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1、通知: 各位同学:上课前先到物理老师处签到,并取回作业。,14-7 单缝和圆孔的夫琅禾费衍射,单缝,透镜,衍射屏,1.衍射装置及花样,一、单缝夫琅禾费衍射,衍射图样,(3)中央明条纹的宽度为其它明条纹宽度的两倍。,单缝处波面看作无穷多个相干的子波源,屏上一点是 (无穷)多光束干涉的结果。,(1) S为线光源:衍射图样为一组与狭缝平行的以中央明纹为中心,两侧对称分布的明暗相间的直条纹。,(2)中央明条纹很亮,两侧明条纹对称分布,亮度减弱。,解释: 由惠更斯菲涅耳原理:,P117,图上段正数第2,4-7行画,AP 和 BP的光程差,2.单缝衍射明、暗条纹条件由菲涅耳半波带法确定, 中央明纹(中心)
2、,O点:,P点:,缝法线与衍射光线夹角,半波带:用平行于AC的一系列平面(平面间距/2), 将缝AB划分成面积相等的长条带半波带。其特点:,用菲涅耳半波带法确定P点明、暗条纹情况,相邻两半波带对应点发出的光在P点的光程差均为/2.,若A、B到达P点的光程差为,即波面AB可划分成n个半波带,即,P118,图14-27下第2-4行,越大,AB分成的半波带数目越多,则每个半波带越窄。因每个半波带面积相等,它们发出子波在P点引起的光强度相同。 若AB恰好被分成偶数个半波带,则每两个相邻“半波带”发出的光在 P点会聚 ,干涉相消,形成暗纹。,若AB恰好被分成奇数个半波带,则,必定有一个“半波带”发的光会
3、聚透镜后在 P点不能被抵消,形成明纹。,暗纹,明纹,若 不满足明暗条纹条件,则AB 不能被分成整数个半波带,则或多或少总有一部分的振动不能被抵消,此时,会聚在屏上的亮度处于明暗纹之间。,综上所述,可得单缝衍射明、暗条纹条件,将缝分为两个半波带,C,相邻两个半波带对应点光程差均是/2,每两个相邻“半波带”发的光在 P处干涉相消形成暗纹。,1)若,若AB恰好被分成偶数个半波带,偶数个“半波带”发的光在 P处干涉相消形成暗纹。即,暗纹,附:,2),因每两个相邻“半波带”发的光在 P处干涉相消,则必定有一个“半波带”发的光在 P未被抵消,形成明纹。,将缝分为3个半波带.,若AB恰好被分成奇数个半波带,
4、奇数个“半波带”发的光在P处干涉形成明纹,即,明纹,附:,3),缝分成整数个半波带.,n为偶数,,暗纹,n为奇数,,明纹,4),则总有一部分振动不能被抵消,会聚在屏上的亮度介于明暗纹之间。,缝不能分成整数个半波带.,综上可知,可得如下结论,附:,暗纹中心,明纹中心(近似),中央明纹中心,单缝衍射明、暗条纹条件,k=0为中央明纹,k=1,2,分别称为第一,二,级明纹(或暗纹);正负表示对称。可见,单缝衍射条纹是关于中央亮纹对称分布的。,2k个半波带,2k+1个半波带,P119,式14.20,14.21及下第2行,1)中央明纹,3.说明,半角宽度:k=1级暗纹所对应的衍射角,角宽度:,线宽度: k
5、=1和k= -1两个第一级暗纹间距离。,。,或,讲考点2,教案附,P120,2)其他条纹在屏幕上线位置,暗纹中心:,明纹中心:,3)其他明纹的线宽度:相邻暗纹中心间的距离,即中央明纹宽度为其他明纹宽度的两倍。,当 较小时,,k级亮纹合成(2k+1)个半波带;k级暗纹对应2k个半波带.k越大,AB上波阵面分成的波带数就越多,所以,每个半波带的面积就越小,在P点引起的光强就越弱。因此,各级明纹随着级次的增加而亮度减弱。,4)单缝衍射的光强分布,P119图上面两行及P120第1行,4.讨论,指出:白光照射,中央明纹为白色,每一级明纹都成彩色(紫-红),称为衍射光谱。,对于高级次衍射条纹会发生重叠,条
6、件,提示:作业P158 1423,a一定, ,越大,衍射效应越明显.,1)波长变化对条纹的影响,越大, 越大,衍射效应越明显.,观察:入射波长变化,衍射效应如何变化 ?,3)a、一定,能看到条纹的最高级次,(若km 不是整数, km取整数部分) (若km 为整数,则取km-1),2)缝宽变化对条纹的影响,a越小,越大,,一定,衍射越明显,a越大,越小,各级条纹向中央靠拢;,可见,几何光学是波动光学 的极限.,观察:单缝宽度变化,中央明纹宽度如何变化?,a减小,1增大,衍射效应越明显.,4)在单缝衍射中,若使单缝和单缝后透镜分别稍向上移,则衍射条纹将如何变化?,单缝上移衍射光束向上平移经透镜聚焦
7、后,位置不变条纹不变,单缝后的透镜上移衍射光束经透镜聚焦后,位置随之上移条纹向上平移,结论:单缝向上平移时,屏上图样不变,5)如果平行光斜入射到单缝上,衍射条纹将如何变化?,平行光斜向下入射,衍射条纹将整体下移;平行光斜向上入射,衍射条纹将整体上移。,附:,例1 在单缝衍射中,=600nm, a=0.60mm, 缝后有一焦距f=60cm透镜, 则(1)中央明纹宽度为多少?(2)两个第三级暗纹之间的距离?,解 中央明纹的宽度,第三级暗纹在屏上的位置,两个第三级暗纹之间的距离,本例即考点4,即ZP18,25, 很小,练考点3,即 13,解,因,例2 单缝衍射中,a=0.1mm,入射波长=500nm
8、,透镜焦距f=10cm,在屏上x=1.75mm的p点为明条纹,求:(1) 点条纹级数,单缝衍射明纹的条件,第3级明纹,明纹在屏上的位置,解 (1), 很小,(3)将缝宽增加1倍, 点将变为什么条纹?,7个半波带,(2)对应于 点,缝可分成多少个半波带?,思考:缝可分成的半波带数目为多少?,第7级暗纹,直接练ZP18,26,本次不练下例,作业P158 -23,28,,(讨论P159) 26,练考点6,若缝宽a=4,单缝处波面可划分为4个半波带,则衍射角=?,作业P158 -23,28,,(讨论P159) 26,练考点,4个半波带,解:,直接练ZP18,26,本次不练下例,例3B 在单缝夫琅和费衍
9、射实验中,缝宽a=10,缝后透镜焦距 f =40cm , 试求第一级明纹的角宽度,线宽度以及中央明纹的线宽度。,所以第一级暗纹衍射角,第二级暗纹衍射角,第一级明纹线宽度,中央明纹的线宽度,所以第一级明纹角宽度,二、用振幅矢量推导光强公式(不要求),每个窄带发的子波在P点振幅近似相等,设为 A1,相邻窄带所发子波在P点引起的振动的 光程差 = (a/N)sin,相位差,将缝AB的面积S等分成N(很大)个等宽的窄带,每个窄带宽度a/N.,1.振幅矢量法,屏上P点的合振幅 AP就是各子波的振幅矢量和的模,这是多个同方向、同频率,同振幅、初相依次差一个恒量的简谐振动的合成。,对于屏中心o点, = 0,
10、 =0,A0 = N A,中央明纹的中心,对于屏上其它点P,由于屏上位置不同,对应的衍射角就不同,的大小也不同,可以求出,过程略,p点的光强,令,2.衍射条纹的特点,)中央明纹,位置:在 = 0处,光强:中央明纹中心的光强最大 I = I0,2)暗纹,位置:在u0,sinu = 0处,条件:,sin (/a), 2(/a), 3(/a),在sin坐标上暗纹是等间距的。,3)其他明纹,位置:由 求得,得 tgu = u,由作图法可得次极大位置,相应,三、圆孔夫琅禾费衍射,光通过眼睛的瞳孔、望远镜、显微镜、照相机所成的像都是光波通过圆孔的衍射图样。,平行光垂直通过圆孔时,在透镜的焦平面上形成明、暗
11、交替的环形衍射图样,中心的圆斑称爱里斑。,1.圆孔夫琅禾费衍射,圆孔夫琅禾费衍射条纹照片,:爱里斑直径,爱里斑的光强度占整个入射光束总光强的84%。,理论计算表明,爱里斑对透镜中心的张角21与圆孔直径、入射波长的关系,爱里斑的半角宽度1 :爱里斑半径对透镜中心的张角,:圆孔直径,:透镜焦距,:入射光波长,根据几何光学 : 物点与像点一一对应,选择适合的透镜可以把任何微小的物体放大到清晰可见的程度。,由波动光学 :一个点光源经过透镜后所成的像是以爱里斑为中心的一组衍射条纹。,2.光学仪器分辨率,如果两个物点相距太近,它们的爱里斑重叠过多,这两个物点的像就无法分辨。,两物点相距多远时恰好能分辨呢?
12、,瑞利判据:对于两个光强相等的非相干物点,如果其一个像斑的中心恰好落在另一像斑的第一暗纹处,则此两物点被认为是刚好可以分辨。,两物点恰好能被分辨时,两个爱里斑中心的距离正好是爱里斑的半径d/2。,P125,倒数1-3行,可分辨,恰好分辨,不可分辨,当两个物点刚好被分辨时,它们对透镜中心的张角0称为光学仪器的最小分辨角或角分辨率。,要提高分辨率采用1)大口径的物镜;如天文望远镜D=5m、射电望远镜D=300-500m; 2)极短波长的光.如:紫外线显微镜,电子显微镜 为10-12m,P126 14.28,1990 年发射的哈勃太空望远镜的凹面物镜的直径为2.4m ,最小分辨 ,在大气层外 615
13、km 高空绕地运行 ,可观察130亿光年远的太空深处, 发现了500 亿个星系 .,不可选择,可增大D提高分辨率。,望远镜:,世界上最大的射电望远镜建在波多黎各岛的Arecibo,直径305m,能探测射到整个地球表面仅10-12W的功率,也可探测引力波。,射电望远镜,显微镜D不会很大,可以减小 提高分辨率。 使用400nm的紫光,最小分辨距离为200nm,放大倍数2000倍。 电子显微镜能分辨相距0.1nm的两个物点,可看到单个原子。,结束,例1 设人眼在正常照度下的瞳孔直径约为3mm,而在可见光中,人眼最敏感的波长为550nm,问,(1)人眼的最小分辨角有多大?,(2)神舟五号轨道最高点约300km,则两物点间距为多大时才能被分辨?,解(1),(2),长城基部平均宽度大概6m,最宽处10m。能可见长城眼睛瞳孔20mm.,结束,