光衍射夫朗禾费.pptx

引子引子8 8 光的衍射现象光的衍射现象 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理纯粹衍射纯粹衍射准衍射准衍射干涉的衍射干涉的衍射1.1.光的衍射现象光的衍射现象光在传播过程中能绕过障碍物的边缘光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象而偏离直线传播的现象特征：特征：光不仅能绕过障碍物传播，光不仅能绕过障碍物传播，而且还能产生明暗相间的条纹而且还能产生明暗相间的条纹8 8 光的衍射现象光的衍射现象 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理光的缝衍射光的缝衍射光的孔衍射光的孔衍射惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理在波的传播过程中，在波的传播过程中，波阵面（波阵面（波前波前）上的每一点都可看作是发射子波的点波源。）上的每一点都可看作是发射子波的点波源。在以后的任一时刻，在以后的任一时刻，这些子波面的包络面就成为新的波阵面（这些子波面的包络面就成为新的波阵面（波前波前）2.2.惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理波传到的任何一点都是子波的波源波传到的任何一点都是子波的波源方向方向某点波的某点波的强度强度：各子波在空间某点的叠加：各子波在空间某点的叠加P P 球面波球面波t t 时时刻刻波波前前光源光源P PdA(pdA(p)a(Q)a(Q)：取决于波前上：取决于波前上 Q Q 点处的强度点处的强度K(K()：方向因子方向因子同相面同相面取初位相为零取初位相为零t t 时时刻刻波波前前光源光源P PdA(pdA(p)原则上：积分法原则上：积分法实际上：实际上：菲涅耳菲涅耳半波带法、半波带法、振幅矢量法振幅矢量法3.3.光衍射分类光衍射分类障碍物：障碍物：与与光源光源和和观察屏观察屏之间的距离之间的距离障碍物：障碍物：与与光源光源和和观察屏观察屏的距离的距离有限远有限远 PRS近场衍射近场衍射障碍物：障碍物：与与光源光源和和观察屏观察屏的距离的距离无限远无限远 远场衍射远场衍射R夫朗禾费衍射夫朗禾费衍射光源：无限远光源：无限远干涉：无限远干涉：无限远凸透镜凸透镜E1LSR2L光源光源 S S与透镜与透镜 L L1 1观察屏观察屏 E E与透镜与透镜 L L2 2夫朗禾费衍射夫朗禾费衍射9 9 单缝的夫琅禾费衍射单缝的夫琅禾费衍射一单缝的夫琅禾费衍射一单缝的夫琅禾费衍射1.1.实验装置实验装置a aE ES SL L1 1L L2 22.2.实验结果实验结果条纹条纹等间距？等间距？等亮度？等亮度？E Ea aS SL L1 1L L2 2中央中央宽宽两边两边窄窄中央中央亮亮两边两边暗暗干涉的衍射干涉的衍射明暗明暗位置分布位置分布暗纹暗纹明暗明暗位置分布位置分布明纹明纹明暗明暗位置分布位置分布明纹明纹暗纹暗纹明纹宽度为相邻两暗纹的距离明纹宽度为相邻两暗纹的距离暗纹宽度为相邻两明纹的距离暗纹宽度为相邻两明纹的距离半波带法半波带法半波带半波带半波带半波带暗纹中心暗纹中心半波带半波带半波带半波带半波带半波带明纹中心明纹中心中央明纹中央明纹半波带数目越多半波带数目越多 宽度越小宽度越小 光强越弱光强越弱明条纹级次越高明条纹级次越高 光强越小光强越小中央明条纹光强最大中央明条纹光强最大半波带半波带半波带半波带半波带半波带角宽度角宽度中央明条纹角宽度中央明条纹角宽度线宽度线宽度中央明条纹线宽度中央明条纹线宽度N N 个等宽度的窄带个等宽度的窄带5.5.振幅矢量法推导单缝夫琅禾费衍射光强分布公式振幅矢量法推导单缝夫琅禾费衍射光强分布公式N N个窄带个窄带线光源，柱面波线光源，柱面波同频，同向，同相同频，同向，同相惠惠菲原理菲原理N N个窄带个窄带P P点的光振动：点的光振动：N N个位相差依次差个位相差依次差 的分振动的合成的分振动的合成例题例题求如下求如下4 4个同频率同方向的等幅简谐振动的合成个同频率同方向的等幅简谐振动的合成解解旋转矢量法旋转矢量法若换成若换成n n个分振动：个分振动：设设在在P P 处处有有N N个个的的同同方方向向、同同频频率率、同同振振幅幅、位位相相差差一一个个恒恒量量 的分光振动进行叠加：的分光振动进行叠加：分光振动用振幅矢量分光振动用振幅矢量 、N N 很大，很大，很小很小 中央明纹中央明纹中心中心的振幅的振幅_单缝夫琅禾费衍射强度分布公式单缝夫琅禾费衍射强度分布公式 /a a-(-(/a a)2(2(/a a)-2(-2(/a a)sinsin 0.0470.0470.0170.017 1 1I I/I I0 0 0 00.0470.0470.0170.017 相对光强曲线相对光强曲线I IK0K0 I IK=0K=0a 越小越小衍射现象越显著衍射现象越显著直线传播直线传播门缝里瞧人门缝里瞧人人人未未必必“扁扁”6.6.衍射光谱衍射光谱白光：白光：中央明纹中央明纹彩色条纹彩色条纹共同点：共同点：光的相干叠加的结果光的相干叠加的结果不同点：不同点：干涉是有限束光的叠加干涉是有限束光的叠加衍射是无数子波源的叠加衍射是无数子波源的叠加7.7.干涉与衍射的区别与联系干涉与衍射的区别与联系几何光学几何光学 :波动光学波动光学 :物点物点经透镜经透镜 像点像点物点物点经透镜经透镜 像斑像斑物点集合物点集合像斑集合像斑集合图图a a图图b b图图c c图图a a 表表示示两两像像点点不不重叠，能清楚分辨重叠，能清楚分辨图图b b 表表示示两两像像点点虽虽重重叠叠，但但尚尚能能分分辨辨两像点两像点图图c c 表示两像点因表示两像点因爱里斑重叠，已爱里斑重叠，已不能分辨不能分辨10 10 圆孔的夫琅禾费衍射圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领一圆孔的夫琅禾费衍射一圆孔的夫琅禾费衍射E ES SL L1 1L L2 2爱里斑：爱里斑：8484光强光强半角宽度：一级暗环中心对透镜中心所张角的一半半角宽度：一级暗环中心对透镜中心所张角的一半圆孔直径圆孔直径瑞利判据：瑞利判据：I ID D0 0A AB B ：恰好能分辨的两物点对透镜中心的张角恰好能分辨的两物点对透镜中心的张角爱里斑的半角宽度爱里斑的半角宽度光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领孔经相同的微波望远镜和光学望远镜比较，前者的分辨本领孔经相同的微波望远镜和光学望远镜比较，前者的分辨本领小的原因为小的原因为（A）星体发出的微波能量比可见光能量弱；星体发出的微波能量比可见光能量弱；（B）微波更易被大气中的尘埃散射；微波更易被大气中的尘埃散射；（C）大气对于微波的折射率较小；大气对于微波的折射率较小；（D）微波波长比光波波长微波波长比光波波长。天线阵天线阵在白光垂直照射单缝而产生的衍射图样中，波长为在白光垂直照射单缝而产生的衍射图样中，波长为 1 1 的光的的光的第第 3 3 级明纹与波长为级明纹与波长为 2 2 的第的第 4 4 级明纹相重合，则这两种光级明纹相重合，则这两种光的波长之比为：的波长之比为：用单色光垂直照射宽度为用单色光垂直照射宽度为 a a 的单缝，在屏上形成衍射图样，的单缝，在屏上形成衍射图样，此时中央明纹宽度为此时中央明纹宽度为 l l ，若使单缝宽度缩小为，若使单缝宽度缩小为 a/2a/2 ，其他条，其他条件保持不变，则中央明纹宽度为：件保持不变，则中央明纹宽度为：*S S f f f f a a p p 0 0 I Iu在单缝夫琅禾费衍射实验中，在单缝夫琅禾费衍射实验中，单缝在垂直于透镜光轴的平面上下作微小移动，单缝在垂直于透镜光轴的平面上下作微小移动，屏幕上衍射条纹将如何变化？屏幕上衍射条纹将如何变化？衍射图样与缝的位置无关衍射图样与缝的位置无关不变化不变化u在单缝夫琅禾费衍射的装置中，在单缝夫琅禾费衍射的装置中，透镜在垂直于透镜光轴的平面上下作微小移动，透镜在垂直于透镜光轴的平面上下作微小移动，屏幕上衍射条纹将如何变化？屏幕上衍射条纹将如何变化？*S S f f f f a a p p 0 0 I I衍射图样不变化，但随焦点一起上移动衍射图样不变化，但随焦点一起上移动