1、光的夫瑯和費(fèi)單縫衍射,課程:大學(xué)物理,所屬范圍:波動(dòng)光學(xué),講授:徐春龍,所屬單位:基礎(chǔ)課部,祝長(zhǎng)安大學(xué)講課競(jìng)賽圓滿成功,一、衍射（Diffraction）,衍射是具有波動(dòng)性的物質(zhì)的共性，也是物質(zhì)是否具有 波動(dòng)性的有力證據(jù)之一。 指波在傳播過程中，如果遇到了障礙物，波的傳播 受到了限制時(shí)，能夠偏離原來的直線傳播方向，而進(jìn)入幾 何陰影區(qū)傳播的現(xiàn)象。,生活中有關(guān)衍射現(xiàn)象有：水波的衍射、聲波的衍射、電磁波的衍射等、當(dāng)然也包括光的衍射現(xiàn)象。,衍射現(xiàn)象常被我們忽略的原因是：衍射現(xiàn)象只有在障 礙物的幾何尺度與傳播波的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)才比較明顯。,二、關(guān)于光的衍射,1.光的認(rèn)識(shí)過程經(jīng)歷了大致四個(gè)階段,幾何光學(xué)時(shí)期:

2、對(duì)光的認(rèn)識(shí)僅限于光的直線傳播 如：小孔成像等.,粒子光學(xué)時(shí)期：光的本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的彈性小微粒 以牛頓為代表，可以解釋光的反射現(xiàn)象等,波動(dòng)光學(xué)時(shí)期：光的本質(zhì)是波，光具有波的特性。 比如：干涉、衍射、偏振現(xiàn)象等.,光的波-粒二象性：近代物理的研究結(jié)果，將光的 認(rèn)識(shí)提高到更高的層次。,2.光的衍射現(xiàn)象,當(dāng)光在傳播過程中，遇到了障礙物，限制了光的傳播，光就會(huì)進(jìn)入幾何陰影區(qū)傳播的現(xiàn)象。 生活中的現(xiàn)象：樹蔭中的太陽透射光的光斑、夜晚看遠(yuǎn)處的燈光等等。,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證：將兩支鉛筆平行緊靠在一起，透過小縫 看燈光，看到的現(xiàn)象。,熒光燈衍射現(xiàn)象,光的衍射實(shí)驗(yàn),3.光的衍射現(xiàn)象的分類,a.按照障礙物的形狀分：例如圓孔衍

3、射、單縫衍射、 直邊衍射、細(xì)絲衍射等,(剃須刀邊緣衍射直邊衍射),b. 按照光源與障礙物的距離及障礙物與觀察屏的距離分為： 夫瑯和費(fèi)衍射：兩個(gè)距離均為無限遠(yuǎn)。（遠(yuǎn)場(chǎng)衍射） 菲涅耳衍射：兩個(gè)距離之一或兩個(gè)距離均為有限遠(yuǎn)。 （近場(chǎng)衍射）,c.夫瑯和費(fèi)衍射和費(fèi)涅耳衍射的研究比較： 夫瑯和費(fèi)衍射研究相對(duì)簡(jiǎn)單，而菲涅耳衍射較為復(fù) 雜，現(xiàn)在研究夫瑯和費(fèi)單縫衍射。,光源 衍射屏 觀察屏,三、夫瑯和費(fèi)單縫衍射裝置及現(xiàn)象：,1.實(shí)驗(yàn)裝置（1）單一小狹縫。 （2）滿足夫瑯和費(fèi)條件。,*,2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：,flash演示,現(xiàn)象:（1）衍射條紋成明暗相間對(duì)稱分布。 （2）中間條紋又亮又寬，其余條紋從中間向兩邊，亮度減小

4、。 （3）衍射條紋與入射光波長(zhǎng)、單縫寬度有關(guān)。,四、理論分析,為什么會(huì)形成明暗相間的條紋？,1、選取狹縫的任意垂直截面來研究,P,Q,在不同衍射方向上,衍射光線為一組平行光線,經(jīng)過匯聚透鏡聚焦在觀察屏上一點(diǎn)，對(duì)應(yīng)觀察到的一條條紋。,衍射條紋和衍射角一一對(duì)應(yīng)，每一條衍射條紋由一系列平行光線匯聚而成。,惠更斯原理,2、在任意衍射方向，一組平行光線的疊加聚焦,半波帶,半波帶,|2,|2,a,a,如果衍射角滿足,在這個(gè)方向上,衍射光線匯聚疊加形成暗條紋。,|2,|2,|2,如果衍射角滿足,當(dāng)衍射角滿足上面關(guān)系時(shí)，狹縫被分為3個(gè)半波帶。其中兩個(gè)發(fā)出的衍射光線“抵消”了，只剩一個(gè)半波帶透光，所以匯聚后呈現(xiàn)

5、亮條紋，但是，透光面積減少，條紋亮度比中央亮紋減弱。,當(dāng)衍射角滿足,當(dāng)衍射角滿足上面關(guān)系時(shí)，狹縫被分為4個(gè)半波帶。半波帶發(fā)出的衍射光線兩兩“抵消”了，所以匯聚后呈現(xiàn)暗條紋。,3、小結(jié)：,暗紋條件,明紋條件,當(dāng)單縫被分成奇數(shù)個(gè)半波帶，透光面積為k分之一，衍射光線匯聚后形成明條紋，該位置為明條紋最亮處。,當(dāng)單縫被分成偶數(shù)個(gè)半波帶，衍射光線全部“抵消”，對(duì)應(yīng)觀察屏上暗條紋最暗處。,4、討論,a:如果衍射角既不滿足明紋條件，也不滿足暗紋條件，怎樣解釋？,對(duì)應(yīng)中央明條紋,c、明條紋的角寬度與線寬度,衍射屏,透鏡,觀測(cè)屏,中央明紋 角寬度,線寬度,角寬度,相鄰兩暗紋中心對(duì)應(yīng)的衍射角之差,線寬度,觀察屏上相

6、鄰兩暗紋中心的間距,第k 級(jí)明紋 角寬度,請(qǐng)大家考慮自己寫出明紋線寬度,d、單縫寬度對(duì)衍射效果的影響,(1),波長(zhǎng)越長(zhǎng)，縫寬越小,條紋寬度越寬。,波動(dòng)光學(xué)退化到幾何光學(xué)。,觀察屏上不出現(xiàn)暗紋。,(2),(3),不同波長(zhǎng)入射光在同一裝置上的衍射圖,熒光燈衍射現(xiàn)象,e、復(fù)色光對(duì)衍射效果的影響,五、單縫衍射生活中的應(yīng)用,光柵、,光柵的應(yīng)用：光譜分析、激光防偽、,六、夫瑯和費(fèi)和菲涅耳,夫瑯和費(fèi)（Fraunhofer）：德國(guó)物理學(xué)家，1787-1826，1799年在慕尼黑當(dāng)磨制透鏡的學(xué)徒，后在光學(xué)研究所工作，1818年任該所所長(zhǎng)。1814-1815年改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)并測(cè)量了太陽光譜中的576條黑線，現(xiàn)稱

7、為夫瑯和費(fèi)線。研究了光的衍射現(xiàn)象，發(fā)明了光柵測(cè)波長(zhǎng)的方法。,菲涅耳（Augustin.Jean.Fresnel）:法國(guó)物理學(xué)家,1788-1827,求學(xué)于巴黎綜合工科學(xué)校和土木工程學(xué)校，法蘭西科學(xué)院院士。1814年開始研究光學(xué)，主要貢獻(xiàn)是對(duì)光的本性的研究，對(duì)光的干涉和衍射現(xiàn)象作了各種精密實(shí)驗(yàn)，繼托馬斯.楊之后再次證明了光的波動(dòng)性，發(fā)展了Huygens原理，初步建立了有關(guān)的數(shù)學(xué)理論來解釋光的衍射的規(guī)律性，在光的偏振方面也有研究，著有光的衍射一書。,求,對(duì)于暗紋有,則,如圖示，設(shè)有一波長(zhǎng)為 的單色平面波沿著與縫平面的法線成 角的方向入射到寬為 a 的單縫 AB 上。,解,在狹縫兩個(gè)邊緣處，衍射角為

8、 的兩光的光程差為,例,寫出各級(jí)暗條紋對(duì)應(yīng)的衍射角 所滿足的條件。,課堂總結(jié)：,這節(jié)課學(xué)習(xí)了光的衍射現(xiàn)象中的夫瑯和費(fèi)單縫衍射。通過學(xué)習(xí)，進(jìn)一步了解了光的波動(dòng)性，掌握了夫瑯和單縫衍射的規(guī)律，學(xué)習(xí)了一種定性半定量的半波帶分析方法，對(duì)以后分析各種衍射現(xiàn)象打下了基礎(chǔ)，也為處理類似問題提供了思路。,本人介紹：,徐春龍，基礎(chǔ)課部物理教研室教師，講師。陜西師范大學(xué)物理系物理教育本科，陜西師范大學(xué)物理與信息技術(shù)學(xué)院功率超聲碩士專業(yè)研究生。 一直從事教學(xué)工作，講授的課程有:大學(xué)物理、?？莆锢怼⑽锢韺?shí)驗(yàn)、電器照明等本、?？?、函授、成教、培訓(xùn)課程，發(fā)表文章6篇。,歡迎在網(wǎng)頁制作方面感興趣的老師同學(xué)與我交流,近兩年來，主要精力在計(jì)算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)頁、網(wǎng)絡(luò)方面，開設(shè)了網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁制作兩門公共選修課，編寫了公選課教材，參加選修的學(xué)生有1000余人,制作并維護(hù)基礎(chǔ)課部的校園網(wǎng)站。,感謝各位評(píng)委、老師和同學(xué)！,謝謝大家！,本節(jié)課的內(nèi)容將全部上傳到我的個(gè)人網(wǎng)站上，有興趣的老師、同學(xué)可以去下載。 大家也可以登陸我的BBS，對(duì)這次課發(fā)表意見或建議! ,(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射),2. 夫瑯和費(fèi)衍射,(近場(chǎng)衍