《光的衍射現(xiàn)象》PPT課件

1、一、光的衍射景象一、光的衍射景象sa(1)(1)直線傳播直線傳播a 幾何幾何 陰影區(qū)陰影區(qū) 幾何幾何 陰影區(qū)陰影區(qū)asE E(2)(2)發(fā)生衍射發(fā)生衍射相比擬與a2-1 2-1 光的衍射光的衍射E E 幾何幾何 陰影區(qū)陰影區(qū) 幾何幾何 陰影區(qū)陰影區(qū)二、衍射的分類二、衍射的分類1 1、菲涅耳衍射近場衍射、菲涅耳衍射近場衍射) )PSE依光源、妨礙物和察看屏三者位置關(guān)系依光源、妨礙物和察看屏三者位置關(guān)系s sE EL1L22 2、夫瑯和費(fèi)衍射遠(yuǎn)場衍射、夫瑯和費(fèi)衍射遠(yuǎn)場衍射來自無窮遠(yuǎn)來自無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)三、惠更斯三、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理1 1、惠更斯原理、惠更斯原理從同一波面上各點(diǎn)

2、發(fā)出的子波從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波,在傳在傳播到空間的某一點(diǎn)時播到空間的某一點(diǎn)時,各個子波也可以相各個子波也可以相互疊加而產(chǎn)生干涉景象?；クB加而產(chǎn)生干涉景象。子波干涉子波干涉2 2、惠更斯、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理2-2 2-2 單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫夫瑯和費(fèi)衍射一、實(shí)驗(yàn)安裝一、實(shí)驗(yàn)安裝 s sE EL1L2二、單縫衍射條紋的特點(diǎn)二、單縫衍射條紋的特點(diǎn)1 1、衍射條紋明暗相間，對稱分、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明紋兩側(cè)；布在中央明紋兩側(cè)；3 3、明紋級次越高，光強(qiáng)越弱。、明紋級次越高，光強(qiáng)越弱。2 2、中央明紋既亮又寬，為其它、中央明紋既亮又寬，為其它明紋寬度的兩倍明紋寬度的兩倍;

3、;三、衍射條紋特點(diǎn)分析三、衍射條紋特點(diǎn)分析1 1、菲涅耳半波帶、菲涅耳半波帶1A2AABABE aLfP2 sinaACCO12k AA122 (2)暗紋偶數(shù)個半波帶暗紋偶數(shù)個半波帶(3)明紋中心奇數(shù)個半波帶明紋中心奇數(shù)個半波帶2 2、衍射明暗紋條件分析、衍射明暗紋條件分析,2,1,2)12(sin kkak,2,1,22sin kkak sina思索思索: :a a、ACAC不等于半波長的整數(shù)倍時不等于半波長的整數(shù)倍時? ?b b、明紋級次越高、明紋級次越高, ,光強(qiáng)越弱光強(qiáng)越弱, ,怎樣解釋怎樣解釋? ?定性半定量研討方法定性半定量研討方法2sin ka3 3、明紋寬度、明紋寬度相鄰兩暗紋

4、之間的間隔相鄰兩暗紋之間的間隔() 5o(1)中央明紋寬度中央明紋寬度afxl 2210kkkxxl 1111sinfxf tgfaA AB BE EO OP P a a L Lf fx kaksin(2)(2)其它明紋寬度其它明紋寬度kaksinafakakf )1(中央明紋寬度中央明紋寬度afl 20ll20 )(1kktgtgf )sin(sin1kkf kkkxxl 1a a、縫愈窄、波長愈長、縫愈窄、波長愈長, ,衍射愈顯著衍射愈顯著; ;當(dāng)當(dāng) 時時, ,各級條紋都密集于各級條紋都密集于 中央明紋附近中央明紋附近, ,只察看到一條亮只察看到一條亮 紋，即單縫的象。紋，即單縫的象。a

5、4 4、影響條紋分布的要素、影響條紋分布的要素)(fakxk c c、單縫上下平移，不影響條紋分布、單縫上下平移，不影響條紋分布. .b b、白光入射時，除中央明紋為白色、白光入射時，除中央明紋為白色外，其它明紋均為彩色條紋外，其它明紋均為彩色條紋. .PHL艾艾里里斑斑dDfd22. 12：艾里斑直徑：艾里斑直徑ddfDLP2-3 2-3 圓孔衍射圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨率光學(xué)儀器的分辨率一、夫瑯和費(fèi)圓孔衍射一、夫瑯和費(fèi)圓孔衍射 當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中央為很亮的屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中央為很亮的圓亮斑圓亮斑, ,叫做叫

6、做“艾里斑。艾里斑。直徑為直徑為 , ,對透鏡光心的張角為對透鏡光心的張角為d2 DfdDfd 44.244.22二、光學(xué)儀器的分辨率二、光學(xué)儀器的分辨率光學(xué)儀器中的透鏡、光闌相當(dāng)透光小圓光學(xué)儀器中的透鏡、光闌相當(dāng)透光小圓孔孔. .從幾何光學(xué)看從幾何光學(xué)看: :物體經(jīng)過光學(xué)儀器成象物體經(jīng)過光學(xué)儀器成象時時, ,每個物點(diǎn)對應(yīng)一個象點(diǎn)。每個物點(diǎn)對應(yīng)一個象點(diǎn)。從動搖光學(xué)看從動搖光學(xué)看: :光經(jīng)過光學(xué)元件時，要光經(jīng)過光學(xué)元件時，要發(fā)生衍射發(fā)生衍射, ,物點(diǎn)的象是以象點(diǎn)為中心的有物點(diǎn)的象是以象點(diǎn)為中心的有一定大小的艾里斑一定大小的艾里斑. . 光的衍射景象限制了光學(xué)儀器的分辨率光的衍射景象限制了光學(xué)儀器

7、的分辨率.設(shè)有兩個點(diǎn)光源經(jīng)透鏡后構(gòu)成了兩個重設(shè)有兩個點(diǎn)光源經(jīng)透鏡后構(gòu)成了兩個重疊的艾里斑疊的艾里斑, ,兩斑中心間距兩斑中心間距 . .一象點(diǎn)的第一象點(diǎn)的第一暗紋恰與另一象點(diǎn)的中央亮紋最亮處重一暗紋恰與另一象點(diǎn)的中央亮紋最亮處重合時合時, ,兩物點(diǎn)恰能被光學(xué)儀器所分辨兩物點(diǎn)恰能被光學(xué)儀器所分辨. .d01 1、瑞利判據(jù)、瑞利判據(jù) 二二 瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)08 . 0IDfdd 22.1202 2、最小分辨角、最小分辨角0 Dfdfd 22.1200此時此時最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能分辨的點(diǎn)數(shù)。分辨的點(diǎn)數(shù)。 22.110DR4 4、提高光學(xué)儀器分辨率的途徑：、提高

8、光學(xué)儀器分辨率的途徑：(1)(1)增大透鏡孔徑增大透鏡孔徑3 3、光學(xué)儀器分辨率、光學(xué)儀器分辨率(2)(2)采用短波長的光入射采用短波長的光入射例例: :在正常照度下在正常照度下, ,人眼瞳孔的直徑為人眼瞳孔的直徑為3 3 人眼對綠光最敏感人眼對綠光最敏感, ,其波長為其波長為550nm,550nm,人眼中人眼中玻璃液的折射率為玻璃液的折射率為n=1.336.n=1.336.mm求求:(1):(1)人眼的最小分辨角？人眼的最小分辨角？(2)(2)在教室的黑板上畫兩條平行線相距在教室的黑板上畫兩條平行線相距為為2 ,2 ,坐在教室距黑板多遠(yuǎn)處的同坐在教室距黑板多遠(yuǎn)處的同窗能看清它？窗能看清它？m

9、mn 在在玻玻璃璃液液中中 1 22.D那么那么mmdAmmDo2,5500,30 已已知知解解：設(shè)設(shè)學(xué)學(xué)生生離離黑黑板板的的距距離離為為l 22. 100Dddlld0 2-4 2-4 光柵衍射光柵衍射一、光柵一、光柵一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性質(zhì)的各部分在空間周期性陳列而組成。質(zhì)的各部分在空間周期性陳列而組成。二、光柵衍射條紋的構(gòu)成二、光柵衍射條紋的構(gòu)成透射光柵透射光柵: :大量的等間距的平行狹縫大量的等間距的平行狹縫組成的光學(xué)元件。組成的光學(xué)元件。baab1 1、實(shí)驗(yàn)安裝、實(shí)驗(yàn)安裝ab光光柵柵常常數(shù)數(shù) 一一般般在在數(shù)數(shù)量量級級: a+b101056 m

10、a+b LEOP 2 2、光柵衍射條紋特點(diǎn)：、光柵衍射條紋特點(diǎn)：(1)(1)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)N N的的增大非常細(xì)亮增大非常細(xì)亮(2)(2)相鄰主極大明條紋分得很開，相鄰主極大明條紋分得很開，其間是大片暗區(qū)其間是大片暗區(qū). .(3) 各主極大明條紋強(qiáng)度分布輪廓各主極大明條紋強(qiáng)度分布輪廓與單縫衍射強(qiáng)度分布曲線一樣與單縫衍射強(qiáng)度分布曲線一樣.定性分析定性分析雙縫衍射雙縫衍射從圖中看出從圖中看出: :雙縫衍射存在單縫衍射和雙縫衍射存在單縫衍射和多光束干涉的總效果。多光束干涉的總效果。多縫衍射多縫衍射光柵光柵 單縫衍射單縫衍射多光束干涉多光束干涉的總效果的總效果單縫衍射單縫衍

11、射3 3、光柵衍射圖樣分析、光柵衍射圖樣分析單縫衍射和多光單縫衍射和多光束干涉的總效果束干涉的總效果定量分析定量分析 , 2 , 1 , 0sin kkbaf0p光柵方程光柵方程ba sin)(ba(1)主極大明紋主極大明紋A.A.多光束干涉結(jié)果多光束干涉結(jié)果f0p fftgx kbasin明紋坐標(biāo)值明紋坐標(biāo)值xbafk 最大衍射級次最大衍射級次 baKmax相鄰主極大明紋間距相鄰主極大明紋間距()sinabkk ()sin()abkk 11sinsin kkabd 1dd光柵常數(shù)光柵常數(shù)結(jié)結(jié) 論：論：(1)(1)主極大明條紋位置由縫間干涉決議主極大明條紋位置由縫間干涉決議; ;abk故故si

12、n1(2)(2)由于由于 (3)(3)相鄰兩級主極大的間距隨光柵常數(shù)相鄰兩級主極大的間距隨光柵常數(shù)的減小而增大。的減小而增大。AB 斜入射斜入射: kbabasin)(sin)(p中央明紋中央明紋: 00 x0f000tanxfff B B、單縫衍射的調(diào)制、單縫衍射的調(diào)制(1)(1)主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)分布的調(diào)制主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)分布的調(diào)制; ;缺級缺級干涉極大、衍射極小的位置干涉極大、衍射極小的位置, 3 , 2 , 1 kkabak級級則則干干涉涉若若,9 ,6 ,3,3 kaba(2)(2)缺級景象缺級景象單單縫縫衍衍射射極極小?。?sin ka （干干涉涉極極大大） kbas

13、in明紋不出現(xiàn)，發(fā)生缺級。明紋不出現(xiàn)，發(fā)生缺級。三、衍射光譜三、衍射光譜1 1、光譜線、光譜線: :單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的一組細(xì)窄亮堂的亮條紋。一組細(xì)窄亮堂的亮條紋。2 2、光柵光譜、光柵光譜: :波長不同的同級譜線集合波長不同的同級譜線集合起來構(gòu)成的一組譜線。起來構(gòu)成的一組譜線。 ()sin(,)abkk 012 白光的光柵光譜白光的光柵光譜紅綠光的光柵光譜紅綠光的光柵光譜3 3、光柵光譜儀、光柵光譜儀四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)絡(luò)四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)絡(luò) 在普通問題中，干涉和衍射兩者的作在普通問題中，干涉和衍射兩者的作用是同時存在的。用是同時存在的。 k透射光柵分光

14、計(jì)透射光柵分光計(jì)( (知知a+ba+b，測，測 求求 ) ) 光柵攝譜儀光柵攝譜儀1 1、根本上講、根本上講, ,本質(zhì)都是波的相關(guān)疊加的結(jié)本質(zhì)都是波的相關(guān)疊加的結(jié)果果, ,只是參與相關(guān)疊加的對象不同；只是參與相關(guān)疊加的對象不同；2 2、都是明暗相間的條紋、都是明暗相間的條紋, ,但在光強(qiáng)分布函但在光強(qiáng)分布函數(shù)上有所不同；數(shù)上有所不同；3 3、在處置問題的方法上、在處置問題的方法上, ,從物理角度看從物理角度看, ,思索疊加時的中心問題都是位相差思索疊加時的中心問題都是位相差; ;從從數(shù)學(xué)角度看數(shù)學(xué)角度看, ,存在差別。存在差別。 總之總之, ,干涉和衍射本質(zhì)上一致、在構(gòu)成干涉和衍射本質(zhì)上一致、

15、在構(gòu)成條件、分布規(guī)律上有異條件、分布規(guī)律上有異, ,數(shù)學(xué)處置方法也數(shù)學(xué)處置方法也略有不同略有不同, ,是嚴(yán)密關(guān)聯(lián)的同一類景象。是嚴(yán)密關(guān)聯(lián)的同一類景象。2-5 X2-5 X射線的衍射射線的衍射一、一、X X射線射線18951895年年X X射線由德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)射線由德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn), ,它是一種電磁波它是一種電磁波, ,波長在波長在0.4A-10A0.4A-10A范圍。范圍。二、二、X X射線的衍射射線的衍射19121912年年, ,德國物理學(xué)家勞厄用單晶片作德國物理學(xué)家勞厄用單晶片作為衍射物察看為衍射物察看X X射線的衍射景象射線的衍射景象, ,在照相底在照相底片上得到一系列感光斑點(diǎn)

16、片上得到一系列感光斑點(diǎn)勞厄斑點(diǎn)勞厄斑點(diǎn). .1.X1.X射線衍射的實(shí)驗(yàn)安裝射線衍射的實(shí)驗(yàn)安裝1E2EX 射射線線冷卻冷卻水水PKnm)1004. 0(勞勞 厄厄 斑斑 點(diǎn)點(diǎn)鉛板鉛板單晶片單晶片 照像底片照像底片 單晶片的衍射單晶片的衍射19121912年勞厄?qū)嶒?yàn)?zāi)陝诙驅(qū)嶒?yàn) 1913年英國布拉格父子提出了一種解釋年英國布拉格父子提出了一種解釋射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于1915年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎.布布 拉拉 格格 反反 射射d入射波入射波散射波散射波oCAB掠射角掠射角d晶格常數(shù)晶格常數(shù) 相鄰兩個晶面相鄰兩個晶面反射的兩反射的兩X射線干射線干涉加強(qiáng)的條件涉加強(qiáng)的條件 布拉格公式布拉格公式,2, 1 ,0kkdsin2CBAC sin2d布布 拉拉 格格 反反 射射d入射波入射波散射