大學(xué)物理課件：第8章 光學(xué)-03

1、Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容1 光的衍射現(xiàn)象2 惠更斯-菲涅耳原理8-6 光 的 衍 射Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)一、光的衍射現(xiàn)象但當(dāng)光遇到比其波長大得不多的物體時，就會出現(xiàn)衍射現(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，稱為光的衍射現(xiàn)象。2. 光的衍射現(xiàn)象發(fā)生的條件：1. 定義：實驗證明，當(dāng)遇到普通大小的物體時，光僅表現(xiàn)出直線傳播的性質(zhì)，這是因為光波波長很

2、短的緣故。縫寬比波長大得多時縫寬可與波長相比擬時Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)E EL2L1SL1L2S圓孔衍射單縫衍射3. 光的衍射實驗圖示：Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué) 惠更斯原理： 波在媒質(zhì)中傳播到的各點， 都可看成新的子波源。 惠更斯原理只能解釋波的衍射，不能給出波強(qiáng)。 菲涅耳原理：波傳播到某一點的光強(qiáng)為各個子 波在觀察點的干涉疊加。 菲涅耳在惠更斯原理基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充， 提出子波相干疊加的概

3、念。二、惠更斯-菲涅耳原理 惠更斯菲涅耳原理：波傳到的任何一點都是子波波源，各子波在空間某點的相干疊加，就決定了該點波的強(qiáng)度。Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)三、光衍射的分類：根據(jù)障礙物與光源、狹縫、觀察屏之間的距離來分近場衍射：障礙物與光源和觀察屏的距離是有限遠(yuǎn)時。 遠(yuǎn)場衍射：障礙物與光源和觀察屏的距離是無限遠(yuǎn)時。 （菲涅耳衍射）（夫瑯禾費衍射）S菲涅耳衍射夫瑯禾費衍射夫瑯禾費衍射的實驗觀察S焦點焦平面Beijing Information Science & Technology Uni

4、versity 第八章 波動光學(xué)本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容1 單縫衍射實驗裝置和原理2 單縫衍射條紋的分析8-7 單 縫 衍 射 （夫瑯禾費衍射）Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)E E一、實驗裝置L1、L2為透鏡，平行放置，中心在一條直線上，a 為狹縫，狹縫面垂直透鏡主軸，E 為屏幕，位于L2 的焦平面上，將一單色光源光源 S 放在L1 的焦點處。L2L1SaBeijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)夫瑯禾費單縫衍射

5、實驗原理ObfABBeijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)S焦點焦平面1L2Lo二、單縫衍射條紋的特點1、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明紋兩側(cè)；3、明紋級次越高，光強(qiáng)越弱。2、中央明紋既亮又寬，為其它明紋寬度的兩倍;Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)（衍射角（衍射角 ：向上為正，向下為負(fù)）：向上為正，向下為負(fù)）夫瑯禾費單縫衍射角正負(fù)規(guī)定衍射角衍射角bofLPRQBeijing Information Scien

6、ce & Technology University 第八章 波動光學(xué)x1r2rP1s2ssoodd干涉條紋回憶楊氏雙縫干涉裝置 )2 , 1 , 0( 2) 12(kk12rr 光程差滿足什么條件時出現(xiàn)暗紋？問題：如何把這一結(jié)果用到單縫衍射上？Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)半波帶法2CbAB)PE過B作平行光束的垂線交于C點，平行光束的衍射角為 作平行BC的一系列平行平面，令其間距等于 。2顯然，這些平面為同相波面，相鄰平面的點的光程差為2設(shè)單縫寬度為 b，Beijing Informa

7、tion Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)2CbAB)PE放大觀察波陣面AB被這些平行平面分成許多等寬的波帶相鄰條帶上對應(yīng)點發(fā)出的光在P點的光程差為2相鄰兩波帶發(fā)出的子波，在P點相干疊加時將相互抵消3bbAB對應(yīng)點這樣的條帶稱為半波帶，這種分析的方法叫半波帶法3b3b同色對應(yīng)Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)2CbAB)PEBAb波陣面AB可以被分成若干等寬的條帶顯然半波帶個數(shù)取決于AC的長度sinbAC Beijing Information

8、Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)AC長度等于半波長偶數(shù)倍意味著：單縫波陣面AB為被分成偶數(shù)個波帶。相鄰兩波帶發(fā)出的子波在P點相干疊加時將相互抵消。則P點應(yīng)是暗條紋中心。當(dāng).3 , 2 , 1 22sinkkbAC當(dāng). 2 , 1 2) 12(sinkkbACAC長度等于半波長奇數(shù)倍意味著：單縫波陣面AB為被分成奇數(shù)個半波帶則由于一對對相鄰的半波帶發(fā)出的光都分別在P點相互抵消，最后還剩一個半波帶發(fā)出的光到達(dá)P點，因此P點應(yīng)是明條紋中心。顯然半波帶個數(shù)取決于AC的長度sinbAC Beijing Information Science &am

9、p; Technology University 第八章 波動光學(xué)2CbAB)PE明(暗)條紋的條件k單縫波陣面AB被分成的波帶的數(shù)目取決于衍射角 若 不同，則AB被分成的半波帶數(shù)目 不同k kb22sin 2) 12(sinkb.2 , 1 k明條紋暗條紋Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)對應(yīng)著中央明紋注意：與楊氏干涉明暗紋條件的不同之處bBAP中央明紋中央明紋0sinbAC0暗條紋明條紋 kbAC22sin 2) 12(sinkbAC3 , 2 , 1k討論討論Beijing Informatio

10、n Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)明（暗）條紋強(qiáng)度分布規(guī)律2CbAB)PEsinbAC因此明條紋級次越高，光強(qiáng)越小，中央明條紋光強(qiáng)最大衍射角 越大，AC 越大， AB 被分成的波帶數(shù)目越多半波帶的寬度越小，明條紋的光強(qiáng)越小，討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)sinIobb2b3bb2b3光 強(qiáng) 分 布kkb22sin干涉相消（暗紋）2) 12(sinkb干涉加強(qiáng)（明紋）討論討論Beijing Information Science &a

11、mp; Technology University 第八章 波動光學(xué)當(dāng)平行光垂直入射單縫時，單縫衍射形成的明暗條紋的位置用衍射角 表示對于任意其它的衍射角 ，單縫波陣面一般不能恰好分成整數(shù)個波帶，衍射區(qū)域介于明紋中心與暗紋中心之間的區(qū)域 kb2sin介于明暗之間暗紋中心 kb22sin干涉相消k2個波帶明紋中心 2) 12(sinkb干涉加強(qiáng)12 k個波帶0中央明紋中心0sinb討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)條紋的位置 2) 12(sinkb kb22sin當(dāng)衍射角很小)5(0sintgf

12、x明紋中心 bkk2) 12( kbfxk2) 12(暗紋中心 bkk22 kbfxk22焦平面PoABb)f)x討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)條紋寬度相鄰暗（明）紋中心間的距離 bfxxxkk1中央明條紋寬度： bfxxx211結(jié)論：中央明條紋的寬度是其它明條紋寬度的2倍oxbfx1中央明條紋兩側(cè)第一級暗條紋之間的距離中央明紋兩側(cè)第一級(k=1)暗條紋的位置等間距除了中央明紋外的其它明紋(暗)紋的寬度 kbfxk2) 12( kbfxk22明暗討論討論Beijing Informatio

13、n Science & Technology University 第八章 波動光學(xué) bfx2單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？中央明條紋寬度討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué) 入射波長變化，衍射效應(yīng)如何變化 ? bfx2中央明紋寬度討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)共同點：都是光的相干疊加的結(jié)果不同點：干涉是由有限束光的相干疊加衍射是由波陣面上無數(shù)子波源發(fā)出的子波相干疊加的結(jié)果干涉

14、與衍射的區(qū)別與聯(lián)系干涉花樣和衍射花樣明顯不同干涉衍射討論討論Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)在夫瑯和費單縫衍射中，對于給定的入射光，當(dāng)縫寬度變小時，除中央亮紋的中心位置不變外，各級衍射條紋 (A) 對應(yīng)的衍射角變??；(B) 對應(yīng)的衍射角變大；(C) 對應(yīng)的衍射角也不變；暗紋位置暗紋位置: :kkb22sinbksin例題例題Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)在單縫夫瑯和費衍射實驗裝置中，S 為單縫，L 為透

15、鏡，C 放在 L 的焦平面處的屏幕。當(dāng)把單縫S垂直于透鏡光軸稍微向上平移時，屏幕上的衍射圖樣。(A) 向上平移； (B) 向下平移；(C) 不動； (D) 條紋間距變大。CLS例題例題單縫稍微向上平移時，透鏡光軸沒動，屏幕上的衍射圖樣也不動。單逢衍射圖樣是單逢上的光相干疊加并匯聚于透鏡焦平面的結(jié)果。Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，若已知光在某時刻的波陣面為 S，則 S 的前方某點 P 的光強(qiáng)度決定于波陣面 S 上所在面積元發(fā)出的子波各自傳到 P 點的（A）振動振幅之和；（B）

16、光強(qiáng)之和；（C）振動振幅之和的平方；（D）振動的相干疊加。例題例題Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)( A ) .( B ) /2.( C ) 3 /2.( D ) 2 .一束波長為的平行單色光垂直入射到一單縫 AB 上，在屏幕 D 上形成衍射圖樣，如果 P 是中央亮紋一側(cè)第一個暗紋所在的位置，則BC 的長度為FABCLDP屏暗暗 紋紋: : 3 , 2 , 1kkkb22sin例題例題Beijing Information Science & Technology University 第八

17、章 波動光學(xué)用單色光照射狹縫，BP-AP=2狹縫可分為幾個半波帶? P是明條紋、暗條紋？BP-AP=1.5又如何？BCAPBP224BCAPBP5 . 123FABCLDP屏暗條紋明條紋解：例題例題Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)若有一波長為 =600nm 的單色平行光，垂直入射到縫寬 a =0.6mm 的單縫上，縫后有一焦距 f = 40 cm 透鏡。試求：（1）屏上中央明紋的寬度;解：(1) 兩個第一級暗紋中心間的距離即為中央明紋的寬度（2）若在屏上 P 點觀察到一明紋，OP=1.4mm，問 P

18、 點處是第幾級明紋，對 P 點而言縫處波面可分成幾個半波帶？mmafx8 . 0106 . 01064 . 02237（2）由單縫衍射的明紋公式bfkx212）（21/faxk3211064 . 0104 . 1106 . 0733P點所在處為第三級明紋，712k個半波帶例題例題Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容1 介紹圓孔衍射實驗裝置和原理8-8 圓 孔 衍 射2 了解光學(xué)儀器的分辯本領(lǐng)Beijing Information Science & Technology

19、University 第八章 波動光學(xué)Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)一、夫瑯禾費圓孔衍射dfDLP第一級暗環(huán)直徑為d Dfd22. 12D 越大，則 越小，衍射現(xiàn)象越不顯著。艾里斑角 （第一級暗紋的衍射角）艾里斑直徑dfBeijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)距離很近的兩個物點的象斑有可能重疊，從而分辨不清。2、光學(xué)儀器的分辯本領(lǐng)能能分分辨辨恰恰能能分分辨辨不不能能分分辨辨Beijing Information Science & Technology University 第八章 波動光學(xué)Beijing In