代替普通光，用狭缝代替小孔，重复上述实验，屏上就会出现如图4-14所示的明暗相间的干涉条纹。这是为什么呢？

上面所讲的就是光的双狭缝干涉实验。在图4-14中，由同一光源发出的光通过狭缝S后，再由狭缝S1和S2分成两束，这样，S1和S2便成了两个振动情况完全相同的光源。由它们发出的光波在相遇的区域内叠加，如果是波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加，则振动加强，在叠加处出现光增强的亮条纹；如果是波峰与波谷相遇叠加，则振动减弱，在叠加处出现光减弱的暗条纹。

图4-13 杨氏双孔实验

由于太阳光（白光）是复色光，不同波长的单色光产生的明暗条纹位置不同，所以用太阳光做双缝干涉实验，在屏上就出现了不同颜色的彩色条纹。

产生干涉现象的光必须是从同一光源发出的，通过一定方式分成两列光。这两列频率相同、振动方向相同的光才能产生干涉现象。两个独立的光源发出的两列光是不能干涉的。故两列光能发生干涉的条件是：这两列光频率相同，振动方向也相同。我们把频率相同，振动方向也相同的两列光叫相干光。两列相干光相遇在光屏上出现明暗相间条纹的现象称为光的干涉。

图4-14 双缝干涉实验

二、光的衍射

与机械波的衍射一样，光发生衍射的条件是：障碍物的大小与光的波长差不多或比光的波长还小。

让一束光通过一个非常窄的狭缝后，光明显地偏离了直线传播方向，照在光屏上的区域相当宽，并且出现了明暗相间的条纹，如图4-15所示，这就是光的衍射现象。衍射条纹很特别，中央条纹最亮，也最宽，两侧条纹对称分布，越往两侧，明条纹越窄、越暗。它的光强分布如图4-16所示。如果把单狭缝换成小孔，同样也能观察到衍射图样，图4-17就是小孔衍射图样。

无论是单狭缝衍射还是小孔衍射，光的传播都偏离了直线传播方向。一般说，我们就把这种光绕过障碍物进入阴影区的现象叫光的衍射。

图4-15 光的衍射现象

图4-16 衍射条纹强度分布

图4-17 小孔衍射图像

光的干涉条纹和衍射条纹都是明暗相间的，如何区分它们呢？图4-18为双缝干涉图样，图4-19为单缝衍射图样，比较二图可知：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹，而衍射条纹中央一定是亮条纹，且中央亮条纹最亮、最宽。越往两侧，亮条纹越窄、越暗。(www.daowen.com)

图4-18 双缝干涉图像

图4-19 单缝衍射图像

三、光的偏振

干涉和衍射现象表明光是一种波，那么光是横波还是纵波呢？

我们先用机械波来说明纵波和横波的主要区别。在绳波的传播方向上放上带有狭缝的木板，当狭缝的方向与绳的振动方向相同时，绳上的横波可以通过，如图4-20（a）；当狭缝的方向与绳的振动方向垂直时，绳上的横波就不能通过狭缝，如图4-20（b）。这种现象叫横波的偏振。

图4-20 横波的偏振

图4-21 纵波无偏振现象

让纵波通过同样装置，如图4-21所示。如果以传播方向为轴，无论怎样旋转带狭缝的木板，纵波都能通过狭缝，即纵波没有偏振现象。

横波不能通过与振动方向垂直的狭缝的现象叫做横波的偏振。

我们可以根据光有无偏振现象来判断光波是不是一种横波（如图4-22）。

通过一种垂直于光传播方向的偏振片A（对光起栅栏作用）来观察普通发光源，会看到透过A的光强度并不受转动A引起偏振片方向变化的影响，似乎光是一种纵波，可是，当我们固定A不动，在A的后面垂直光的传播方向上再放置一个偏振片B，通过B与A来观察光源时，我们发现当B转到某一方向时，透过的光最强，如果以此为起点再将B缓慢地转动90°，则会发现透过B的光由强逐渐减弱，最后几乎为零，这就说明光是一种横波。其原因为，普通光源发出的自然光中有许多种垂直于传播方向振动的光，当普通光通过偏振片A时，无论怎样转动A，多种振动方向的光一定有一种光能通过A，我们把这种光的振动方向称为偏振片的偏振化方向。通过A后的光，只有当B的偏振化方向与A相同时，才能最大限度地透过B，若此时为起点，转过的90°，透过B的光减至最弱，几乎为零，继续转动B，透过B的光的强度又会由最弱逐渐变为最强，出现周期性的变化。

这些实验现象充分说明，光是一种横波。

图4-22 光的偏振

习题4-5

1.光的干涉与衍射现象说明光的什么特性？

2.为什么说光是横波？