光的夫琅和费单缝衍射

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1、光的夫琅和费单缝衍射课程:大学物理所属范围:波动光学讲授:徐春龙所属单位:基础课部祝长安大学讲课竞赛圆满成功一、衍射（Diffraction）衍射是具有波动性的物质的共性，也是物质是否具有波动性的有力证据之一。指波在传播过程中，如果遇到了障碍物，波的传播受到了限制时，能够偏离原来的直线传播方向，而进入几何阴影区传播的现象。生活中有关衍射现象有：水波的衍射、声波的衍射、电磁波的衍射等、当然也包括光的衍射现象。衍射现象常被我们忽略的原因是：衍射现象只有在障碍物的几何尺度与传播波的波长相当时才比较明显。二、关于光的衍射1.光的认识过程经历了大致四个阶段几何光学时期:对光的认识仅限于光的直线传

2、播如：小孔成像等.粒子光学时期：光的本质是高速运动的弹性小微粒以牛顿为代表，可以解释光的反射现象等波动光学时期：光的本质是波，光具有波的特性。比如：干涉、衍射、偏振现象等.光的波----粒二象性：近代物理的研究结果，将光的认识提高到更高的层次。2.光的衍射现象当光在传播过程中，遇到了障碍物，限制了光的传播，光就会进入几何阴影区传播的现象。生活中的现象：树荫中的太阳透射光的光斑、夜晚看远处的灯光等等。现场验证：将两支铅笔平行紧靠在一起，透过小缝看灯光，看到的现象。荧光灯衍射现象光的衍射实验3.光的衍射现象的分类a.按照障碍物的形状分：例如圆孔衍射、单缝衍射、直边衍射、细丝衍射等(剃须刀边

3、缘衍射——直边衍射)b.按照光源与障碍物的距离及障碍物与观察屏的距离分为：夫琅和费衍射：两个距离均为无限远。（远场衍射）菲涅耳衍射：两个距离之一或两个距离均为有限远。（近场衍射）c.夫琅和费衍射和费涅耳衍射的研究比较：夫琅和费衍射研究相对简单，而菲涅耳衍射较为复杂，现在研究夫琅和费单缝衍射。光源衍射屏观察屏三、夫琅和费单缝衍射装置及现象：1.实验装置（1）单一小狭缝。（2）满足夫琅和费条件。·*2.实验现象：flash演示现象:（1）衍射条纹成明暗相间对称分布。（2）中间条纹又亮又宽，其余条纹从中间向两边，亮度减小。（3）衍射条纹与入射光波长、单缝宽度有关。四、理论分析为什么会形成明暗

4、相间的条纹？1、选取狭缝的任意垂直截面来研究PQ在不同衍射方向上,衍射光线为一组平行光线,经过汇聚透镜聚焦在观察屏上一点，对应观察到的一条条纹。衍射条纹和衍射角一一对应，每一条衍射条纹由一系列平行光线汇聚而成。惠更斯原理2、在任意衍射方向，一组平行光线的叠加聚焦半波带半波带λ

5、2λ

6、2aa’如果衍射角满足在这个方向上,衍射光线汇聚叠加形成暗条纹。λ

7、2λ

8、2λ

9、2如果衍射角满足当衍射角满足上面关系时，狭缝被分为3个半波带。其中两个发出的衍射光线“抵消”了，只剩一个半波带透光，所以汇聚后呈现亮条纹，但是，透光面积减少，条纹亮度比中央亮纹减弱。λ

10、2λ

11、2λ

12、2λ

13、2当衍射角满足当衍射角满

14、足上面关系时，狭缝被分为4个半波带。半波带发出的衍射光线两两“抵消”了，所以汇聚后呈现暗条纹。3、小结：暗纹条件明纹条件当单缝被分成奇数个半波带，透光面积为k分之一，衍射光线汇聚后形成明条纹，该位置为明条纹最亮处。当单缝被分成偶数个半波带，衍射光线全部“抵消”，对应观察屏上暗条纹最暗处。4、讨论a:如果衍射角既不满足明纹条件，也不满足暗纹条件，怎样解释？λ

15、2λ

16、2λ

17、2b:衍射角时不符合衍射公式,如何解释?对应中央明条纹c、明条纹的角宽度与线宽度衍射屏透镜观测屏中央明纹角宽度线宽度角宽度相邻两暗纹中心对应的衍射角之差线宽度观察屏上相邻两暗纹中心的间距第k级明纹角宽度请大家考虑自己写出

18、明纹线宽度d、单缝宽度对衍射效果的影响(1)波长越长，缝宽越小,条纹宽度越宽。波动光学退化到几何光学。观察屏上不出现暗纹。(2)(3)不同波长入射光在同一装置上的衍射图荧光灯衍射现象e、复色光对衍射效果的影响五、单缝衍射生活中的应用光栅、光栅的应用：光谱分析、激光防伪、六、夫琅和费和菲涅耳夫琅和费（Fraunhofer）：德国物理学家，1787-1826，1799年在慕尼黑当磨制透镜的学徒，后在光学研究所工作，1818年任该所所长。1814-1815年改进望远镜，发现并测量了太阳光谱中的576条黑线，现称为夫琅和费线。研究了光的衍射现象，发明了光栅测波长的方法。菲涅耳（Augustin

19、.Jean.Fresnel）:法国物理学家,1788-1827,求学于巴黎综合工科学校和土木工程学校，法兰西科学院院士。1814年开始研究光学，主要贡献是对光的本性的研究，对光的干涉和衍射现象作了各种精密实验，继托马斯.杨之后再次证明了光的波动性，发展了Huygens原理，初步建立了有关的数学理论来解释光的衍射的规律性，在光的偏振方面也有研究，著有《光的衍射》一书。求对于暗纹有则如图示，设有一波长为的单色平面波沿着与缝平面的法线成角的方向入