大学物理课件16光学(衍射).ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《大学物理课件16光学(衍射).ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学物理 课件 16 光学 衍射
- 资源描述:
-
1、第第16章章 光学光学(衍射衍射)光在传播过程中能绕光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象叫离直线传播的现象叫光的衍射。光的衍射。不但光线拐弯不但光线拐弯,而而且在屏上出现明暗且在屏上出现明暗相间的条纹。相间的条纹。*S衍射屏衍射屏观察屏观察屏a 例例这是光具有波动这是光具有波动性的重要表现。性的重要表现。16.1 光的衍射现象光的衍射现象*S衍射屏衍射屏观察屏观察屏L L例例手边缘的衍射手边缘的衍射(1 1)菲涅耳衍射菲涅耳衍射近场衍射近场衍射(2 2)夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射远场衍射远场衍射L L 和和D D 中至少有一个是有限值。中至少有一个是有限值。L
2、L 和和D D 皆为无限大(也可用透镜实现)。皆为无限大(也可用透镜实现)。*SPDLB光源光源障碍物障碍物观察屏观察屏一、衍射现象的分类一、衍射现象的分类菲涅耳衍射菲涅耳衍射:P衍射物衍射物光源光源观察屏观察屏夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射:P点在无穷远点在无穷远L1L2Sf2f1P观察单缝的夫琅观察单缝的夫琅禾费衍射的实验禾费衍射的实验装置示意图:装置示意图:惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理:波传到的任何一点都波传到的任何一点都是子波的波源,各子波在空间某点的是子波的波源,各子波在空间某点的相干叠加相干叠加,就决定了该点波的强度。就决定了该点波的强度。对惠更斯原理的修改对惠更斯原理的修改二、惠更
3、斯二、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理(HuygensFresnel principle)两种方法:两种方法:1.菲涅耳半波带菲涅耳半波带.2.振幅矢量法振幅矢量法1、装置、装置2、半波带法、半波带法(缝宽缝宽)bBC=S S:单色光源单色光源 :衍射角衍射角sinb=00=,中央明纹中央明纹(中心中心)当当 时,可将缝分为两个时,可将缝分为两个“半波带半波带”=sinb C CP P和和B BP P的光程差的光程差*S f f b 透镜透镜L 透镜透镜LpCB缝平面缝平面观察屏观察屏0A三、单缝衍射三、单缝衍射b12BC半波带半波带半波带半波带12两个两个“半波带半波带”上发的光在上发的光在P P
4、处干涉相消形成暗处干涉相消形成暗纹。纹。当当 时,可将缝分成三个时,可将缝分成三个“半波带半波带”23sin=bP P处近似为明纹中心处近似为明纹中心b/2/2BC/2/2半波带半波带半波带半波带1212b/2/2BC形成暗纹。形成暗纹。当当 时时,可将缝分成四个可将缝分成四个“半波带半波带”,2sin=b,3,2,1sin=kkb暗纹暗纹,3,2,1 2)1 2(sin=kkb明纹明纹(中心中心)0sin=b 中央明纹中央明纹(中心中心)上述暗纹和中央明纹上述暗纹和中央明纹(中心中心)位置是准确的,其余位置是准确的,其余明纹中心的位置较上稍有偏离。明纹中心的位置较上稍有偏离。一般情况一般情况
5、3 3、振幅矢量法、振幅矢量法将单缝的波阵将单缝的波阵面分成面分成N条等宽条等宽的小波带的小波带(设设N很大很大),每个小波带发的子波在每个小波带发的子波在P点的振幅近似相等点的振幅近似相等,设为设为E E0 0,相邻小波带发的子波到相邻小波带发的子波到P P点的光程差为点的光程差为Nbx=sinsinNbxL=x透镜透镜 f p x xsin 缝平面缝平面缝宽缝宽b ABC0观测屏观测屏 2sin =Nb(N N 很大)很大)P点点处的合振幅处的合振幅 就是各子波在就是各子波在P点处的振幅点处的振幅矢量和的模矢量和的模.这是这是N 个同方向、同频率,个同方向、同频率,同振幅同振幅 A、初相依
6、次差一个恒量、初相依次差一个恒量 的简谐振动的合成的简谐振动的合成,合成的结果仍为简谐振动合成的结果仍为简谐振动.(P)A相邻小波带发的子波,到相邻小波带发的子波,到P点点的相位差为的相位差为 2L=对于对于O O点点:=0=0,=0 =0A0 A A当当N N 时时,N N个相接的折线将变为一个个相接的折线将变为一个圆弧。圆弧。ANA=0AP对于其他点对于其他点P P:0AAp2sin2bN=,sin2RAp=RANA20=sinANAp=又又2002 AIAIp,P P点的光强点的光强20sin=IIRAPA02 22 2 (1)(1)主极大(中央亮纹中心)位置主极大(中央亮纹中心)位置:
7、max01sin00III=处,在在此时所有子波的振幅矢量同相叠加此时所有子波的振幅矢量同相叠加 。20sin =II f=0p 0 sin kb=由由 sin kb=得得(2)(2)极小(暗纹)位置:极小(暗纹)位置:时时的的位位置置,321,kk=即即令令 sin=0 I=0,20sin =II(注意(注意k 0)3.)2,1,(k =为什么?为什么?0sindd2=0sinddsin2=0sincossin22=0sincos=tg20sin =II,473462431.=解得解得-2.46 o 2-2 yy1=tg y2=+2.46-1.43+1.43例如例如 =1.43 即即 43.
8、1sin=b图解法示意图图解法示意图:=tg,47.3,46.2,43.1sinbbb =类似,有类似,有 43.1sin=bb 43.1sin=(4)(4)各个次极大的相对光强各个次极大的相对光强 sinb =,47.3,46.2,43.1sinbbb =20sin =II由由20sin =II将将代入代入可计算出从中央往外各个次极大的相对光强。可计算出从中央往外各个次极大的相对光强。222043.143.1sinsinsinsinsin =bbbbbbII依次为依次为 0.047I0,0.017I0,0.008I0,各个次极大的相对光强各个次极大的相对光强I:例如:例如:047043143
9、12.sin=相对光强随相对光强随 的变化如下图:的变化如下图:sin2323sinaa2a3aa2a30II0.04720.01650.0083可见,绝大可见,绝大部分能量集部分能量集中在中央亮中在中央亮纹区域。纹区域。xI0 x1x2x0 f 10 11sin b时,时,角宽度角宽度b 2210=线宽度线宽度bbfffx =22tg2110衍射反比定律衍射反比定律 中央明纹宽度为两侧一级暗纹中心距离中央明纹宽度为两侧一级暗纹中心距离(5)(5)中央明纹宽度中央明纹宽度其他明纹其他明纹(次极大次极大)021xbfx=波长及缝宽对条纹的影响:波长及缝宽对条纹的影响:bx 0 x缝宽越小,缝宽越
10、小,条纹宽度越宽条纹宽度越宽.当当 时,时,屏幕是一片屏幕是一片亮亮0bI0sin衍射中央亮纹的两端延伸到很远很远的地方衍射中央亮纹的两端延伸到很远很远的地方,看看不到单缝衍射的条纹了,不到单缝衍射的条纹了,可不考虑缝的衍射可不考虑缝的衍射 但当缝极细(但当缝极细(b b )时,)时,sin 1 1 1,1 1/2干涉和衍射之间的关系干涉和衍射之间的关系从本质上讲干涉和衍射都是波的相干叠加,没有区从本质上讲干涉和衍射都是波的相干叠加,没有区别。别。通常:干涉指的是通常:干涉指的是有限多的有限多的子波子波的相干叠加,的相干叠加,衍射指的是衍射指的是无限多的无限多的子波子波的相干叠加,的相干叠加,
11、二者常常同时存在。二者常常同时存在。不是极细缝情况下的双缝干涉,就应该既考虑不是极细缝情况下的双缝干涉,就应该既考虑双缝的干涉,又考虑每个缝的衍射。双缝的干涉,又考虑每个缝的衍射。例例:已知:一雷达位于路边已知:一雷达位于路边 d=15m 处处,射束与公路射束与公路成成 150 角,天线宽度角,天线宽度 a=0.20m,射束波长,射束波长 =30mm。求:该雷达监视范围内公路的长度求:该雷达监视范围内公路的长度 l=?=?解解:将雷达波束看成集中在单缝衍射的将雷达波束看成集中在单缝衍射的0 0级明纹上,级明纹上,15.020.030sin1=mmma 有有dal1 1 15063.81 63.
12、81 63.23151=如图如图37.6151=)ctgctg(=dlm100)63.23ctg37.6ctg(15 =dal1 1 15016.2 圆孔衍射圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领22.1sin1d(不要求推导不要求推导)(对比单缝对比单缝,有有 )=1sina 84%7.2%2.8%Airy disk一、夫琅和费圆孔衍射一、夫琅和费圆孔衍射(经透镜经透镜 )经透镜(相当一圆孔经透镜(相当一圆孔)二、光学仪器的分辨本领二、光学仪器的分辨本领两个物点的像就是这两个衍射斑的两个物点的像就是这两个衍射斑的非相干叠加非相干叠加。如果两个衍射斑之间的距离过近,这两个物点如果两个衍
13、射斑之间的距离过近,这两个物点的的两个象斑两个象斑就不能分辨,象也就不清晰了。就不能分辨,象也就不清晰了。d22.1sin1爱里斑的大小爱里斑的大小由衍射的规律决定:由衍射的规律决定:由于衍射的存在,一个物点的像不再是一个点,由于衍射的存在,一个物点的像不再是一个点,而是一个衍射斑而是一个衍射斑(主要是爱里斑主要是爱里斑)。设爱里斑的半角宽为设爱里斑的半角宽为 1 一个实例一个实例 你有过这样的经验吗?你有过这样的经验吗?瑞利判据瑞利判据刚可分辨刚可分辨非相干叠加非相干叠加不可分辨不可分辨对两个像斑的分辨采用瑞利判据对两个像斑的分辨采用瑞利判据1.00.8 对于两个相等光强的非相干物点对于两个
14、相等光强的非相干物点,如果其一个如果其一个 象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘(第一暗第一暗 纹处纹处),),则此两物点被认为是则此两物点被认为是刚刚可以分辨刚刚可以分辨。定义定义:光学仪器的:光学仪器的分辨本领分辨本领22.111dR=1最小分辨角最小分辨角d22.11=提高仪器分辨本领的两种方法:增大孔径,减小波长提高仪器分辨本领的两种方法:增大孔径,减小波长波长不可选择波长不可选择但可增大但可增大d 望远镜:望远镜:(射电望远镜射电望远镜 的大天线的大天线)22.111dR=世界上最大的射电望远镜世界上最大的射电望远镜建在美国波多黎各建在美国波多黎各岛的岛的
15、 AreciboArecibo直径直径305m,能探测,能探测射到整个地球表面射到整个地球表面仅仅10-12W的功率,的功率,也可探测引力波。也可探测引力波。显微镜:显微镜:R (紫光显微镜紫光显微镜)(电子显微镜)(电子显微镜)22.111dR=在在25cm 25cm 远处可分辨相距约远处可分辨相距约0.07mm 0.07mm 的两个点;的两个点;解:解:对波长为对波长为5500 5500 的光,可以得出最小分辨的光,可以得出最小分辨角为:角为:在大约在大约9m9m远处可分辨相距约远处可分辨相距约 2mm2mm的两根细丝。的两根细丝。D22.11110310550022.1310=例例:在通
16、常亮度下,人眼的瞳孔直径为在通常亮度下,人眼的瞳孔直径为3mm,问:人,问:人眼最小分辨角为多大?眼最小分辨角为多大?如果窗纱上两根细丝之间如果窗纱上两根细丝之间的距离为的距离为2.0mm,问:人在多远恰能分辨。(取,问:人在多远恰能分辨。(取人眼视觉最灵敏的绿光人眼视觉最灵敏的绿光 =5500A计算)计算)slsl=116.3 光栅衍射光栅衍射一、衍射光栅一、衍射光栅大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝(或反射或反射面面)构成的光学元件。构成的光学元件。d反射光栅反射光栅d透射光栅透射光栅a 是透光(或反光)部分的宽度是透光(或反光)部分的宽度d=a+b 光栅常数光栅常数b 是不
展开阅读全文