南方醫(yī)科大學(xué)大學(xué)物理李貞姬ch126lzj

1、光的衍射（光的衍射（6 - 10）光的干涉（光的干涉（1 - 5）光的偏振（光的偏振（1115）光的衍射光的衍射 基本要求基本要求 1了解惠更斯-菲涅耳原理及其對光的衍射現(xiàn)象的解釋。2用菲涅耳波帶法分析單縫夫瑯禾費(fèi)衍射條紋的成因。3掌握單縫夫瑯禾費(fèi)衍射的明、暗紋公式，衍射的特點(diǎn) 及光強(qiáng)分布曲線。4理解光柵衍射的特點(diǎn)和規(guī)律，掌握光柵衍射的應(yīng)用。5理解光柵譜線強(qiáng)度受單縫衍射的調(diào)制作用，理解產(chǎn)生 主極大明紋缺級的條件。6了解光學(xué)儀器的分辨率。7理解x射線布拉格公式的意義。菲涅耳菲涅耳 （augustin-jean fresnel 1788-1827） 菲涅耳是法國物理學(xué)家和鐵路工程師。 1788年5

2、月10日生于布羅利耶，1806年畢業(yè)于巴黎工藝學(xué)院，1809年又畢業(yè)于巴黎橋梁與公路學(xué)校。1923年當(dāng)選為法國科學(xué)院院士，1825年被選為英國皇家學(xué)會會員。1827年7月14日因肺病醫(yī)治無效而逝世，終年僅39歲。 菲涅耳的科學(xué)成就主要有兩個方面。一是衍射。他以惠更斯原理和干涉原理為基礎(chǔ)，用新的定量形式建立了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理論。他的實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的直觀性、明銳性，很多現(xiàn)仍通行的實(shí)驗(yàn)和光學(xué)元件都冠有菲涅耳的姓氏，如：雙面鏡干涉、波帶片、菲涅耳透鏡、圓孔衍射等。另一成就是偏振。他與d.f.j.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波（1821）；他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象

3、（1823），用波動說解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式；解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。 菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者”。夫瑯禾費(fèi)夫瑯禾費(fèi) (joseph von fraunhofer 17871826) 夫瑯禾費(fèi)是德國物理學(xué)家。1787年3月6日生于斯特勞賓，父親是玻璃工匠，夫瑯禾費(fèi)幼年當(dāng)學(xué)徒，后來自學(xué)了數(shù)學(xué)和光學(xué)。1806年開始在光學(xué)作坊當(dāng)光學(xué)機(jī)工，1818年任經(jīng)理，1823年擔(dān)任慕尼黑科學(xué)院物理陳列館館長和慕尼黑大學(xué)教授，慕尼黑科學(xué)院院士。 夫瑯禾費(fèi)自學(xué)成才，一生勤奮刻苦，終身未婚，1

4、826年6月7日因肺結(jié)核在慕尼黑逝世。 夫瑯禾費(fèi)集工藝家和理論家的才干于一身，把理論與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，對光學(xué)和光譜學(xué)作出了重要貢獻(xiàn)。1814年他用自己改進(jìn)的分光系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并研究了太陽光譜中的暗線（現(xiàn)稱為夫瑯禾費(fèi)譜線），利用衍射原理測出了它們的波長。他設(shè)計(jì)和制造了消色差透鏡，首創(chuàng)用牛頓環(huán)方法檢查光學(xué)表面加工精度及透鏡形狀，對應(yīng)用光學(xué)的發(fā)展起了重要的影響。他所制造的大型折射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器負(fù)有盛名。他發(fā)表了平行光單縫及多縫衍射的研究成果（后人稱之為夫瑯禾費(fèi)衍射），做了光譜分辨率的實(shí)驗(yàn)，第一個定量地研究了衍射光柵，用其測量了光的波長，以后又給出了光柵方程。12-6 光的衍射現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象

5、惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理一一. 光的衍射現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象（diffraction of light）光在傳播過程中繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象。光在傳播過程中繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象是否明顯取決于衍射現(xiàn)象是否明顯取決于障礙物障礙物線度與波長的對比，當(dāng)線度與波長的對比，當(dāng)障障礙物的大小比光的波長大得不多時礙物的大小比光的波長大得不多時，才能觀察到衍射現(xiàn)象。，才能觀察到衍射現(xiàn)象。定義定義現(xiàn)象現(xiàn)象衍射屏衍射屏觀察屏觀察屏光源光源圓孔衍射圖樣圓孔衍射圖樣 ll單縫衍射圖樣單縫衍射圖樣 10 - 3 a方孔衍射圓孔 單縫 正三邊形孔 正四邊形孔 正六邊形孔 正八邊形

6、孔 單縫( 佛光佛光)“佛光”是一種在特殊氣候和地理環(huán)境下形成的光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)觀者面對霧層背光而立，身影被投射在面前彌漫的江霧上（如同電影放映的原理），此時你會驚奇的發(fā)現(xiàn)：以自己頭影為中心，周圍有一個直徑約2米的紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫組成的彩色光環(huán)，人影在環(huán)中，人動光環(huán)動，人去光環(huán)空?？v然是多人擁在一起，每人也只能看到自己的身影。“佛光”隨著江霧的飄動時而清晰，時而淺淡，繼而又悄然離去，這就是神奇的“新安江佛光”。 新安江素以江上奇霧而名聞遐邇。新安江上游的千島湖底層流淌出的江水常年保持在14-17攝司度恒溫，由于地面氣溫和水溫的巨大反差作用，新安江江面上就形成了亦夢亦幻的奇特江霧，這就是“

7、新安佛光”的主要成因。 版權(quán)作品，請勿轉(zhuǎn)載。 構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光是佛祖顯靈還是自然現(xiàn)象？構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光是佛祖顯靈還是自然現(xiàn)象？構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光 公元366年的一天傍晚，在中國西北部的甘肅省敦煌市附近的一座沙山上，“佛光”的一次偶爾呈現(xiàn)被一個叫樂僔的和尚無意中看到了。看到“佛光”的樂僔當(dāng)即跪下，并朗聲發(fā)愿要把他見到“佛光”的地方變成一個令人崇敬的圣潔寶地。受這一理念的感召，經(jīng)過工匠們千余年斷斷續(xù)續(xù)的構(gòu)筑，終于成就了我們今天看到的這座舉世聞名的文化藝術(shù)瑰寶敦煌莫高窟！學(xué)者賴比星拍到的寶光今天，在敦煌莫高窟第332窟李克讓重修莫高窟佛龕碑的碑文上記載了這一段莫

8、高窟創(chuàng)建的原始動機(jī)。那么，樂僔和尚看見的“寶光”到底是什么呢？佛家認(rèn)為，只有與佛有緣的人才能看到佛光，因?yàn)榉鸸馐菑姆鸬拿加铋g放射出的救世之光，吉祥之光。傳說1600多年前，敦煌莫高窟建窟前曾閃現(xiàn)“金光”和“千佛”的奇異景象。那么，“金光”和“佛光”的出現(xiàn)，是“佛祖顯靈”呢，還是一種自然現(xiàn)象？文獻(xiàn)有將“金光”解釋為霞或因幻覺所見的“光象”，也有將它解釋為“佛光”的，如余秋雨在其文化苦旅中用白話文對李克讓重修莫高窟佛龕碑前半段，特別是對“樂僔忽見金光，狀有千佛”作了較為詳細(xì)而生動的闡釋。關(guān)于金光的成因，海內(nèi)外學(xué)者提出過多種學(xué)說，有“復(fù)雜散射”學(xué)說，也有“先反射，后衍射”學(xué)說，還有“先衍射，后反射”

9、學(xué)說，不一而足。由于存在一些缺陷，至今尚無定論。最近，賴比星的論文提出的“衍射-反射”成像原理，成功地解釋了寶光的形成過程，這一研究成果得到了學(xué)術(shù)界相關(guān)專家的高度評價(jià)?！胺鸸狻毙纬稍砥鋵?shí)并不復(fù)雜，當(dāng)觀察者處于太陽和云霧之間時，就很有可能看到“佛光”環(huán)在云霧上顯現(xiàn)?！胺鸸狻保追Q“寶光”，它是一種在有云霧的山地較常見的大氣光象，以往人們認(rèn)為在峨眉山多見，因此人們又把“佛光”稱之為“峨眉寶光”。簡稱“寶光”。孫永學(xué)先生在黃山拍攝到的寶光 千百年來，“峨眉寶光”馳名古今中外，佛教的渲染更使其富有傳奇色彩和神秘感，吸引著無數(shù)的好奇者前去探尋。有關(guān)專家介紹說，“寶光”呈現(xiàn)所需的客觀條件其實(shí)并不苛刻，只

10、要有光源和云霧，觀測者介入光源和云霧其間，三者位于一條直線上，觀測者就有可能看到寶光環(huán)在云霧上顯現(xiàn)。這個寶光環(huán)紅光圈在外，紫光圈在里，其相應(yīng)的光圈介于紅、紫光圈之間，具體排列從外到內(nèi)依次是紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。寶光環(huán)中間的“佛”（人影）其實(shí)就是觀測者自己的影子。( (遠(yuǎn)場衍射遠(yuǎn)場衍射) )2. 夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射(fraunhofer diffraction) ( (近場衍射近場衍射) )1.1.菲涅耳衍射菲涅耳衍射（fresnel diffraction） 二二. 光的衍射分類光的衍射分類op0ps無限遠(yuǎn)光源無限遠(yuǎn)光源無限遠(yuǎn)相遇無限遠(yuǎn)相遇s光源光源o , ,觀察屏觀察屏e (或二

11、者之一或二者之一) 到衍到衍射屏射屏s 的距離為有限的衍射，如的距離為有限的衍射，如圖圖所示。所示。光源光源o , ,觀察屏觀察屏e 到衍射屏到衍射屏s 的的距離均為無窮遠(yuǎn)的衍射，如距離均為無窮遠(yuǎn)的衍射，如圖圖所示。所示。是是菲涅耳衍射菲涅耳衍射 的的極限情形極限情形e( 菲涅耳衍射菲涅耳衍射 )( 夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射 )三三. 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理（huygensfresnel principle） 惠更斯原理惠更斯原理 惠更斯提出惠更斯提出子波假設(shè)子波假設(shè)，可定性地從某時刻的已知波陣面位置，可定性地從某時刻的已知波陣面位置求出后面另一時刻的波陣面位置。但不涉及子波的強(qiáng)度和

12、相求出后面另一時刻的波陣面位置。但不涉及子波的強(qiáng)度和相位，因而無法解釋衍射圖樣中的位，因而無法解釋衍射圖樣中的光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布。菲涅耳菲涅耳在惠更斯的在惠更斯的子波假設(shè)子波假設(shè)基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上, ,提出了提出了子波相干疊加子波相干疊加的的思想思想, ,從而建立了反映光的衍射規(guī)律的從而建立了反映光的衍射規(guī)律的惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理. . 同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的都是同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的都是相干次波相干次波。 各次波在空間某點(diǎn)的各次波在空間某點(diǎn)的相干疊加相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。1. 原理內(nèi)容原理內(nèi)容設(shè)初相為零設(shè)初相為零, ,面積為面積為s 的波面的波面 q ，

13、其其上上面面元元ds 在在p點(diǎn)引起的振動為點(diǎn)引起的振動為)2 cos()d(d)(rtrskep2. 原理數(shù)學(xué)表達(dá)原理數(shù)學(xué)表達(dá)ssdnrp )2 cos()d()(d)(rtrskqfepq取決于波面上取決于波面上ds處的波強(qiáng)度處的波強(qiáng)度, ,)(qf為傾斜因子為傾斜因子. .)(k1, 0maxkk0,2k)(k201)(k2cos1)(k說明子波為什麼不會向后退說明子波為什麼不會向后退p 處波的強(qiáng)度處波的強(qiáng)度2)(0 ppei )(cos)()(0pptesrtrkqfespd) 2cos()()()(說明說明(1)(1)對于一般衍射問題，用積分計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)際中常用對于一般衍射問題，用

14、積分計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)際中常用 半波帶法半波帶法和和振幅矢量法振幅矢量法分析。分析。(2) 惠更斯惠更斯菲涅耳原理在惠更斯原理的基礎(chǔ)上給出了次菲涅耳原理在惠更斯原理的基礎(chǔ)上給出了次 波源在傳播過程中的波源在傳播過程中的振幅振幅變化及變化及位相位相關(guān)系。關(guān)系。菲涅耳衍射積分公式t某時刻，某時刻，p點(diǎn)處的合振動就等于波面點(diǎn)處的合振動就等于波面q上所有上所有ds發(fā)出的次發(fā)出的次波在波在p點(diǎn)引起光振動的疊加，即點(diǎn)引起光振動的疊加，即1. 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理： 波前s上每個面積元ds發(fā)出的子波在空間任意點(diǎn)p引起一定的光振動，整個波前s在p點(diǎn)引起的光振動是所有子波在該點(diǎn)光振動的相干疊加。2.

15、 形成單縫衍射條紋單縫衍射條紋與干涉條紋的區(qū)別在于：前者是由同一光波中無數(shù)相 干子波在狹縫后疊加而產(chǎn)生的，后者是由有限的相干光束疊加的結(jié)果。3. 波帶法波帶法處理單縫衍射問題，可以避免復(fù)雜的計(jì)算： 當(dāng)單縫中的兩條邊緣光線的光程差（即最大光程差），為 時，單縫處的波前可以分成偶數(shù)個波帶，這時相鄰各波帶對應(yīng)點(diǎn)的子波相干而抵消，故為暗紋條件。若波前可分為奇數(shù)個波帶，即 ，則相鄰兩波帶的子波相互抵消，只剩下一個波帶未被抵消，故得明條紋。 這樣，我們得到單色光垂直入射時暗紋中心位置： ， 明紋中央位置： ， 中央明紋： 。注意：單縫衍射產(chǎn)生明暗條紋的條件與雙縫干涉產(chǎn)生明暗條紋的條件從 公式上來看，恰好相反，這是因兩者的物理涵義不同所致。4. 光柵衍射條紋光柵衍射條紋是單縫衍射單縫衍射與多光束干涉多光束干涉的總效果： 與單縫衍射相比，在黑暗的背景上顯現(xiàn)窄細(xì)明亮的譜線，且縫數(shù)越多，