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普通物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、 第十九章第十九章 光衍射光衍射19.1 光衍射现象光衍射现象 惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理一一.光衍射现象光衍射现象第1页圆孔衍射圆孔衍射光在传输过程中能绕过障碍物边缘光在传输过程中能绕过障碍物边缘,而偏离直线传输而偏离直线传输现象现象叫叫光衍射。光衍射。第3页衍射试验图片衍射试验图片刀片边缘衍射刀片边缘衍射圆屏衍射圆屏衍射(泊松点)(泊松点)第4页正三角形孔正三角形孔正四边形孔正四边形孔正六边形孔正六边形孔正八边形孔正八边形孔第5页分类分类1.菲涅耳衍射菲涅耳衍射光源光源S或显示器或显示器P与衍射孔与衍射孔R相距相距有限远有限远光源光源显示器显示器孔孔(缝缝)PR依据光源、衍射孔、屏三
2、者相互关系依据光源、衍射孔、屏三者相互关系第6页2.夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源光源S和显示器和显示器P与衍射孔与衍射孔R相距相距无限远无限远光源光源显示器显示器孔孔(缝缝)PR试验中试验中理论上理论上R第7页屏上屏上图形:图形:孔投影孔投影菲涅耳衍射菲涅耳衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射圆孔衍射图样:圆孔衍射图样:第8页二二.惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理*自光源发出波阵面上每一点都能够看成是一个子波源自光源发出波阵面上每一点都能够看成是一个子波源这些子波包络就是下一时刻波阵面这些子波包络就是下一时刻波阵面解释了光线能绕过解释了光线能绕过障碍物前进现象障碍物前进现象;却不能解释干涉现却不能解释
3、干涉现象。象。惠更斯原理惠更斯原理第9页菲涅尔认为:菲涅尔认为:波在传输过程中,从同一波阵面上各点发出子波是相波在传输过程中,从同一波阵面上各点发出子波是相干波,经传输而在空间某点相遇时,产生相干叠加。干波,经传输而在空间某点相遇时,产生相干叠加。惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理 K K():倾斜因倾斜因子子 pdAQdSS(波前波前)设初相为零设初相为零计算整个波阵面上全部面元发出子波在计算整个波阵面上全部面元发出子波在p p点引发光振动总和,即点引发光振动总和,即可得到可得到p p点光强。点光强。通惯用积分处理,通惯用积分处理,若波阵面含有某种对称性,能够简化若波阵面含有某种对称性,能够简
4、化第10页一一.单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射1.1.试验装置及现象试验装置及现象明暗相间明暗相间平行直条纹平行直条纹,条纹宽度条纹宽度和亮度不一和亮度不一样样19.2 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射第11页单缝衍射图样单缝衍射图样第12页S f f a透镜透镜L 透镜透镜LB缝平面缝平面观察屏观察屏0A*平行光入射到一狭缝,单缝上平行光入射到一狭缝,单缝上子波源子波源发出子波将沿着发出子波将沿着各各个方向个方向传输传输(1).中央明纹中心中央明纹中心S S:单色线光源:单色线光源(缝缝宽宽)波阵面上波阵面上各子波同各子波同相相经过透镜,经过透镜,不增加附加
5、不增加附加光程差光程差会聚点会聚点各子波各子波同相同相亮点亮点(中央明中央明纹中心纹中心)2.波带法波带法第13页(2).菲涅耳波带法菲涅耳波带法S S:单色线光源:单色线光源 :衍射角衍射角p L LS f f a透镜透镜L 透镜透镜LB缝平面缝平面观察屏观察屏0A*(缝缝宽宽)会聚点各子波间相位差与光程相关会聚点各子波间相位差与光程相关第14页考虑与原入射方向成考虑与原入射方向成 角方向传输子波角方向传输子波两条边缘光线之间光程差为两条边缘光线之间光程差为aABC会聚点条纹明暗完全决定于光程差会聚点条纹明暗完全决定于光程差 作一些与作一些与AC平行平面平行平面,且任意两相邻平面间距离均为入
6、且任意两相邻平面间距离均为入射光半波长射光半波长/2A1A2A3A4A5狭缝被分割成许多等面积窄条狭缝被分割成许多等面积窄条(AA1,A1A2,)这里把波带看成子波源这里把波带看成子波源.波带波带/2第15页aABCA1A2A3A4A5/2 任意两任意两相邻波带相邻波带发出两条光线之间光程发出两条光线之间光程差均为差均为每两条相邻光线之间相位差为每两条相邻光线之间相位差为 会聚处为暗纹会聚处为暗纹反相反相因为各个波带面积相等因为各个波带面积相等 各个波带在各个波带在P点引发光振点引发光振 幅相等幅相等.两条相邻光线会聚处为完全相互抵消两条相邻光线会聚处为完全相互抵消.第16页单缝衍射明暗条纹条
7、件单缝衍射明暗条纹条件 两边缘光线光程差是两边缘光线光程差是半波长半波长/2/2偶数倍偶数倍时时,全部波带作用成对地相互抵消全部波带作用成对地相互抵消,会聚点为会聚点为暗条纹暗条纹;奇数倍奇数倍时时,全部波带只有一个波带作用全部波带只有一个波带作用,其余成对地相互抵消其余成对地相互抵消,会会聚点为聚点为明条纹明条纹.第17页 暗条纹暗条纹 明条纹中心明条纹中心 入射光垂直入射时入射光垂直入射时中央明纹(中心)中央明纹(中心)第18页波带分得越多,相消越多波带分得越多,相消越多k 越大,相消越多,亮纹越暗;越大,相消越多,亮纹越暗;k 越小,亮纹越亮越小,亮纹越亮 中央(中央(0 级)亮纹最亮级
8、)亮纹最亮3.条纹亮度分布规律条纹亮度分布规律第19页4.条纹宽度条纹宽度第一级极小对应角度称中央(第一级极小对应角度称中央(0 级)亮纹级)亮纹半角宽半角宽缝越细,亮纹越宽缝越细,亮纹越宽(1).中央明纹中央明纹中央明纹半角宽中央明纹半角宽第20页 中央明纹宽度中央明纹宽度f很小很小一级极小条件:一级极小条件:中央(中央(0 级)宽度级)宽度假如透镜焦距为假如透镜焦距为f 两个一级暗条纹间距离两个一级暗条纹间距离第21页(2).其它明条纹宽度其它明条纹宽度中央明纹宽度二分之中央明纹宽度二分之一一暗条纹条件暗条纹条件 k级和级和k+1级暗纹间级暗纹间距离距离第22页(3).暗条纹宽度暗条纹宽度
9、中央明纹宽度二分之中央明纹宽度二分之一一明条纹条件明条纹条件 k级和级和k-1级级明纹间距离明纹间距离第23页1.光以光以 角入射角入射(斜入射)斜入射)KBACD12光线光线1和和2光程差为光程差为暗纹条件暗纹条件、正负正负上侧为正,下侧为负上侧为正,下侧为负中央明纹位置中央明纹位置 =-明纹宽度不变明纹宽度不变讨论讨论:斜入射能够取得更高级次条纹(分辨率高)。斜入射能够取得更高级次条纹(分辨率高)。第24页2.影响明条纹宽度原因影响明条纹宽度原因(1).波长波长缝宽一定时,波长越大,条纹宽度越大缝宽一定时,波长越大,条纹宽度越大波长越小,条纹宽度越小波长越小,条纹宽度越小第25页(2).缝
10、宽缝宽a若若a 即缝很宽时即缝很宽时 波长一定时,缝宽越大,条纹宽度越小波长一定时,缝宽越大,条纹宽度越小光沿直线传输光沿直线传输若若a 即缝宽和入射光波差不多即缝宽和入射光波差不多 屏幕上只能看到中央明纹屏幕上只能看到中央明纹,屏幕是一片亮。,屏幕是一片亮。几何光学是波动光学在几何光学是波动光学在aa 时极限情形。时极限情形。第26页3.3.干涉和衍射联络与区分干涉和衍射联络与区分干涉和衍射都是波相干叠加干涉和衍射都是波相干叠加;干涉是有限多个分立光束相干叠加,衍射是无限多个子干涉是有限多个分立光束相干叠加,衍射是无限多个子波相干叠加。波相干叠加。条纹产生条件不一样条纹产生条件不一样单缝衍射
11、单缝衍射干涉干涉明条纹明条纹暗条纹暗条纹第27页例例1.一单缝,缝宽一单缝,缝宽 0.10 mm,缝后透镜焦距为,缝后透镜焦距为 50 cm,用波长为,用波长为 546nm 单色光垂直照射单缝,焦平面上中央明纹宽度是多少?假单色光垂直照射单缝,焦平面上中央明纹宽度是多少?假如把装置放到水里,中央明纹宽度怎样改变?如把装置放到水里,中央明纹宽度怎样改变?解:解:空气中,空气中,水里,光程差变大水里,光程差变大变小变小第28页例例2.在某个单缝衍射试验中在某个单缝衍射试验中,光源发出光有两种波长光源发出光有两种波长 1和和 2,若若 1第一级衍射暗条纹与第一级衍射暗条纹与 2第二级衍射暗条纹相重合
12、第二级衍射暗条纹相重合,求求:(1).这两种波长之间有何关系这两种波长之间有何关系;(2).在这两种波长光所形成衍射图象中在这两种波长光所形成衍射图象中,是否还有其它暗条纹重是否还有其它暗条纹重合合?解:解:(1).(2).1暗条纹暗条纹 2暗条纹暗条纹第29页当当 1=2时时,二者衍射暗条纹有重合二者衍射暗条纹有重合第30页例例3.如图所表示如图所表示,设有一波长为设有一波长为 单色光沿着与缝平面法线成单色光沿着与缝平面法线成 角角方向入射于一宽度为方向入射于一宽度为a单缝单缝AB上上,试求出决定各极小值试求出决定各极小值(即各暗条即各暗条纹位置纹位置)衍射角衍射角 条件条件?ABCD 解:
13、解:两边缘光线光程差为两边缘光线光程差为暗条纹条件为暗条纹条件为第31页第32页二二.夫琅和菲衍射强度夫琅和菲衍射强度波带法能够得到单缝衍射明纹、暗波带法能够得到单缝衍射明纹、暗纹位置纹位置不能准确给出各级明纹强度不能准确给出各级明纹强度以一级明纹为例,分以一级明纹为例,分3个波带个波带相相消消贡献贡献明纹明纹实际上第实际上第 3 个波带中各子波仍不一样个波带中各子波仍不一样相相相当于相当于一个单缝一个单缝第33页振幅矢量法振幅矢量法把单缝等分为把单缝等分为 N 个波带,每份宽个波带,每份宽当当 N 很大,每个波带中各子波相很大,每个波带中各子波相位差极小,几乎同相位差极小,几乎同相这时这时,
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