光的夫琅和费单缝衍射.ppt

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:

2、对光的认识仅限于光的直线传播 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

3、射、单缝衍射、 直边衍射、细丝衍射等,(剃须刀边缘衍射直边衍射),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

4、。 （3）衍射条纹与入射光波长、单缝宽度有关。,四、理论分析,为什么会形成明暗相间的条纹？,1、选取狭缝的任意垂直截面来研究,P,Q,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,|2,|2,a,a,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。,|2,|2,|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

5、亮条纹，但是，透光面积减少，条纹亮度比中央亮纹减弱。,当衍射角满足,当衍射角满足上面关系时，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？,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

6、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

7、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.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 角的方向入射到宽为 a 的单缝 AB 上。,解,在狭缝两个边缘处，衍射角为

8、 的两光的光程差为,例,写出各级暗条纹对应的衍射角 所满足的条件。,课堂总结：,这节课学习了光的衍射现象中的夫琅和费单缝衍射。通过学习，进一步了解了光的波动性，掌握了夫琅和单缝衍射的规律，学习了一种定性半定量的半波带分析方法，对以后分析各种衍射现象打下了基础，也为处理类似问题提供了思路。,本人介绍：,徐春龙，基础课部物理教研室教师，讲师。陕西师范大学物理系物理教育本科，陕西师范大学物理与信息技术学院功率超声硕士专业研究生。 一直从事教学工作，讲授的课程有:大学物理、专科物理、物理实验、电器照明等本、专科、函授、成教、培训课程，发表文章6篇。,欢迎在网页制作方面感兴趣的老师同学与我交流,近两年来，主要精力在计算机应用及网页、网络方面，开设了网页设计、网页制作两门公共选修课，编写了公选课教材，参加选修的学生有1000余人,制作并维护基础课部的校园网站。,感谢各位评委、老师和同学！,谢谢大家！,本节课的内容将全部上传到我的个人网站上，有兴趣的老师、同学可以去下载。 大家也可以登陆我的BBS，对这次课发表意见或建议! ,(远场衍射),2. 夫琅和费衍射,(近场衍