夫琅禾费单缝衍射实验的教学研究.doc

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1、夫琅禾费单缝衍射实验的教学研究摘要：光的衍射现象不仅是光波动性的一个基本特征，而且是近代光谱分析、全息技术、晶体结构分析、光学信息处理等技术的基础。该文阐述了实现夫琅禾费单缝衍射的几种装置；分析并解释了夫琅禾费单缝单缝衍射实验中常见的问题；讨论了夫琅禾费单缝衍射知识的应用。关键词：夫琅禾费衍射；单缝衍射；膨胀系数；杨氏模量；教学研究1引言光的夫琅禾费单缝衍射实验是光学中的基础实验，在教学中常用该实验来验证光的波动性、测量入射光光波波长和测量狭缝的宽度等，通过对夫琅禾费单缝衍射实验的拓展与研究，该实验被用来测量物质的膨

2、胀系数、金属丝的杨氏模量和微小位移等。因此，对夫琅禾费单缝衍射的再研究具有实际意义。该实验具有和理论密切结合、对仪器的调节要求高、实验数据的测量只有在正确调节后才能进行等特点，学生只有在实验前预习，透彻的理解实验项目中的理论知识、实验原理和实验内容，才可以在亲自动手实验时发现问题，探究问题，提高实验效率。然而，实验教材是学生实验前预习的主要材料，实验教材的内容由于受到学时、篇幅、现行的教学方式等因素的限制，实验教材对理论知识、操作技巧和实验分析的阐述比较粗略。该文对实验教材进行了补充，并且对实验中遇到的问题进行了解释

3、，不仅为学生掌握衍射方面的知识和教师教学提供准确的实验参考依据，而且可以培养学生的实验操作能力，分析和探究问题的能力。2夫琅禾费衍射由光源、衍射屏和接收屏组成的系统，按它们相互间距的大小，将衍射分为两大类。一类是光源和接收屏（或两者之一）距离衍射屏有限的为菲涅尔衍射；另一类是光源和接收屏都距离衍射屏为无限远的夫琅和费衍射[1]。3实现夫琅和费单缝衍射的几种实验装置要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源到单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均无限远（或相当于无限远），但是,把光源及接收屏放在离衍射屏无限远在实际上是做不到的。因此，

4、必须采取相应的措施，才能实际形成夫琅禾费衍射。要使光源距狭缝无限远，实际上可以把光源置于第一个透镜的焦平面上，使之成为平行光束；要使观察屏距狭缝无限远，实际上可以再第二个透镜的焦平面上放置观察屏幕。下面介绍下面将介绍三种形成夫琅禾费衍射的装置[2]。3.1“焦面接收”装置把单色点光源放在凸透镜的前焦面上，经透镜后的光束成为平行光垂直照在单缝上，由惠更斯—菲涅耳原理，位于狭缝波阵面上每一点都可看成新的子波波源，它们向各个方向发射球面次波，这些次波经透镜会聚于的后焦面上，把接收屏放在凸透镜的后焦面上，则由几何光学可知、相

5、当于距单缝无限远。图1焦面接受装置Fig.1Focalplanereceivingdevice这种装置，大大的缩短了装置的长度，但是，这种装置对透镜的要求比较高，若只是为了教学上的演示，还是可以看到明显的实验现象[3]。3.2“远场接收”装置在满足一定的条件下，狭缝前后也可以不用透镜、，而获得夫琅禾费衍射图样。设图中单缝的缝宽为,中心为，平面波垂直照在单缝上，为光轴与屏的交点，要实现夫琅禾费衍射则要求狭缝上各点照射到点的光相互平行或具有相同的相位。如果图2中，狭缝照射到点的光可视为平行光，则照射到接收屏上的任何一点的

6、光均可视为平行光。由图2可知，照在点的光线中，和的光程差最大，设它们的相位差，可以略而不计，则狭缝照射在接收屏上的各点的衍射光都可以看成平行光了[4]。图2远场接收装置Fig.2Far-fieldreceiver从图2中可以看出到点的最大光程差所以，其相位差时，即时接收屏和单缝的间距无限远。这种方法简单易行，且得到的图形较大，便于观察，但这种方法要求单缝很窄，接收屏与单缝的距离要远远大于（“远大于”无严格的定义，一般超过1、2个数量级即可[5]）即单缝上的各点（次波源点）满足远场条件。同理，要使单缝前不使用透镜，则光

7、源到狭缝的距离也要远远大于即。式和叫做夫琅禾费衍射的“远场条件”。可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取，入射光是激光，其波长为632.80nm，，所以只要取，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但实验证明，取，结果较为理想。3.3“像面接收”装置如图3，图4所示，当点光源与接收屏之间有一个透镜，使、的位置对透镜而言符合物像面关系，则不论衍射屏在、之间的什么地方，接收屏上都可以接收到衍射屏的夫琅禾费衍射图样，这种装置叫做像面接收装置。(a)(b)图3两种像面接收装置Fig.3Twosurfacereceivers4夫琅

8、禾费衍射图样规律本实验采用的是如图2所示的远场接受装置,S是波长为的单色光源，置于透镜的前焦面上，单色光经透镜后形成一束平行光投射于狭缝为的单缝AB上。狭缝上各点可以看成是新的波源，由新的波源向各个方向发出球面次波。这些次波可以看成很多不同方向的平行光束。当衍射屏距离单缝的距离Z满足,由惠更斯—菲涅尔原理可推出衍射屏上任意一点光强的分布规律为[