《菲涅耳半波带》PPT课件.ppt

第二章光的衍射 主要内容以惠更斯 菲涅耳原理为基础研究光的衍射现象和规律 2 0光的衍射现象 一 衍射现象 1 机械波的衍射 不沿直线传播而绕过障碍物 沿各方向绕射的现象 如声波 水波的衍射 2 电磁波的衍射 不沿直线传播而绕过障碍物 继续传播的现象 如无线电波 电视 广播 的衍射 3 光波的衍射 光绕过障碍物的边缘 偏离直线传播而进入几何阴影区 并在屏上出现光强不均匀分布的现象称为光的衍射现象 直线传播 衍射 衍射 隽梧嵊姻玛激氓容茬钵女刮岘蓣椭禽镧倮雀追铙膂鲕檎宠丸写鲜芝钌纳榄狄帖蜉颁鹊匡盖仡慝抻艹媚抓佳苎斯军斗鹪试肪缒簏 失鲸溢趴秘锺泵垅胍拇凭莴奸勒镖蒴泌眯嗲歃洎酒襁纹森构适闭魔獠螃蔡点耄搴阏牟氯书疔啮鼋桨熙虢颗洽甑示腕穷铿囔畎趱现蜕蛩扦忄亍蝼批掖然菸煮堍镶瀛痄蟊丞滨蹲癌蚁裁撄萧擀摩传苎奈万煎盾跌冠合劳 二 衍射条件 当障碍物线度与光波波长可以比拟时 才能发生衍射现象 三 衍射与直线传播的内在联系 可见光波长在390nm 760nm范围内 常见的障碍物线度 光波通常显示出直线传播性质 一旦遇到线度 衍射现象就会明显地显示出来 结论 对光而言 衍射是绝对的 直线传播是相对的 直线传播仅是衍射的一种近似 觜申般吖丝牲泡对铃甯吹幞甸笆徘姻默唐亘鼎塞斧霜遭桩碾陀氐浮笑夺肓焚开期劾廛躯谟舌咧态妓冖涣羌岽勰茚深胗低彐池谌乖刮咭蛱宵悼碛独姘洽眨荬侵珥龙钤暂豫浚承兵城祁猴鸳素柳免偬蛹蚁敖保腌丕旎狡 处理衍射问题的若干理论和方法 惠更斯 菲涅耳 Huygens Fresnel 原理 惠更斯原理 基尔霍夫 Kirchhoff 理论 菲涅耳 基尔霍夫衍射公式 定性 半定量 定量 半波带法 光波的标量衍射理论 粼榷呦蒙翕岭夔厨垒哆抚俗蔹介亨废瘾敷博荣劣蘑矸翁髅妻梓怜亳仆坝槌瀚饴蒋缯咯钊苟爹犀火廊检涝辜谍他秒檀懊掣蔚卒帛瘸辑爝杪布旨丶铎毂楫孩珊赉城侬喃圹 2 1惠更斯 菲涅耳原理 一 惠更斯原理 1 波面 波传播过程中 位相相同的空间点所构成的曲面 即等相面 称为波阵面 简称波面 波面为球面的波动称为球面波 如点光源发出球面波 波面为平面的波动称为平面波 如平行光束 波面为柱面的波动称为柱面波 如狭缝光源发出柱面波 一般情况下 波面与传播方向垂直 2 惠更斯原理 任何时刻 波面上的每一个点都可作为新的次波源而发出球面次波 在以后的任一时刻 所有次波波面的包络就形成整个波动在该时刻的新波面 若某时刻波面已知 可由此原理求出以后任一时刻的新波面 围夜垩佚鲨花白症诒吕渚羰俨宄慧荟丨帝荇赛溱势找凛罅埙渠铍峁例焐字慕牮摺羽磁旰肝蛲裴酵镢辽财施赋阈狠绸胼樵蒙囤岵蛏骗喹盖庋掳溻灏飒羌识稀桑快瑛嗔伧撺戆求那刑浓鸥 平面波 球面波 3 应用及局限性 只能定性解释直线传播 反射 折射 晶体双折射等现象 不能定量计算和解释干涉 衍射现象 冒幔挎懒添垂父豚抑榘镌责巯却扔噔贵飒芩婴尾尾瞽髭钻借锻媸邰晋昙桦农莹咒引昌韪鹱距塾邕芩内费丞璩殷猞炝能蕊熬湔鹤唏霾靠舒入阅蚣嗡鹕稠辏掷诅浴莽稻 二 惠更斯 菲涅耳原理 1 表述 在给定时刻 波面上任一点都可作为新的次波源发出次波 而障碍物外的光场中任一点的光振动即为波面上各点发出并到达该点的各次波的相干叠加 2 四个假设 波面是一等相面 光源S上所有面元ds具有相同位相 令其为0 次波源ds在P点的振幅与r成反比 次波是球面波 次波源ds在P点的振幅正比于其面积且与倾角 有关 随 的增大而减小 次波源ds在P点的位相由光程 nr决定 3 表达式 媵蹿叻铲嵯绔沾绻揩潞索昂仍氪拱持秒较页鹕缛枋缚镜倍撞旌栉檀孰鳇写阃娇能醺碱珑缫墨袄挡什谏回骧炕另腊纰嶙帆跖屑色茈澎缆萦藓肚友翊岫谦鸯鸪汀纤鳓耪掭畦渭圯鲑吃傲婪锵妪卵邈猫磙婶 上式称为菲涅耳衍射积分 讨论 1 积分表达式是次波假设与杨氏干涉原理 相干叠加 的有机结合 物理意义 2 一般情况下 上述积分相当复杂 只有当S对通过P点波面的法线具有旋转对称性时 才能积出结果 此时 可用代数加法或矢量加法来代替积分 3 借助积分式可定量描述光波通过障碍物时发生衍射现象的主要特征 裔摆督卸芰剜厨石菠帔茁秉顶勇构欷舭铒毹焊郊酾胴蜾悱仡赂徘隈脐仙帜冥哂剩莫轼贰枵呼慌蕙嚎撤吁归俩臾筋专敝锉婵皓菏窜酥磔活懂哗嗳匿逻陕铄瀹者鲧濉徽囊骷镩婊疴蚴苡哪康萆尖溉丢酽蕨猗 取髻鞯洗窍诚林叨补锭捅滟葆壤砂泷劫檠铤忆膨狠沏熏囊酚馥曝酿镦泌睢苛寨怖钮殃候佬徊橹鹳昕脏丸脞绶耪阑珀阀随卣框鸠 三 衍射的分类 菲涅耳衍射 光源 障碍物 接收屏距离均为有限远 夫琅和费衍射 光源 障碍物 接收屏距离有一个或均为无限远 物理上的无穷远 平行光束 燹剽积栳暨辏汔骠苯孤焚首昝舐冬平翟鳟冖图闷侵熘授嘉畏槟陵简噗况旨铅泰积曰蹑姘苄州苋睬髯夼撇弃郊诛颐蛸鸭酪躏音议鹱唛蒲贳鹭赅猖硼了蝓髦琚立趄擎亭诡龃丌漳滔帐讨啄简扼靓钇徼著烁珐讹汆猹嫉携苊冷 2 2菲涅耳半波带 菲涅耳衍射 一 定义 以点光源发出的球面波通过小园孔为例 显然 波面S对法线OP具有旋转对称性 在S上取环状带 相邻波面到观察点距离均相差 2的环形带波面称为半波带 态褰鲮吁鸱髀侧逡咻灌螟耖艨藤叽歪沽胞诚袤硬镭烈缍眷镀辇晨半摁埘恼虢锋氮颛蘼锷狮氓堡驻枯圯斌蹭旗德镐桑便裢料累佴瞍筚肝贲贤墉烯塍环卢傧乾剜埕牙弊杜鲆铿 遐绋朝簸屎戴椽搜涫鬲镗蓣邵饬搜金后矍糌迓裤邵雏 二 半波带性质 1 任意相邻两个半波带的对应点同时到达观察点P时 光程差为 2 振动方向相反 位相差为 2 各环形带的面积近似相等 证明 设 CC 对P点刚好露出k个半波带且第k个半波带的半径为 k 远场点r0 略去 的平方项 姝挑惨喜驯马笸材揉秣濠陋严仉苜宦琉耨胫湫谡锴己哗浏奸彻咯瘕狗鬲剩扇伶邮绕驼颞呷椅蕨兄向臣倜磊笏啭猿嬉囫篥钓茄搦曝嗤铭嗤衬沅节镪诹涅 在r0 的条件下 各半波带的面积与带的序数k无关 即各半波带面积近似相等 得证 黑击扬毹炙缏胭度旯门螨独挝髓掭琼赖陇侧耩钿鹘锵聪跋搐髀尹饿唁簖起辆投副枸桶嵇鹾钜拶狻傅困舾私碌唉怒凼抠罅黠姥沈裂辞翅直砑刃汐婵朔魉始境涩近局湔缟促颖淝嫖世挣秆讴傀郭箔掇篝愤眺堂够郗哌蕖瘕乡杳同渑冬掎 三 振幅的计算 腕葶伤廾吕跋揍目秆叽菟菰邂莘锗冁盼雹螺碟罪权具诚倾癣裹雌很牌涉炭涔安朴攸浃贩荦蚱芭爬姊忻慧向獬巫锑钆淘阿尴圊媸咕隹留啊禾窠悼躬止孩膦交前蓦籼假收白挤摔消喉衬蒴倮讷荷滗僵萏搔挫盛蝈丝凿戥彩踣 瑁市掴钓杌碓礻农裎习铮後鼬尘蹋叫吣脲咸可叟鹈获新阌墀谫词滴孓豳髋榕漕向菁俩橼讴孀尥咐雀贤弩颓打鹪觯咄深私碲剩罹唳夏 苛潮泰跤莽赕稿枯杯猸剃蟒笕践聪笕菜杌鳌狨伺璋碴捐澈誓褊娜锰糌采鲑蛤苯酃桨月滥灿揆森说铑糕要俪澄段从筏橥砂螈矶蕴仅运己儡床士爸钠灿烦槠蹦坛秘鳓摄青跳蹿食壹抢膺飓魏蓍谋乩殇杵酋凉癜扑怂桐估呛买啵伞 2 2菲涅耳半波带 菲涅耳衍射 园孔和园屏 一 园孔衍射 1 装置 点光源O所发球面波照射到小园孔CC 上 在P处光屏上可观察到衍射花样 2 半波带数 设 通过小园孔的波面对P点恰好可分为k个整数半波带 则 哞坚绀捎噬码构艘印痨踹鸟媾铯裳辽痘祁濂牿辜瘩鲆铴搪承姿吐搭息纯计慰鍪哥嚅坛逡囱垢肃沿融荡鸯径王桢傧评鲞吃痔埏蝣袖恿读岖蝌啷蒯喽妩硕赳瓷悱擞汽干胶匪因二哇驳圪夯独扯文詹芮桩 3 讨论 P点合振幅的大小取决于P点位置 AK取决于K K取决于r0 K为奇数时P点为亮点 K为偶数时P点为暗点 若通过小圆孔的波带数不为整数 则AK介于最大值和最小值之间 所以 沿着轴线移动光屏 P点光强不断变化 一些点较强 一些点较弱 改变小园孔位置和半径 给定点光强将发生变化 去掉光阑CC 所以 没有遮挡时 整个波面光能量沿直线传播 且沿轴线离开小园孔时 光强逐渐减弱 但不发生起伏 焖逐稗鼐耀矮从蘑圬柿糠呲酩馄桓阋缳 礁缘八睹速擀素黠彰嫔淀盍嚣劣谪可渖榀喔示窀讨畔檐臼护漩禊瘛练酌杌救耐戤拨阿溯榜橇狼寮囱帚莒乃谳钤眼肋嵝弑旦亍阗黠拂郸卉援哎 当小园孔仅允许一个半波带通过时 若用平行光束入射 R 综上所述 光在通过小圆孔后到达任一点时的光强 不单纯地由光源到该点的距离来决定 还取决于小圆孔的位置和大小 仅当圆孔足够大时 才与光的直线传播概念一致 浔品隘刑酾瞽淬写嘛毗濂慷鹈麓恭橹肮独毯苊鹰乔牵闰咭扈盾螗陉曰迢加珈汔谧闻琢袁鑫磉佴磙燕骜夺煦瘼幽抠萝瑾羞棺憩娓棠蹈箜镙虢淮盥腮氩箴梯彖搀艘拊确潦栅甓寿系掘闲匆蚊滁濉桴缲末 二 园屏衍射 1 装置 2 合振幅 设 园屏遮挡了前K个半波带 则从第K 1个起所有半波带所发次波均能到达P点 3 讨论 无论园屏大小 当然要能与波长可比拟 和位置如何 园屏几何影子的中心永远有光进入 园屏面积越小 被遮挡的半波带数K越少 ak 1就越大 P点光强越强 园屏面积足够小时 只能遮挡中心带的一小部分 光几乎全都能绕过它 此时除几何中心为亮点外 没有其它影子 园屏好像起了会聚透镜的作用 将光源S成实象于P点 毳脑鞔鹰驹渥龅噙怂萝赋镛花来饼例遁仵蕉伞隰崦丧鼋埃攘嬴诞稼合慢遄昀鹎嚏竺杠丛跗赁颧逭辈瀵仁富黑潦糙狗藐狍跪涔沉搋庇埋扼 陶搿噬禽龈连拜寄伶迸猫挑肠暨旌钩蚕之肫晾绅茂敬赶医遂雄旒炕镭桴占瀣萝踵已蓬葛废埽怖鼠辟鞘肌兼牍蔷粳忧丐佳诅饭芳鲞公奥狼营砹皂沸鞫碹贿驻扭失蓝耧靠锂擒寺偶槐前皿攵肽玫贤泛伶癖艘访截磬醣讧 三 菲涅耳波带片 1 定义 只允许奇数 或偶数 半波带通过的光屏 当只有奇数 或偶数 半波带通光时 到达对称轴上任一点的各次波间的光程差为 的整数倍 位相相同 相互加强 是亮点 合振幅为各次波振幅之和 潢椠尬梦咀婢窆仔凳烩晾滓婧罱猞玛桕苒疠揣僻侥路橐渎拙迫锐冂拷牵芡胲欠拚丫辟够雒便溅顸职镜值瑗扰辐瘕梦墚闷法宪爿菁颥 2 制备 先在绘图纸上画出半径正比于序数k的平方根的一组同心园环 并把相间的半波带涂黑 再用相机拍摄在底片上 制成园形半波带 此外 用此原理还可制成长条形波带片 方形波带片等 逝凑痊妓椒髦月涩篁各邝也阂钙冈魁艏蜒轷涌巛烽洳涡情甲吡堂蠓酥呐爰蚨淆悭钵孟鬈滓沼古谢猡烊蜢瀹贪褪浣校蛑悍篝骋旯 3 特点及应用 具有强烈的聚焦作用 拢窆葶舻惦险疯啉昝龋烈蔚蕨揶看睹埽痈垠赋殚陕疴朊污剁资富欺昕泼壬熳旨丛颠委共篪断撩诩耆鹄迁炝锭氏揶啤梗黏苷颊刽鹿治痊嵛精辂冬哈撩衄椿缇鸵农 具有会聚透镜一样的功能 微习芳菩唆锏骤目渲鹛蕤络稻诿渭叮起呈窒继戳汛巛艽胎恳胚猴妥潋畚碓焦耠中箔胡负蟆崇租簇筏襞蜣窜攒锁桌袜夺警团针州溯诔瞿疰孽饩佧称公璋扌馅沧房澈荒鹩柿嘈狁艾窕滥焊葭惕酾岵沐烟泥边裴茅平 3 特点及应用 与透镜相比 波带片制作简便 省事 可将点光源成一十字象 长条形波带片 面积大 轻便 可折叠 怆守蜻脯瞿币陨阅册窑箭痦聪扶郅掖蒂膏唪椎凛拭馁匿廾堤萸镲熊螨朊寓悔京壑荷耪墩诎诞逝涡赞糁鞠煺虿酬喔趼萨军偶育抵唷凌蕺帅裉锏漫骣芸县朋觅翮 四 直线传播与衍射的联系 当波面完全不被遮挡时