物理实验论文-2

[键入公司名称]棱镜折射与光栅衍射的区别与联系电子信息工程学院2011年10月28日[在此处键入文档摘要。摘要通常为文档内容的简短概括。在此处键入文档摘要。摘要通常为文档内容的简短概括。]

棱镜折射与光栅衍射的区别与联系摘要：棱镜折射与光栅衍射都是物理学中常见的两个光学现象，是研究光学的基础。从本质上区分，前者属于折射，后者是单缝衍射与多缝干涉的叠加，而衍射又是一种折射现象；从光学器件上认知，棱镜与光栅都是应用广泛的光谱仪器；从原理上比较，棱镜的折射原理即光的折射定律，衍射光栅是基于夫琅禾费多缝衍射效应工作的；从光谱的角度来分析，二者都能将复色光分解为单色光，光栅光谱依据夫琅禾费多缝衍射d(sinα+sinβ)=kλ(k=0，士1，士2,...)，棱镜光谱根据不同波长的光在玻璃中的折射率不同产生色散。关键词：折射定律夫琅禾费多缝衍射效应惠更斯原理光的色散光谱棱镜和光栅是都重要的光学元件，棱镜折射与光栅衍射的研究一直是人们所感兴趣的重要课题，其相关原理和运用是深入研究光学的必备知识。掌握好棱镜折射与光栅衍射的基础知识，明确二者之间的区别与联系，有助于我们更加深入的探索神秘多彩的光学世界。在为期三周的光学衍射专题试验中，我通过自主学习、查阅资料、实验操作的过程，对棱镜折射与光栅衍射有了更加深刻的认识，下面我从本质现象、光学器件、基本原理、色散光谱这四个方面阐述棱镜折射与光栅衍射的区别与联系。棱镜折射属于折射现象。光从一种透明介质（如空气）斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。折射，又名屈折，指光从一种介质进入另一种介质，或者在同一种介质中折射率不同的部分运行时，由于波速的差异，使光的运行方向改变的现象。折射率取决于光在介质中的速率，间接取决于光的频率。光的频率越大，波长越小，在介质中的衰减的速率越大，在介质中的速率越小，折射率就越大。光折射时,折射光线，入射光线,法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。光栅衍射是单缝衍射与多缝干涉的叠加，衍射强度是单缝衍射与多缝干涉强度的乘积。光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。衍射分为两种，菲涅尔衍射和夫琅和费衍射：光源和观察点距障碍物为有限远的衍射称为菲涅尔衍射；光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的衍射为夫琅和费衍射，其中又包括单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑。二者在本质上也有密切的联系，因为衍射现象是一种折射现象，折射属于直射的范畴。根据衍射的定义，光在传播路径中，遇到障碍物或者小孔（窄缝），产生的偏离直线传播的现象称为光的衍射，即衍射作用发生在狭缝（小孔）里，光不经过障碍物或者小孔的时候，不发生衍射。衍射现象中，光只偏折一次，而不是偏折很多次。偏折很多次才能形成波，偏折一次不能形成波。这一次偏折，使直线运动轨迹变成了折线，而没有变成波线，所以，光经过小孔和狭缝，发生的是一次“折射”，不是发生了“波射”。既然衍射现象也是光线发生‘偏折’的现象，也应该称为折射。这样，折射现象就有两种情况：一种是光经过物质内部发生的偏折，一种是光经过物质表面（内表面或者外表面）发生的偏折，光子经过物质内部和内表面，都有折射现象发生。二．两种光学器件的简介——棱镜与光栅棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体一种，是由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，用以分光或使光束发生色散。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分为反射和透射两大类。它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，再经成像镜聚焦而形成光谱。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，以衍射光栅为原理的太阳摄谱仪角色散高而且随波长的变化小，所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，以衍射光栅为原理的太阳摄谱仪角色散高而且随波长的变化小，所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。三．原理的比较棱镜的折射原理即光的折射定律：入射角的正弦正比于折射角的正弦，比例系数为折射率。不同频率的光光对于同一介质的折射率不同，所以一束光进入三棱镜后，发生偏转角度不同的折射，所以原本一个方向前进的光束就会被分解成按偏转角度顺序排列的光带了。衍射光栅是基于夫琅禾费多缝衍射效应工作的。波在传播时，波阵面上的每个点都可以被认为是一个单独的次波源；这些次波源再发出球面次波，则以后某一时刻的波阵面，就是该时刻这些球面次波的包迹面（惠更斯原理）。一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，狭缝之间的间距为d，称为光栅常数。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次波源的角色；从这些次波源发出的光线沿所有方向传播（即球面波）。由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光相干叠加而成的。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光的在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。然而，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。以公式来描述，当衍射角θm满足关系dsinθm/λ=|m|时发生干涉加强现象，这里d为狭缝间距，即光栅常数，m是一个整数，取值为0，±1，±2，……。这种干涉加强点称为衍射极大。因此，衍射光将在衍射角为θm时取得极大，即：上式即为光栅方程。当平面波以入射角θi入射时，光栅方程为：四．光栅光谱和棱镜光谱的异同让一束白光射到玻璃棱镜上，光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一端是紫色，中间依次是橙、黄、绿、蓝、靛，这样的光带就是棱镜光谱。如果入射光为一束复色光垂直入射，经光栅后，在k=0处，各色光迭加在一起呈原色，称中央明条纹。在中央明条纹的两侧，且为同一级次k的光按短波长向长波长散开而形成彩色谱线称为该入射光光栅衍射谱线。如果已知光栅常数d,用分光计测出第k级谱线中某一明条纹的衍射角φk，可计算出该明条纹所对应的单色光的波长。相同之处：(1)它们都是光的色散元件，将复色光分解为单色光。(2)在衍射角大时都为非正比光谱排列。不同之处：光栅光谱和棱镜光谱采用不同的分光器件——衍射光栅和三棱镜得到的。光栅光谱依据光栅方程d(sinα+sinβ)=kλ(k=0，士1，士2,...)；棱镜光谱根据不同波长的光在玻璃中的折射率不同产生色散。光栅光谱有一系列的级次，每一级次都有正负两套光谱，零级光谱因波长重合而不能分光；而棱镜光谱只有一套零级光谱，相对强度大。低级次的光栅光谱波长与衍射角近似有正比关系，称为匀排光谱；而棱镜光谱的波长与角度为非线性关系，不是匀排光谱。在光栅光谱中，对于同一衍射级次k,波长越大衍射角也越大，即红光偏转最大；在棱