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1、第四章第四章 光光5 5、光的衍射、光的衍射CONTENTS01010202单 缝 衍 射 条 纹03030404目标圆孔、圆盘衍射光 的 衍 射0505典 型 例 题衍 射 光 栅问题1:什么是波的衍射现象？什么是波的衍射现象？问题2:发生明显衍射的条件是什么？发生明显衍射的条件是什么？波在它传播的方向上遇到障碍物或孔时，波绕到波在它传播的方向上遇到障碍物或孔时，波绕到障碍物阴影里去继续传播的现象叫障碍物阴影里去继续传播的现象叫波的衍射波的衍射.障碍物或孔的尺寸障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或比波长小跟波长差不多或比波长小。问题问题3:3:光是一种波为什么我们都说光沿直线传播呢？光是一种波为什
2、么我们都说光沿直线传播呢？狭缝、障碍物的尺寸相比于光的波长太大了狭缝、障碍物的尺寸相比于光的波长太大了思考：思考：你觉得怎样才能观察到明显的光的衍射现象？你觉得怎样才能观察到明显的光的衍射现象？障碍物或障碍物或狭缝狭缝的尺寸的尺寸很小，很小，跟跟光的光的波长差不多或比波长差不多或比光光波长波长还还小小380nm780nm一、光的衍射一、光的衍射1.1.光的衍射：光的衍射：光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里的现象叫光的光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里的现象叫光的衍射现象衍射现象2.光的明显衍射条件：光的明显衍射条件：障碍物或狭缝的尺寸小于波长或者和波长差不多。障碍物或狭缝的尺寸小于波长或者和波
3、长差不多。注：注：同样的障碍物，波长越长，衍射现象越明显，同种光，障碍物同样的障碍物，波长越长，衍射现象越明显，同种光，障碍物越小，衍射现象越明显越小，衍射现象越明显 对于同样的障碍物，声音的波长比光的波长大的多，更容易发生明显对于同样的障碍物，声音的波长比光的波长大的多，更容易发生明显衍射，即更容易绕过障碍物向前传播。衍射，即更容易绕过障碍物向前传播。思考：思考：为什么平时隔墙可以听见别人的声音却看不到人？为什么平时隔墙可以听见别人的声音却看不到人？二、单缝衍射二、单缝衍射 在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行
4、光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。1.1.条纹不等间距；条纹不等间距；2.2.中央条纹亮而宽；中央条纹亮而宽；3.3.两侧条纹较暗较窄，对称分布；两侧条纹较暗较窄，对称分布；红光红光a a=0.8mm=0.8mm红光红光a a=0.4mm=0.4mm4.4.波长一定
5、时，单缝越窄，现象越明显波长一定时，单缝越窄，现象越明显1、单缝衍射图样的特点：不同颜色的光，缝宽一致时，单缝衍射不同颜色的光，缝宽一致时，单缝衍射图样是否相同？图样是否相同？2 2.不同颜色光的衍射图样：不同颜色光的衍射图样：白白光光的的单单缝缝衍衍射射条条纹纹中中央央亮亮，两两侧侧为为彩彩色色条条纹纹，且且外外侧侧呈呈红红色色，靠靠近近光光源源的的内内侧侧为为紫色紫色 单缝不变，波长越大，衍射越明显，单缝不变，波长越大，衍射越明显，中央亮纹越宽。中央亮纹越宽。如果用白色光进行单缝衍射实验，衍如果用白色光进行单缝衍射实验，衍射条纹是什么样？射条纹是什么样？光光的的干干涉涉和和衍衍射射图图样样
6、比比较较双缝干涉与单缝衍射图样有啥不同？双缝干涉与单缝衍射图样有啥不同？名称名称项目项目单缝衍射单缝衍射双缝干涉双缝干涉不不同同点点产生产生条件条件障碍物或孔的尺寸比波长障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多小或跟波长差不多频率、振动方向相同，相位差频率、振动方向相同，相位差恒定的两列光波相遇叠加恒定的两列光波相遇叠加条纹条纹宽度宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹宽度相等条纹条纹间距间距各相邻条纹间距不等，各相邻条纹间距不等，越靠外条纹间距越小越靠外条纹间距越小各相邻条纹等间距各相邻条纹等间距亮度亮度中间条纹最亮，两边变暗中间条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相
7、等清晰条纹，亮度基本相等相相同同点点成因成因干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加结果干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加结果意义意义干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波A A 例例2 2、如如图图所所示示的的四四幅幅明明暗暗相相间间的的条条纹纹，分分别别是是红红光光、蓝蓝光光各各自自通通过过同同一一个个双双缝缝干干涉涉仪仪器器形形成成的的干干涉涉图图样样以以及及黄黄光光、紫紫光光各各自自通通过过同同一一个个单单缝缝形形成成的的衍衍射射图图样样(黑黑色色部部分分表表示示亮亮条条纹纹).).则则在在下下面面的的四四幅幅图图中中从从
8、左左到到右右排排列列，亮条纹的颜色依次是（亮条纹的颜色依次是（）A.A.红黄蓝紫红黄蓝紫 B.B.红紫蓝黄红紫蓝黄 C.C.蓝紫红黄蓝紫红黄 D.D.蓝黄红紫蓝黄红紫 B BAS 1、孔较大时屏上出现清晰的光斑几乎沿直线传播三、圆孔衍射三、圆孔衍射 2、孔较小时屏上出现衍射图样（亮暗相间的不等间距的圆环，这些圆环的范围远远超过了光沿直线传播所能照明的范围）以中央最亮的光以中央最亮的光斑为圆心的逐渐变斑为圆心的逐渐变暗的不等距的同心暗的不等距的同心圆圆3.3.圆孔衍射图样的两个特点圆孔衍射图样的两个特点a a单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮
9、度大，外面是明暗相间的不等距的圆环越向外，亮环亮度越低等距的圆环越向外，亮环亮度越低b b白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环圆孔衍射孔衍射现象象不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，历史上曾有一个著名的衍射图样泊松亮斑实验：在光束中放一个不透明圆盘实验：在光束中放一个不透明圆盘现象：在不透明圆盘的阴影后面，出现了一个亮斑。现象：在不透明圆盘的阴影后面，出现了一个亮斑。泊松亮斑中心有极小亮斑四、圆盘衍射四、圆盘衍射 1818 1818 年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方年，法国的巴黎科学院为了鼓
10、励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射射 当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。波动说。但是，就在
11、竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑（图这个亮斑（图 ），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，也称为阿拉果亮斑。也称为阿拉果亮斑。不同点：圆孔衍射的背景是黑暗的圆孔衍射的背景是黑暗的,而圆盘衍射图而圆盘衍射图样中的背景是明亮的。样中的背景是明亮的。圆孔衍射亮环或暗环间距随半径增大而增大圆孔衍射亮环或暗环间距随半径增大而增大,圆盘衍射亮环或暗环间距随半径增大而减小；圆盘衍射亮环或暗
12、环间距随半径增大而减小；圆孔圆孔衍射衍射圆盘圆盘衍射衍射相同点：均是明暗相间的光环均是明暗相间的光环,中心均有亮斑中心均有亮斑圆孔衍射中心亮斑较大圆孔衍射中心亮斑较大,而泊松亮斑较小；而泊松亮斑较小；圆孔衍射与圆孔衍射与圆盘衍射圆盘衍射 不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，以至使影的轮廓模糊不清，其原因是光通过物体的边缘而发生衍射的结果拓展拓展2 2：光的衍射现象光的衍射现象例例3 3在一次观察光衍射的实验中，观察到如图在一次观察光衍射的实验中，观察到如图1 1所示的清晰的明暗相所示的清晰的明暗相 间的图样，那么障碍物应是（黑线为暗纹）间的图样，那么障碍物应是（黑线为暗纹）()()A A很小的不透明的圆板很小的不透明的圆板B B很大的中间有大圆孔的不透明的圆板很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C C很大的不透明圆板很大的不透明圆板D D很大的中间有小圆孔的不透明圆板很大的中间有小圆孔的不透明圆板D D1.1.结构由许多结构由许多等宽等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器2.2.衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄变窄，亮度，亮度增加增加五、衍射光栅五、衍射光栅