光的衍射yy资料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光的衍射,diffraction of light,第四章,1 光的衍射,2 单缝的夫琅禾费衍射,3 光栅衍射,4 光学仪器的区分本事,一.光的衍射现象,光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物的边缘连续传播，到达障碍物的几何阴影区。这种偏离直线传播的现象称为光的衍射现象。,缝较大时，光是直线传播的,缝很小时，衍射现象明显,1,光的衍射,刀片边缘的衍射,圆盘衍射泊松点,假设波长与障碍物的线度相当，衍射现象最明显。,a圆孔衍射,b单缝衍射,二.衍射的分类,1.菲涅耳衍射近场衍射,2.夫琅和费衍射远场衍射,光源,障碍物,接收屏,至少有一个距离为有限远。,光源,障碍物,接收屏,距离都为无限远，即平行光入射，平行光出射。,衍射时的障碍物又称,衍射屏,三.惠更斯-菲涅耳原理,惠更斯原理只能解释波的衍射，不能给出衍射波的强度，不能解释条纹的形成。,惠更斯-菲涅耳原理：波阵面上的各点，都是放射球面子波的新波源，衍射时，波场中各点的强度由各个子波在该点的相干叠加打算。,菲涅耳在惠更斯原理根底上加以补充，提出子波相干叠加的概念。,惠更斯原理：媒质中任一波阵面上的各点，都可看成新的子波源，其后任意时刻，这些子波的包络面就是新的波阵面。子波假说,波在前进过程中引起前方P点的光振动，为面,S,上各面元,dS,所产生的子波在,P,点引起光振动之和，即这些子波在,P,点的相干叠加。,元振幅：,沿入射波方向(垂直入射S面)的衍射子波振幅最大！,则子波振幅为0，因此,子波不向后衍射,。,夫琅禾费单缝衍射,夫琅禾费是德国物理学家。1787年3月6日生于斯特劳宾,父亲是玻璃工匠,夫琅禾费幼年当学徒,后来自学了数学和光学。1806年开头在光学作坊当光学机工,1818年任经理,1823年担当慕尼黑科学院物理陈设馆馆长和慕尼黑大学教授,慕尼黑科学院院士。夫琅禾费自学成才,一生勤奋刻苦,终身未婚,1826年6月7日因肺结核在慕尼黑逝世。,约瑟夫夫琅禾费,(,Joseph von Fraunhofer,17871826,),2,夫琅和费单缝衍射,夫琅禾费集工艺家和理论家的才能于一身,把理论与丰富的实践阅历结合起来,对光学和光谱学作出了重要奉献。他发表了平行光单缝及多缝衍射的争论成果后人称之为夫琅禾费衍射,做了光谱区分率的试验,第一个定量地争论了衍射光栅,用其测量了光的波长,以后又给出了光栅方程。,夫琅禾费也是一位天文学的先驱。1814年他用自己改进的分光仪，从太阳光谱中区分出了多条暗线，并将它们用字母标示出来。下面这张原始光谱图由夫琅禾费本人手工上色，清晰地标出了每条暗线的位置。并利用衍射原理测出了它们的波长。,一.装置、光路、衍射条纹,1.装置图,p,S,f,f,a,透镜,L,透镜,L,B,衍射屏,观察屏,0,A,*,单色平行光垂直照射单缝,：衍射角,（缝宽）,线源,k,1,-1,-2,-3,2,3,2.光路图,P点的光振动是单缝处波阵面上全部子波波源发出的子波传到 P 点的振动的相干叠加。,在屏幕上某点 P 距屏幕中心 O点为 x，对应当点的衍射角为，AB 间两条光线的光程差为。,单缝衍射条纹的特点,平行的明暗相间的衍射直条纹。中心明纹的宽度是其它明纹的两倍。,中心明纹的亮度最大，其它明纹的亮度随着衍射级k的增大而减小。,k,1,-1,-2,-3,2,3,3.衍射条纹,二.半波带法,将单缝处的波面分成与缝平行的等宽窄条，每个窄条称为一个,波带,。,假设相邻两波带上对应点沿方向的衍射光到P点处的光程差为/2，即相位差为，这种波带称为半波带。,1.半波带,用 /2 分割 AC，过等分点作 BC 的平行线，等分点将 AB 等分-将单缝分割成数个半波带。,2.半波带的特点,各半波带面积相等，子波数一样，各半波带产生的光振动振幅近似相等。,半波带,半波带,半波带,半波带,相邻两半波带在屏上P点所产生的光振动完全抵消,合振幅为0（,）。,1,2,B,A,a,半波带,半波带,1,2,/,2,1,1,2,2,半波带,半波带,相消,相消,相邻两半波带奉献给P点的合振幅为零！,3.波阵面被分成半波带的状况,可分成偶数个半波带,a,/,2,B,A,两相邻半波带的衍射光,相消，,P,处为暗纹中心,可分成奇数个半波带,a,B,A,/,2,其中两相邻半波带的衍射光相消，,余下一个半波带的衍射光不被抵消。,P,处形成明纹中心,不能分成整数个半波带,P,处光强介于明暗之间,衍射角,越大，半波带面积越小，明纹光强越小。,当衍射角,=0时，,中央明纹中心,中心明纹中心处光强最大。,a,/,2,B,A,a,B,A,/,2,暗纹中心,明纹中心,中心明纹中心,结论,：,单缝处的波阵面分割成:,偶数个半波带,奇数个半波带,不是整数个半波带，,P,点光强,介于最明与最暗之间,。,三.加强减弱条件,每一级衍射条纹对称分布于中心明纹中心的两侧。,四.明纹暗纹位置,暗纹中心位置,明纹中心位置,五.条纹宽度,1.条纹角宽度,k,0,1,-1,-2,-3,2,3,暗纹条件,全微分,衍射反比定律：,a,越小，,越大，条纹散得越开。,k,0,1,-1,-2,-3,2,3,a时，0，条纹密集于中心，成为一条亮线，相当于光的直线传播。,几何光学是波动光学在a时的极限状况。,当a时，会消失明显的衍射现象。,当a时，衍射暗纹消逝，屏上仅有中心明纹。,2.中心明纹线宽度,(,1级暗纹之间的区域),k,-1,1,0,f,1级暗纹,衍射角=0，各子波汇于焦点O，光程差=0，为中心明纹。,3.其他明纹线宽度,f,k,0,1,-1,-2,-3,2,3,在,时，,中心明条纹的宽度1级暗条纹之间的区域是其它明条纹宽度的二倍。,单缝衍射明纹宽度的特征,或,f,或,a,或,f,或,a,x，衍射现象明显,x,，衍射现象不明显,波长对衍射条纹的影响,缝宽对衍射条纹的影响,单缝位置对衍射条纹的影响,六.光强,中心明纹最亮，其它明纹光强快速下降，即光强随衍射角增大而快速减小。,这是由于越大级次越高 半波带越窄，方向因子也越小。,I,其它级,I,0级,sin,0.047,0.017,1,I,/,I,0,0,相对光强曲线,0.047,0.017,条纹在屏幕上的位置与波长成正比，假设用白光做光源，中心为白色明条纹，其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。,六.干预和衍射的联系与区分,1.联系,干预和衍射都是波的相干叠加，二者又常消失在同一现象中。,2.区分,有限多个分立光束的相干叠加,波阵面上无限多个子波的相干叠加,干涉：,衍射：,双缝干预是干预和衍射的共同效果。,单缝衍射条纹,双缝干预条纹,例1.假设有一波长为=600nm 的单色平行光，垂直入射到缝宽 a=0.6mm 的单缝上，缝后有一焦距 f=40 cm 透镜。,试求：,1屏上中心明纹的宽度;,2假设在屏上 P 点观看到一明纹，OP=1.4mm，问 P 点处是第几级明纹，对 P 点而言狭缝处波面可分成几个半波带？,解：(1)两个第一级暗纹中心间的距离即为中心明纹的宽度：,例2.在夫琅和费单缝衍射试验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时，除中心亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹,(A)对应的衍射角变小。,(B)对应的衍射角变大。,(C)对应的衍射角也不变。,(D)光强也不变。,B,例3.波长为的单色平行光垂直入射到一狭缝上，假设第一级暗纹的位置对应的衍射角=/6，则缝宽的大小为,(D),(A),(B),(C),C,例4.在如下图的单缝夫琅和费衍射试验中，假设将单缝沿透镜光轴方向向透镜平移，则屏幕上的衍射条纹,(A)间距变大。,(B)间距变小。,(C)不发生变化。,(D)间距不变，但明暗条纹的位置交替变化。,C,例5.在如下图的单缝的夫琅和费衍射试验中，将单缝K沿垂直于光的入射方向图中的x方向略微平移，则,(A)衍射条纹移动，条纹宽度不变。,(B)衍射条纹移动，条纹宽度 变动。,(C)衍射条纹中心不动，条纹变宽 。,(D)衍射条纹不动，条纹宽度不变。,(E)衍射条纹中心不动，条纹 边窄。,D,例6.依据惠更斯菲涅耳原理，假设光在某时刻的波阵面为S，则S的前方某点P的光强度打算于波阵面S上全部面积元发出的子波各自传到P点的,(A)振动振幅之和。,(B)光强之和。,(C)振动振幅之和的平方。,(D)振动的相干叠加。,D,单缝夫琅和费衍射试验,