2021-2022学年高二物理竞赛课件：衍射和偏振.pptx

v开篇问题开篇问题由于衍射的存在，光学由于衍射的存在，光学显微镜有一个有效的最显微镜有一个有效的最大放大倍率大放大倍率,如何计算如何计算这个倍率这个倍率?它可以显示它可以显示最小物体的尺寸该如何最小物体的尺寸该如何判定呢判定呢?1819年，奥古斯丁年，奥古斯丁菲涅尔菲涅尔(1788-1827)，提交给法国科学，提交给法国科学院光的波动理论院光的波动理论,预言并解释了干涉和衍射效应。西蒙预言并解释了干涉和衍射效应。西蒙泊松泊松(1781-1840)根据菲涅耳的波动理论推断，如果光从一个点光源根据菲涅耳的波动理论推断，如果光从一个点光源照射到小圆盘上，圆盘边缘发生衍射会在阴影的中心产生一个照射到小圆盘上，圆盘边缘发生衍射会在阴影的中心产生一个亮斑。弗朗索瓦亮斑。弗朗索瓦阿拉戈进行试验，果然在阴影的中心看到亮点。阿拉戈进行试验，果然在阴影的中心看到亮点。这是对波动理论的有力证据。这是对波动理论的有力证据。如果光是波，单色点光源照射小圆盘后会在阴影中心形成一个亮斑如果光是波，单色点光源照射小圆盘后会在阴影中心形成一个亮斑下图是使用相干激光点光源照射物体时产生的下图是使用相干激光点光源照射物体时产生的阴影照片。阴影照片。(a)硬币硬币 (b)刀片刀片 (c)单缝单缝请注意请注意:阴影的中心及边缘阴影的中心及边缘中央亮斑中央亮斑;阴影边缘亮暗相间的条纹。阴影边缘亮暗相间的条纹。v35-135-1单缝或圆孔衍射单缝或圆孔衍射一束单色平行光通过宽度为一束单色平行光通过宽度为a的的狭缝。它们相位相同，所以会狭缝。它们相位相同，所以会在屏幕上出现中央亮纹。在屏幕上出现中央亮纹。考虑光线移动角度考虑光线移动角度，使得从狭缝上方的光线比从，使得从狭缝上方的光线比从底部边缘到达屏幕时，正好多出一个波长。底部边缘到达屏幕时，正好多出一个波长。在这个角度下对应的屏幕在这个角度下对应的屏幕上将会发生什么？上将会发生什么？v每条穿过狭缝下半部的光每条穿过狭缝下半部的光线线(1、2)都将会和穿过上都将会和穿过上半部相应的光线半部相应的光线(1、2)干涉相消。干涉相消。v（两个）半波带的划分（两个）半波带的划分v这个角度下屏幕上将会出这个角度下屏幕上将会出现暗纹。现暗纹。v由图中可见角度关系由图中可见角度关系1122考虑更大角度考虑更大角度（三个）半波带的划分（三个）半波带的划分v例如顶端光线比底端光线经过例如顶端光线比底端光线经过路程多路程多 3/2v 狭缝底部三分之一的光线会与狭缝底部三分之一的光线会与中间三分之一的光线相差半个中间三分之一的光线相差半个波长，发生干涉相消波长，发生干涉相消(1与与1)。v狭缝顶部三分之一的光线狭缝顶部三分之一的光线(1)仍会到达屏幕，所以会仍会到达屏幕，所以会有一个亮纹出现。有一个亮纹出现。v此处亮纹没有此处亮纹没有=0处亮纹那么处亮纹那么明亮。明亮。111v更大角度下更大角度下（四个）半波带的划分（四个）半波带的划分v该角度下产生一个暗纹该角度下产生一个暗纹依此类推，产生明依此类推，产生明/暗纹的条件暗纹的条件奇数个半波带奇数个半波带偶数个半波带偶数个半波带v最低强度最低强度(强度为零强度为零)都产生在都产生在 v在在m=0处对应一个光强最大值。处对应一个光强最大值。v在光强最小值之间，相对较小的极大强度大约出现在在光强最小值之间，相对较小的极大强度大约出现在单缝衍射强度单缝衍射强度sin注意，中央极大值不仅比注意，中央极大值不仅比其他的极大值要高，而且其他的极大值要高，而且中央条纹中央条纹()还两倍宽还两倍宽于其他的条纹于其他的条纹()例题例题 35-1 单缝衍射最大值单缝衍射最大值波长为波长为750nm的光通过一个宽度为的光通过一个宽度为0.001mm的缝隙。在的缝隙。在20cm处处屏幕上观察，中央亮纹有多宽？屏幕上观察，中央亮纹有多宽？(a)用角度表示。用角度表示。(b)用厘米表示。用厘米表示。分析：分析：中央最大值亮纹的宽度可以用一中央最大值亮纹的宽度可以用一侧最小值暗纹中心到另一侧最小侧最小值暗纹中心到另一侧最小值暗纹中心的距离来表示。值暗纹中心的距离来表示。解答解答：(a)第一个暗纹出现在第一个暗纹出现在所以所以=49。这个角度为中心到第一。这个角度为中心到第一个暗纹处，如右图。所以整个角度个暗纹处，如右图。所以整个角度为它的两倍，即为它的两倍，即98(b)中央最大亮度条纹宽度为中央最大亮度条纹宽度为2x，所以，所以 注意：注意：v光线穿过一个小孔会在一个很大的范围光线穿过一个小孔会在一个很大的范围出现亮斑，但是由于光强分布在一个很出现亮斑，但是由于光强分布在一个很大的区域上，亮度不会很高。大的区域上，亮度不会很高。v在这里由于在这里由于的值很大，所以我们不能的值很大，所以我们不能使用近似使用近似()。练习练习A 在例题在例题35-1中使用的是红光中使用的是红光(波长波长750nm)。如果用。如果用575nm的黄光代替，中央亮条纹会变宽还是变窄？的黄光代替，中央亮条纹会变宽还是变窄？概念性例题概念性例题 35-2：衍射传播：衍射传播 光照射到如图所示的矩形孔，水平光照射到如图所示的矩形孔，水平边比竖直边要宽。边比竖直边要宽。(a)预测衍射图案，在竖直方向宽还预测衍射图案，在竖直方向宽还是水平方向宽？是水平方向宽？(b)如果一个矩形扬声器喇叭安装在如果一个矩形扬声器喇叭安装在体育场，是要高而窄还是宽而扁呢？体育场，是要高而窄还是宽而扁呢？解答：解答：(a)由由可以得出，如果使狭缝可以得出，如果使狭缝(宽度宽度a)变窄，衍射范围更宽。所以矩形变窄，衍射范围更宽。所以矩形孔的衍射在竖直方向将更明显。孔的衍射在竖直方向将更明显。(b)对于一个扬声器，所需的声音传播方向是近似水平，所以喇对于一个扬声器，所需的声音传播方向是近似水平，所以喇叭应该又高又窄。叭应该又高又窄。透镜的分辨率：透镜的分辨率：透镜对距离相近的两个点对象成不相重合像的透镜对距离相近的两个点对象成不相重合像的能力。能力。限制因素：限制因素：（一）透镜像差（不讨论）（二）衍射一）透镜像差（不讨论）（二）衍射v35-435-4孔径大小对光学分辨率的影响孔径大小对光学分辨率的影响左图左图所示为经圆孔的衍射后形成的光强分布。所示为经圆孔的衍射后形成的光强分布。如如果果两两个个点点非非常常接接近近，其其图图像像的的衍衍射射图图案案会会重重叠叠，如如右右图图所所示示。由由于于每每个个人人的的感感官官都都不不同同，所所以以判判别别两两个个点点是是否否分分离离有有着着不不同同的的结结果，那么统一的标准是什么呢？果，那么统一的标准是什么呢？单点单点两点两点