光的衍射北邮优秀课件.ppt

光的衍射北邮第1页，本讲稿共42页缝较大时，光是直线传播缝较大时，光是直线传播缝变小，衍射现象明显缝变小，衍射现象明显阴影屏幕屏幕一、一、光的衍射现象光的衍射现象13-1 光的衍射光的衍射 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理第2页，本讲稿共42页二二.惠更斯惠更斯-菲涅尔原理菲涅尔原理nPrSdS2.P点的强度，点的强度，决定于所有子波在决定于所有子波在P点叠加的合点叠加的合 振幅，即决定于振幅，即决定于各次波各次波到到P点的点的光程差。光程差。问：双缝干涉的结果是由两束光干涉，能量重问：双缝干涉的结果是由两束光干涉，能量重 新分布。新分布。单缝单缝为何出现类似现象？为何出现类似现象？一束光和谁干涉？即衍射的本质是什么一束光和谁干涉？即衍射的本质是什么？衍射衍射子波的干涉子波的干涉波不能向后传波不能向后传第3页，本讲稿共42页夫琅和菲衍射夫琅和菲衍射 菲涅尔衍射菲涅尔衍射点光源夫琅和菲衍射夫琅和菲衍射平行光平行光点光源（实际中常见）（实际中常见）（实验室常用）（实验室常用）三三.菲涅尔衍射与夫朗和菲衍射菲涅尔衍射与夫朗和菲衍射实验室：实验室：第4页，本讲稿共42页132 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射S 线 光 源f1f2光强 一、单缝夫琅和费衍射一、单缝夫琅和费衍射第5页，本讲稿共42页a暗暗明明注：若光程差不是 的整数倍，屏上的亮度介于最亮和最暗之间。二、二、菲涅耳半波带法菲涅耳半波带法中央明纹中央明纹 fa透镜BA屏offpC第6页，本讲稿共42页 当当 角增加时，半波带数增加，未被角增加时，半波带数增加，未被抵消的半波带面积减少，所以光强变小。抵消的半波带面积减少，所以光强变小。当当 增加时增加时,为什么为什么光强的极大值迅速衰光强的极大值迅速衰减？减？思考第7页，本讲稿共42页例：一束波长为例：一束波长为 =5000的平行光垂直照的平行光垂直照射在一个单缝上。射在一个单缝上。已已知单缝衍射的第一暗知单缝衍射的第一暗纹的衍射角纹的衍射角 1=300，求该单缝的宽度，求该单缝的宽度a=?解：解：一级暗纹一级暗纹 k=1,1=300 xf.AAABCa122.A3P.第8页，本讲稿共42页例、一束波长为例、一束波长为 =5000的平行光垂直照射在一的平行光垂直照射在一个单缝上。个单缝上。a=0.5mm，f=1m，如果在屏幕上离中如果在屏幕上离中央亮纹中心为央亮纹中心为x=3.5mm处的处的P点为一亮纹，试求点为一亮纹，试求(a)该该P处亮纹的级数；处亮纹的级数；(b)从从P处看，狭缝处的波阵处看，狭缝处的波阵面可分割成几个半波带？面可分割成几个半波带？(b)当当k=3时，时，狭缝处波阵面可分成狭缝处波阵面可分成7个半波带。个半波带。第9页，本讲稿共42页中央两侧第一暗纹之间中央两侧第一暗纹之间2、中央亮纹中央亮纹角宽度角宽度：三、讨论：三、讨论：1、中央明纹很亮，出现在 处。第10页，本讲稿共42页3、中央明纹的线宽度是其中央明纹的线宽度是其他明纹宽度的两倍：他明纹宽度的两倍：faofkfkpxk k级暗纹级暗纹:中央明纹宽度中央明纹宽度:其他明纹宽度其他明纹宽度:第11页，本讲稿共42页k级暗纹：级暗纹：faOfkfk+1Dx第12页，本讲稿共42页例、一束波长为例、一束波长为 =5000的平行光垂直照射在一的平行光垂直照射在一个单缝上。个单缝上。如果缝宽如果缝宽a=0.5mm，缝后薄透镜焦距，缝后薄透镜焦距 f=1m，求：，求：(a)中央明条纹的角宽度；中央明条纹的角宽度；(b)中央亮中央亮纹的线宽度；纹的线宽度；(c)第一级与第二级暗纹的距离；第一级与第二级暗纹的距离；(a)(b)(c)第13页，本讲稿共42页 4、，条纹分散得 开，衍射现 象明显；，各级条纹向中央靠拢，显 示了光的直线传播的性质。5、如果用白光照射，、如果用白光照射，中央为白色中央为白色明条明条纹，其纹，其两侧两侧各级都为各级都为彩色彩色条纹，条纹，紫光紫光在内在内。衍射条件第14页，本讲稿共42页6、上下前后移动狭缝位置，条纹上下前后移动狭缝位置，条纹 不动。不动。7、将装置放在折射、将装置放在折射 率率为为 n 的透明液体中，则的透明液体中，则暗明第15页，本讲稿共42页8、当光源向上或向下运动即斜射：、当光源向上或向下运动即斜射：暗明入射光线与衍射光线在狭缝法线同侧取正，反之取负。入射光线与衍射光线在狭缝法线同侧取正，反之取负。S第16页，本讲稿共42页单缝衍射：暗 杨氏双缝干涉：明四、干涉与衍射的区别与联系四、干涉与衍射的区别与联系1、从根本上讲，都是波的相干叠加，没、从根本上讲，都是波的相干叠加，没有原则区别有原则区别。注意：注意：2、干涉：，衍射：第17页，本讲稿共42页例：在单缝夫朗和费衍射实验中，屏上第例：在单缝夫朗和费衍射实验中，屏上第3级暗纹对应级暗纹对应的单缝处波面可划分为的单缝处波面可划分为个半波带？若将缝宽缩个半波带？若将缝宽缩小一半，原来第小一半，原来第3级暗纹处将是级暗纹处将是纹。纹。例：波长为例：波长为600nm的单色平行光，垂直入射到缝的单色平行光，垂直入射到缝宽为宽为a=0.60mm的单缝上，缝后有一焦距的单缝上，缝后有一焦距f=60cm的透镜。在透镜焦平面上观察衍射图样的透镜。在透镜焦平面上观察衍射图样.则中央明纹宽度为则中央明纹宽度为。两个第。两个第3级暗纹之间的级暗纹之间的距离为距离为。明明61.2mm3.6mm第18页，本讲稿共42页例：宽度为例：宽度为a的狭缝被白光照射，若红光的狭缝被白光照射，若红光（=6500A=6500A）的一级暗纹落在）的一级暗纹落在f=30f=30o的位的位置上，则置上，则a a多大？若同时有多大？若同时有，的光的一级的光的一级明纹落在此处，则此为什么颜色的光？明纹落在此处，则此为什么颜色的光？解：解：则第19页，本讲稿共42页衍射光栅：衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平由大量等间距、等宽度的平 行行 狭缝狭缝 所组成的光学元件。所组成的光学元件。光栅常数：光栅常数：a+b数量级为数量级为10-510-6m一、光栅衍射现象一、光栅衍射现象:13-3 光栅衍射光栅衍射第20页，本讲稿共42页ab光栅光栅观观察察屏屏光栅条纹主极大二、光栅衍射条纹的形成二、光栅衍射条纹的形成 光栅方程第21页，本讲稿共42页三、三、光栅衍射图样特点光栅衍射图样特点#因此，光栅衍射图样是多缝干涉，光强因此，光栅衍射图样是多缝干涉，光强分布受单缝衍射光强分布调制。分布受单缝衍射光强分布调制。l/a-l/asin fIsin fl/dsin f02l/d第22页，本讲稿共42页光栅衍射明纹的位置只与（光栅衍射明纹的位置只与（a+b）有关，）有关，与缝的个数与缝的个数N无关。无关。光栅常数（光栅常数（a+b)越小，即越小，即N越多，明越多，明纹间隔大，明纹越亮。纹间隔大，明纹越亮。放在折射率为放在折射率为n的液体中的液体中n(a+b)sin f f=k 第23页，本讲稿共42页四、斜射四、斜射PfO第24页，本讲稿共42页五、衍射光谱五、衍射光谱(a+b)sin f f =k&级次越高，光谱越宽，第二级谱线与第级次越高，光谱越宽，第二级谱线与第三级谱线已开始发生重叠。三级谱线已开始发生重叠。k=ok=1k=2k=3重叠区不同元素有特定的光谱，由谱线的成分分析发光物质不同元素有特定的光谱，由谱线的成分分析发光物质所含的元素。谱线是元素的所含的元素。谱线是元素的“指纹指纹”。第25页，本讲稿共42页例：求第三级谱线重叠的波长范围。例：求第三级谱线重叠的波长范围。解题思路：解题思路：求第二级谱线重叠的波长范围。求第二级谱线重叠的波长范围。第26页，本讲稿共42页k 就是所缺的级次就是所缺的级次即：即：（原则上可取原则上可取 k1，2，3，但必须同，但必须同时满足时满足k为整数。）为整数。）如：如：令 k2,4,6,得 k3，6，9处缺级a sin f f=k (a+b)sinf f=k 缝间干涉极大缝间干涉极大单缝衍射极小单缝衍射极小四、缺级现象四、缺级现象第27页，本讲稿共42页解：解：第28页，本讲稿共42页0级1级2级3级5级6级7级9级1级2级3级5级6级7级9级8级缺级8级缺级4级缺级 4级缺级第29页，本讲稿共42页屏上看见的条纹数屏上看见的条纹数 再考虑缺级，对称性及中央明纹。再考虑缺级，对称性及中央明纹。第30页，本讲稿共42页第一级暗环对应的衍射角 称为艾里斑的半角宽：1、艾里斑的半径：、艾里斑的半径：134、圆孔衍射圆孔衍射 光学仪器分辨率光学仪器分辨率光源接收屏艾里斑艾里斑障碍物第31页，本讲稿共42页1.22(/D)sinI/I00艾里斑比较：单缝衍射，比较：单缝衍射，中央明纹半角宽度：中央明纹半角宽度：2、瑞利判据、瑞利判据大多数光学仪器中的透镜是圆形的，可大多数光学仪器中的透镜是圆形的，可看做透光孔（圆孔）。看做透光孔（圆孔）。第32页，本讲稿共42页瑞利判据瑞利判据：如果一物点在像平面上形成的爱：如果一物点在像平面上形成的爱里斑中心，恰好落在另一物点的衍射第一级里斑中心，恰好落在另一物点的衍射第一级暗环上，这两个物点恰能被仪器分辨。暗环上，这两个物点恰能被仪器分辨。D0*S2*S1最小分辨角：最小分辨角：第33页，本讲稿共42页若透镜的焦距若透镜的焦距f，则爱里斑的半径：则爱里斑的半径：恰可分辨S1S2S1S2不可分辨S1S2可分辨第34页，本讲稿共42页例：在夜间，人眼瞳孔的直径约为例：在夜间，人眼瞳孔的直径约为5.0毫毫米，在可见光中，人眼最灵敏的波长为米，在可见光中，人眼最灵敏的波长为5500A,此时人眼的最小分辨角为此时人眼的最小分辨角为_，在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相距，在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相距12厘米，当汽车离人的距离为厘米，当汽车离人的距离为_时，时，眼睛恰好可分辨这两盏灯？眼睛恰好可分辨这两盏灯？第35页，本讲稿共42页分辨率：分辨率：可见提高分辨率：增大孔径（天文、摄影）增大孔径（天文、摄影）最小分辨角的倒数.用紫光或紫外线作光源用紫光或紫外线作光源电子显微镜（利用电子束的波动性成像）电子显微镜（利用电子束的波动性成像）第36页，本讲稿共42页#X 射线是波长很短的电磁波。射线是波长很短的电磁波。#X 射线的波长：射线的波长：0.01 10nm 阳极阳极（对阴极）（对阴极）阴极X射线管104105V+#在电磁场中不发生偏转。在电磁场中不发生偏转。13-5 X射线的衍射射线的衍射第37页，本讲稿共42页劳厄斑点 根据劳厄斑点的分布根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。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。晶体底片铅屏X 射线管二、二、X 射线衍射射线衍射-劳厄实验劳厄实验第38页，本讲稿共42页三、三、布喇格公式（布喇格公式（1913年）年）MPN考虑的是上下两层晶面反射光线间的干涉。考虑的是上下两层晶面反射光线间的干涉。AB123dCDA123d第39页，本讲稿共42页四、四、X 射线的应用射线的应用1、研究晶体结构、研究晶体结构2、作光谱分析、作光谱分析3 3、医学和分子生物学、医学和分子生物学第40页，本讲稿共42页 波动光学发展史：波动光学发展史：波动光学发展史：波动光学发展史：1818 年，年，巴巴 黎黎 科科 学学 院院 举举 行行 了了 一一 次次 以以 解解 释释 衍衍 射射 现现 象象 为为 内内 容容 的的 科科 学学 竞竞 赛，菲赛，菲 涅涅 耳以耳以 光光 的的 干干 涉涉 原原 理理 补补 充充 了了 惠惠 更更 斯斯 原原 理，理，提提 出出 了了 惠惠 更更 斯斯 菲菲 涅涅 耳耳 原原 理。理。1690 年年 惠惠 更更 斯斯 提提 出出 了了 惠惠 更更 斯斯 原原 理。理。1801 年年 杨杨 进进 行行 了了 双双 缝缝 实实 验。验。1803 年，年，杨用干涉原理解释衍射现象。杨用干涉原理解释衍射现象。第41页，本讲稿共42页二二.惠更斯惠更斯-菲涅尔原理菲涅尔原理nPrSdS2.P点的强度，点的强度，决定于所有子波在决定于所有子波在P点叠加的合点叠加的合 振幅，即决定于振幅，即决定于各次波各次波到到P点的点的光程差。光程差。问：双缝干涉的结果是由两束光干涉，能量重问：双缝干涉的结果是由两束光干涉，能量重 新分布。新分布。单缝单缝为何出现类似现象？为何出现类似现象？一束光和谁干涉？即衍射的本质是什么一束光和谁干涉？即衍射的本质是什么？衍射衍射子波的干涉子波的干涉波不能向后传波不能向后传第42页，本讲稿共42页