第十三章物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

10/10/1第1页第第13章章 光衍射光衍射13.1 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射一、光衍射一、光衍射1.实例实例SKE观察屏观察屏遮光屏遮光屏入射光入射光衍射光衍射光光源光源单单缝缝观观察察屏屏P10/10/2第2页2.衍射现象两种类型衍射现象两种类型(1)菲涅耳衍射菲涅耳衍射:(2)夫琅和费衍射夫琅和费衍射:光源和观察屏光源和观察屏(或其中一个或其中一个)与衍与衍射孔或单缝距离分别为有限远射孔或单缝距离分别为有限远光源和观察屏与衍射孔或单缝距光源和观察屏与衍射孔或单缝距离均为无限远离均为无限远惠更斯：惠更斯：在在光波任一阵面上各点都能够看作是发射子波光波任一阵面上各点都能够看作是发射子波波源，在其后任一时刻，这些子波包迹就是该时刻波阵面。波源，在其后任一时刻，这些子波包迹就是该时刻波阵面。10/10/3第3页二、惠更斯二、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理从同一波阵面上各点发出子波是从同一波阵面上各点发出子波是相干波，相干波，经过传输在空间某点经过传输在空间某点P相遇时叠加是相干叠加相遇时叠加是相干叠加。而且而且P点光强决定于点光强决定于波阵面波阵面S上全部面上全部面元发出子波各自在元发出子波各自在P点引发振动点引发振动相干叠加相干叠加SdSP单位面积发射子波光矢量振幅为单位面积发射子波光矢量振幅为E0，且且C：百分比系百分比系数数倾斜因子倾斜因子随随增大而减小函数增大而减小函数当当=0时时,K最大最大,E0最大最大当当/2时时,K=0,E0=0说明波不能向后传输说明波不能向后传输10/10/4第4页AB*SICA1A3A2三、单缝夫琅和费衍射三、单缝夫琅和费衍射1.明、暗纹条件明、暗纹条件=暗纹暗纹明纹明纹2.条纹光强分布条纹光强分布中央明纹中央明纹10/10/5第5页3.条纹位置条纹位置(1)角位角位置置暗纹暗纹明纹明纹10/10/6第6页(2)线位线位置置暗纹暗纹明纹明纹10/10/7第7页4.条纹宽度条纹宽度(1)角宽度角宽度:条纹对透镜光心所张角条纹对透镜光心所张角中央明纹角宽度中央明纹角宽度中央明纹中央明纹其它明纹角宽度其它明纹角宽度10/10/8第8页中央明纹中央明纹中央明纹线宽度中央明纹线宽度(2)线宽线宽度度其它明纹线宽度其它明纹线宽度10/10/9第9页o紫紫红红紫紫红红k级级x紫紫红红k+1级级(1级级)白光白光白色白色波波长长大大小小红红紫紫(1)用白光照射用白光照射 中央明纹是白色中央明纹是白色 其余各级条纹是其余各级条纹是紫紫到到红红彩色光带彩色光带 彩色光带宽度彩色光带宽度 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象假设从第假设从第K级开始重迭级开始重迭说明从第说明从第1级开始重迭级开始重迭=5.几点讨论几点讨论10/10/10第10页(2)当单缝向上或向下平行移动时当单缝向上或向下平行移动时,衍射图样衍射图样位置、形状位置、形状是否是否改变改变?不变不变ABPPCDC(3)单色平行光斜入射单单色平行光斜入射单缝缝入射角与衍射角在异侧入射角与衍射角在异侧=明纹明纹暗纹暗纹入射角与衍射角在同侧入射角与衍射角在同侧10/10/11第11页例例1：设有波长为设有波长为单色平行光单色平行光,垂直照射到缝宽垂直照射到缝宽a=15夫琅和夫琅和费单缝衍射装置上费单缝衍射装置上,求求 缝所能分成半波带数目缝所能分成半波带数目;(2)屏上对应位置明暗情况及条纹级次屏上对应位置明暗情况及条纹级次;(3)最多能出现几级明纹最多能出现几级明纹.解解:(1)=2个个半波带半波带(2)暗纹暗纹第第1级级3个个半波带半波带明纹明纹第第1级级6个半波带个半波带暗纹暗纹第第3级级(3)=14.510/10/12第12页例题例题2 2：ABC位相差为位相差为,即光程差为即光程差为/210/10/13第13页一、惠更斯一、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理 从同一波阵面上各点发出子波是相干波，从同一波阵面上各点发出子波是相干波，经过传输在空间经过传输在空间某点某点P相遇时叠加是相干叠加相遇时叠加是相干叠加。而且而且P点光强决定于点光强决定于波阵面波阵面S上上全部面元发出子波各自在全部面元发出子波各自在P点引发振动相干叠加点引发振动相干叠加小小 结结二、单缝夫琅和费衍射二、单缝夫琅和费衍射1.明、暗纹条件明、暗纹条件=暗纹暗纹明纹明纹2.条纹光强分布条纹光强分布中央明纹中央明纹明纹含有一定宽度，而暗明纹含有一定宽度，而暗纹宽度几乎能够忽略纹宽度几乎能够忽略10/10/14第14页(2)线位线位置置几何关系几何关系3.条纹位置条纹位置(1)角位角位置置依据明、暗纹条件依据明、暗纹条件明、暗纹条件明、暗纹条件4.条纹宽度条纹宽度(1)角宽度角宽度中央明纹角宽度中央明纹角宽度暗纹条件暗纹条件中央明纹线宽度中央明纹线宽度(2)线宽线宽度度几何关系几何关系明、暗纹条件明、暗纹条件其它明纹其它明纹线宽度线宽度10/10/15第15页6。当单缝向上或向下平行移动时。当单缝向上或向下平行移动时,衍射图样衍射图样位置、形位置、形状状 不不变变7。单色平行光斜入射单缝单色平行光斜入射单缝“-”入射角与衍射角在入射角与衍射角在异侧异侧“+”入射角与衍射角在同入射角与衍射角在同侧侧5。用白光照射。用白光照射 中央明纹是白色中央明纹是白色 其余各级是其余各级是紫紫到到红红彩色光带彩色光带 会计算彩色光带宽度会计算彩色光带宽度 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象会计算重迭级数会计算重迭级数和和重迭宽度重迭宽度10/10/16第16页条纹散开了条纹散开了狭缝宽窄狭缝宽窄对衍射条纹对衍射条纹影响影响光通量降低，清楚度变差。光通量降低，清楚度变差。10/10/17第17页光栅光栅狭缝平移狭缝平移10/10/18第18页一、光栅一、光栅 许多等宽狭缝等距离地排列许多等宽狭缝等距离地排列起来，形成光学元件起来，形成光学元件刻痕刻痕(不透光不透光)透光狭缝透光狭缝光栅常数光栅常数:若每厘米刻有若每厘米刻有500条刻痕条刻痕,则则13.2 衍射光栅衍射光栅光经过光栅后强度分布光经过光栅后强度分布?多缝之间多缝之间干涉干涉每个单缝本每个单缝本身衍射身衍射10/10/19第19页P0中央明纹中央明纹P二、光栅方程二、光栅方程满足光栅方程明条纹称满足光栅方程明条纹称主主极大明纹极大明纹K：主极大明纹级数主极大明纹级数10/10/20第20页三、光栅衍射明纹特点三、光栅衍射明纹特点1.条纹亮条纹亮A1P0中央明纹中央明纹PI1(1)光强度光强度10/10/21第21页(2)在两主极大明纹之间有在两主极大明纹之间有N-1条暗纹条暗纹,(N是光栅单缝数目是光栅单缝数目)当当N很大时很大时,在两主极大明纹之间实际上形成在两主极大明纹之间实际上形成一片黑暗背景一片黑暗背景K=0K=11暗纹暗纹m=110/10/22第22页暗纹暗纹K=0K=11m=1m=210/10/23第23页暗纹暗纹K=0K=11m=1m=2m=310/10/24第24页第一级主第一级主极大明纹极大明纹K=0K=11m=1m=2m=3光栅衍射暗纹条件光栅衍射暗纹条件10/10/25第25页K=0K=11m=1m=2m=32.条纹细条纹细比较比较中央明纹角宽度中央明纹角宽度 和和中央明纹与第一级主极大明中央明纹与第一级主极大明纹之间角距离纹之间角距离 10/10/26第26页3.条纹分得开条纹分得开多光束干涉结果是多光束干涉结果是:在几乎黑暗背景上出现了一系列又在几乎黑暗背景上出现了一系列又亮亮又又细细且且分得开分得开明条纹明条纹10/10/27第27页四、条纹缺级问题四、条纹缺级问题暗纹暗纹明纹明纹当：当：则：则：缺级缺级则：则：缺级缺级10/10/28第28页1.1.光栅衍射明纹位置光栅衍射明纹位置五、几点讨论五、几点讨论10/10/29第29页o紫紫红红紫紫红红k级级x紫紫红红k+1级级(2级级)白光白光白色白色波波长长大大小小红红紫紫2.用白光照射用白光照射 中央明纹是白色中央明纹是白色 其余各级条纹是其余各级条纹是紫紫到到红红彩色光带彩色光带 彩色光带宽度彩色光带宽度 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象假设从第假设从第K级开始重迭级开始重迭说明从第说明从第2级开始重迭级开始重迭=10/10/30第30页3.最多能看到几级条纹求解方法最多能看到几级条纹求解方法同时还要考虑缺级同时还要考虑缺级:10/10/31第31页PPCDC4.单色平行光斜入射光栅单色平行光斜入射光栅入射角与衍射角在不一样入射角与衍射角在不一样侧侧入射角与衍射角在同一侧入射角与衍射角在同一侧AB10/10/32第32页例例1:波长为波长为500nm单色光垂直入射每厘米单色光垂直入射每厘米5000条缝条缝光栅，且光栅，且(a+b)=2a。求：最多能看到几条亮纹。求：最多能看到几条亮纹。解：解：缺级：缺级：10/10/33第33页 =500nm 平行光以平行光以 0=300 斜入射斜入射，已知，已知d=0.01mm 。求：（求：（1）0 级谱线衍射角；级谱线衍射角；（2）O点两侧可能见到谱线最高级次和总谱线点两侧可能见到谱线最高级次和总谱线数。数。解解:（1）（2）最高最高29级；级；共共39条谱线条谱线例例2:10/10/34第34页自然光垂直入射每毫米自然光垂直入射每毫米400条缝条缝 光栅。光栅。问：可产生几级完整光谱？问：可产生几级完整光谱？解：解：400线线/mm设可产生设可产生K级完整光谱：级完整光谱：从从2级级开始重合开始重合例例3：则：第则：第K级红光明纹位置：级红光明纹位置：第第(K+1)级紫光明纹位置：级紫光明纹位置：若不重迭：若不重迭：10/10/35第35页1。光栅方程。光栅方程若每厘米刻有若每厘米刻有N条刻痕条刻痕,则则d:光栅常数：光栅常数：小小 结结（形成主极大明纹必要条件）（形成主极大明纹必要条件）2。光栅衍射暗纹条件。光栅衍射暗纹条件3。光栅衍射明纹特点。光栅衍射明纹特点在几乎黑暗背景上出现了一系列在几乎黑暗背景上出现了一系列又又亮亮又又细细且且分得开分得开明条纹明条纹4。条纹缺级问题。条纹缺级问题暗纹暗纹明纹明纹几何关系几何关系光栅方程光栅方程5 5。光栅衍射明纹位置。光栅衍射明纹位置10/10/36第36页8。单色平行光斜入射光栅单色平行光斜入射光栅“-”入射角与衍射角在入射角与衍射角在异侧异侧“+”入射角与衍射角在同入射角与衍射角在同侧侧 其余各级是其余各级是紫紫到到红红彩色光带彩色光带 当级数高到一定程度时当级数高到一定程度时,有重迭现象有重迭现象会计算重迭会计算重迭级数级数和和重迭重迭宽度宽度 中央明纹是白色中央明纹是白色 会计算彩色光带宽度会计算彩色光带宽度7。用白光照射。用白光照射6。最多能看到几级条纹求解方法。最多能看到几级条纹求解方法同时还要考虑缺级同时还要考虑缺级:10/10/37第37页13-3 圆孔夫琅和费衍射圆孔夫琅和费衍射一、圆孔衍射一、圆孔衍射第一暗环所围成中央光斑称为第一暗环所围成中央光斑称为爱里斑爱里斑爱里斑半径爱里斑半径d 对透镜光心张角称为对透镜光心张角称为爱里斑半角宽度爱里斑半角宽度10/10/38第38页点光源经过光学仪器小圆孔后，因为衍射影响，所成点光源经过光学仪器小圆孔后，因为衍射影响，所成象不是一个点而是一个明暗相间圆形光斑。象不是一个点而是一个明暗相间圆形光斑。S1S2D*爱里斑爱里斑二、光学仪器分辨率二、光学仪器分辨率若两物点距离很近，对应两个爱里斑可能部分重合若两物点距离很近，对应两个爱里斑可能部分重合而不易分辨而不易分辨第39页瑞利判据瑞利判据：假如一个点光源衍射图象中央最亮处刚好：假如一个点光源衍射图象中央最亮处刚好与另一个点光源衍射图象第一个最暗处相重合，认为与另一个点光源衍射图象第一个最暗处相重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。恰恰能能分分辨辨能能分分辨辨不不能能分分辨辨第40页s1s2 0 0D*在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张角度，在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张角度，称为最小分辨角称为最小分辨角 0，等于爱里斑半角宽度。，等于爱里斑半角宽度。D为为光学仪器透光孔径光学仪器透光孔径最小分辨角倒数最小分辨角倒数 称为光学仪器称为光学仪器分辨率分辨率第41页13-4 X射线衍射射线衍射1895年伦琴发觉年伦琴发觉X 射线。射线。X 射线是波长很短电磁波。射线是波长很短电磁波。X 射线波长：射线波长：0.01 10nm 阳极阳极（对阴极）（对阴极）阴极阴极X射线管射线管104105V+第42页X 射线衍射射线衍射-劳厄试验劳厄试验劳劳厄厄斑斑点点 依据劳厄斑点分布依据劳厄斑点分布可算出晶面间距，掌握可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。晶体点阵结构。晶体可看作三维晶体可看作三维立体光栅。立体光栅。晶体晶体底底片片铅铅屏屏X 射射线线管管第43页布喇格父子布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)对伦琴射线衍对伦琴射线衍射研究：射研究：d晶格常数晶格常数(晶面间距晶面间距)掠射角掠射角光程差光程差:干涉加强条件（布喇格公式）：干涉加强条件（布喇格公式）：A O.C.Bd第44页讨论：讨论：1.假如晶格常数已知，能够用来测定假如晶格常数已知，能够用来测定X射线波射线波长，进行伦琴射线光谱分析。长，进行伦琴射线光谱分析。2.假如假如X 射线波长已知，能够用来测定晶体晶射线波长已知，能够用来测定晶体晶格常数，进行晶体结构分析。格常数，进行晶体结构分析。符合上述条件时，各层晶面反射线干涉后将符合上述条件时，各层晶面反射线干涉后将相互加强。相互加强。第45页