惠更斯-菲涅耳原理第 2 章光的衍射

物理学教程（第二版）1第2章光的衍射（DiffractionofLight）光的干涉是研究两列或两列以上光波的相互叠加问题。光的衍射研究光波本身传播行为，它进一步揭示了光的波动性的本质。物理学教程（第二版）22.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 一切波动都能绕过障碍物向背后传播性质一切波动都能绕过障碍物向背后传播性质。例例如如，户户外外的的声声波波可可绕绕过过树树木木，墙墙壁壁等等障障碍碍物物而而传传到到室室内内，无无线线电电波波能能够够绕绕过过楼楼房房，高高山山等等障障碍碍物物而而传传到到收收音音机、电视里等。机、电视里等。波遇到障碍物时偏离原来直线传播方向的现象称为波遇到障碍物时偏离原来直线传播方向的现象称为波波的衍射。的衍射。光波在传播中遇到障碍物，光波在传播中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘能够绕过障碍物的边缘而而偏离直线传播偏离直线传播,在光场中形成明暗变化的光强分布的现象叫在光场中形成明暗变化的光强分布的现象叫光光的衍射的衍射。一、光的衍射现象一、光的衍射现象物理学教程（第二版）3屏屏幕幕E E a S光源光源(b)(b)b 单缝单缝K KabS光源光源(a)(a)屏屏幕幕E E光的直线传播光的衍射现象2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）4光的衍射现象2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）5【结论】1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。3.衍射现象的出现与否，还决定于障碍物的线度和波长的相对大小，只有障碍物的线度和波长可以相比拟时，衍射现象才明显地表现出来。2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）62、惠更斯原理的表述任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面波；在以后的任何时刻，所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。“次波”假设。3、惠更斯原理的图示如下：二、惠更斯原理1、波面等相位点的轨迹波前波源前的任何一个曲面2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）7惠更斯原理图示惠更斯原理图示 S12r r=vt1 2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）84、惠更斯原理的成功与失败可以解释光的直线传播、反射、折射和双折射现象；“子波”的概念能定性解释光的拐弯现象，但不能说明在不同方向上波的强度分布，即不能解释波的衍射。也不能解释波的干涉现象（未涉及波长等）；而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而实际上倒退波是不存在的；原理描述粗糙、简单，缺乏定量描述。2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）9三、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳在惠更斯提出的子波假设基础上，又增添了两条：1）提出了“子波相干叠加”的概念。从同一波阵面上各点发出的子波，在传播过程中相遇时，也能相互叠加而产生干涉现象，空间各点波的强度，由各子波在该点的相干叠加所决定。2)给出了子波的数学表达式。2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）10 波波面面 S 上上每每个个面面积积元元 dS 都都可可以以看看成成新新的的波波源源，它它们们均均发发出出次次波波。波波面面前前方方空空间间某某一一点点 P 的的振振动动可可以以由由 S 面面上上所所有面积元所发出的次波在该点叠加后的有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振幅合振幅来表示。来表示。面积元面积元 dS所发出的次波的振幅和相位符合以下所发出的次波的振幅和相位符合以下四个假设：四个假设：所有次波都有所有次波都有相同的初相位相同的初相位（令（令 0=0)次波是次波是球面波球面波2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）11次波在次波在P点处的相位落后于点处的相位落后于dS处振动的处振动的相位相位，落后的值为，落后的值为ds子波源发出的子波在子波源发出的子波在P点引起的点引起的振动振动为：为：v 波阵面上所有波阵面上所有dS 面元发出的子波在面元发出的子波在P点引起的点引起的合振动为合振动为:2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理 物理学教程（第二版）12夫夫 琅琅 禾禾 费费 衍衍 射射光源、屏与缝相距无限远光源、屏与缝相距无限远缝缝菲菲 涅涅 耳耳 衍衍 射射缝缝光源、屏与缝相距有限远光源、屏与缝相距有限远在在实实验验中中实实现现夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射2.2.衍射现象的分类：衍射现象的分类：2.1 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理