物理152学习教程.pptx
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1、单缝衍射*圆孔衍射圆孔衍射*第1页/共41页2、惠更斯、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理:从同一波面上各点发出:从同一波面上各点发出的次波(子波)是相干波,下一时刻空间某点的振的次波(子波)是相干波,下一时刻空间某点的振动由各次波在该点引起振动的动由各次波在该点引起振动的相干叠加相干叠加所决定。所决定。介质中波动传到的各点,都可以看作是发射子波的介质中波动传到的各点,都可以看作是发射子波的波源,在其后任一时刻,这些子波的包络就是新的波波源,在其后任一时刻,这些子波的包络就是新的波前前 惠更斯原理。惠更斯原理。:波阵面上面元波阵面上面元 (子波波源子波波源):时刻波阵
2、面时刻波阵面 *第2页/共41页3、菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射菲 涅 尔 衍 射缝缝 光源、屏与缝相距光源、屏与缝相距有限远有限远夫 琅 禾 费 衍 射光源、屏与缝相距无限远缝缝在在实实验验中中实实现现夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射第3页/共41页二、单缝夫琅禾费衍射衍射角衍射角(衍射角 :向上为正,向下为负)缝的边缘缝的边缘A、B 两点发出的到达点两点发出的到达点Q的光程差为:的光程差为:如何分析如何分析Q点的明暗呢?点的明暗呢?第4页/共41页Q1、分析、分析Q点的明暗:点的明暗:采用采用“半波带法半波带法”将波面将波面AB分成许多等宽度的纵长条带,并使相邻两分成许多等宽度
3、的纵长条带,并使相邻两条带上条带上对应点对应点发出的光的光程差为半个波长,这样的条发出的光的光程差为半个波长,这样的条带称为带称为半波带半波带。A1 AB分为分为两个两个半波带半波带AA1和和A1B,其对应点发出的光的,其对应点发出的光的光程差都是光程差都是/2,相位差都为,相位差都为,在,在Q点处干涉相消,因点处干涉相消,因而在而在Q处出现处出现暗条纹暗条纹。缝长缝长第5页/共41页 AB分为分为三个三个半波带,两个相邻半波带发出的光干涉半波带,两个相邻半波带发出的光干涉相消,剩一个半波带发出的光未被抵消,因而在相消,剩一个半波带发出的光未被抵消,因而在Q处处出现出现明条纹明条纹。3)当当
4、=0时,时,asin =0 即各光的光程差为即各光的光程差为0,通过透镜后会聚在焦平面上,通过透镜后会聚在焦平面上,形成中央级明纹中心。形成中央级明纹中心。第6页/共41页干涉相消(干涉相消(暗纹暗纹暗纹暗纹)干涉加强(干涉加强(明纹明纹明纹明纹)(介于(介于明明暗暗之间)之间)2k个半波带个半波带2k+1个半波带个半波带中央明纹中心中央明纹中心总结(个半波带)个半波带)第7页/共41页2、光强分布光强分布干涉相消(干涉相消(暗纹暗纹暗纹暗纹)干涉加强(干涉加强(明纹明纹明纹明纹)第8页/共41页 例题例题 在单缝衍射实验中,透镜焦距在单缝衍射实验中,透镜焦距f=0.5m,入射光,入射光波长为
5、波长为500nm,缝宽,缝宽 a=0.1mm。求:中央明纹的宽度。求:中央明纹的宽度和第一级明纹的宽度。和第一级明纹的宽度。解:解:中央明纹的宽度中央明纹的宽度l0等于两个第一级暗条纹之间的等于两个第一级暗条纹之间的距离,设距离,设x1为第一级暗纹与中心点之间的距离,则为第一级暗纹与中心点之间的距离,则 第一级明纹的宽度第一级明纹的宽度l1等于第一级暗条纹与第二级暗等于第一级暗条纹与第二级暗条纹之间的距离。条纹之间的距离。fx1a第9页/共41页 (1)当当入入射射光光波波长长一一定定时时,缝缝宽宽越越小小,条条纹纹分分布布越越稀稀,光光的的衍衍射射越越明明显显。缝缝宽宽变变大大时时,条条纹纹
6、变变密密,当当缝缝宽宽 a 时时,各各级级明明条条纹纹向向中中央央靠靠拢拢,分分辨辨不不清清,显显出出单单一一的的明明条条纹纹,这这时时光光沿沿着着直直线线传传播播。因因此此几几何光学是波动光学的极限情形。何光学是波动光学的极限情形。(2)当当缝缝宽宽度度一一定定时时,入入射射光光的的波波长长越越大大,明明纹纹宽宽度度越越大大;若若用用白白光光照照射射,中中央央明明纹纹仍仍为为白白色色,其其它它各级条纹是紫色在内,红色在外的彩色条纹。各级条纹是紫色在内,红色在外的彩色条纹。讨论:讨论:中央明纹的宽度中央明纹的宽度相邻两暗条纹中心间距相邻两暗条纹中心间距3、衍射条纹宽度、衍射条纹宽度第10页/共
7、41页 单缝宽度变化时条纹宽度的变化第11页/共41页 入射波长变化,衍射效应如何变化第12页/共41页 例题例题 一单色平行光垂直入射一单缝,其衍射第三级一单色平行光垂直入射一单缝,其衍射第三级明纹位置恰好与波长为明纹位置恰好与波长为 600 nm 的单色光垂直入射该的单色光垂直入射该缝时衍射的第二级位置重合,试求该单色光的波长。缝时衍射的第二级位置重合,试求该单色光的波长。解:解:第13页/共41页 许多等宽度、等距离的狭缝(或放射面)排列起来形成的光学元件。类型:透射光栅,反射光栅。反反射射光光栅栅透透射射光光栅栅透光缝宽度 a 遮光部分宽度 b光栅常数大小大小15-5 光 栅 衍 射一
8、、衍射光栅一、衍射光栅第14页/共41页衍射角光栅衍射实验装置 光栅各缝发出的光是相干光,其衍射图样是彼此重光栅各缝发出的光是相干光,其衍射图样是彼此重合的,这些光的叠加就形成了多光束干涉,因此,合的,这些光的叠加就形成了多光束干涉,因此,光光栅衍射是衍射与多光束干涉的总效果。栅衍射是衍射与多光束干涉的总效果。第15页/共41页 若光垂直入射,相邻两若光垂直入射,相邻两缝对应光线的光程差:缝对应光线的光程差:二、光栅方程二、光栅方程光栅常数:衍射角1、主极大、主极大 光栅方程 由各缝发出的光在P点加强,P点处形成明条纹,且光强是原来的N 2倍,称为光栅衍射的主极大。第16页/共41页2、暗纹条
9、件、暗纹条件 N 越大,即光栅中狭缝条数越大,即光栅中狭缝条数越多,屏幕上明条纹变得越亮越多,屏幕上明条纹变得越亮和越细窄。和越细窄。说明 在两个主极大之间有在两个主极大之间有N-1个最小和个最小和N-2个次极大,但个次极大,但次极大靠得很近,且光强很弱,实际观测不到。次极大靠得很近,且光强很弱,实际观测不到。相对光强相对光强在几乎黑暗的背景上出现了几条又细又亮的条纹。在几乎黑暗的背景上出现了几条又细又亮的条纹。第17页/共41页第18页/共41页3、缺级现象:、缺级现象:即即 角方向既是光栅衍射的某一级主极大,又是单角方向既是光栅衍射的某一级主极大,又是单缝衍射光强为零的方向,则光栅衍射光谱
10、中缺少这一缝衍射光强为零的方向,则光栅衍射光谱中缺少这一级明条纹,级明条纹,称为称为缺级现象缺级现象。例:例:a=b 时,时,2,4,6,缺级缺级a+b=3a 时,时,k=3k k=2k 3,6,9,缺级缺级第19页/共41页缺缺缺缺缺 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 70第20页/共41页三、光栅光谱三、光栅光谱 对同一级次,对同一级次,越大,越大,越大,入射光为越大,入射光为白光白光时,光时,光栅把不同波长的光分开来,形成光谱。栅把不同波长的光分开来,形成光谱。一级光谱一级光谱二级光谱三级光谱第21页/共41页 例题1 波长为500nm的单色平行光垂直地照射在一衍射
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