第二章 光的衍射
第二章 光的衍射
1 单色平面光照射到一小圆孔上，将其波面分成半波带，求第k 个波带的半径。若极点到观察点的距离r 0为1m ，单色光波长为450nm ，求此时第一半波带的半径。
解：当用平面光照射圆孔时，第k 个波带的半径，由：
)1
1(R
r R k k +=
λ 平行光R=∞ 解出为：λ0kr R k =
当：r 0=1m 、λ=450nm 、k=1时，
第一半波带的半径：mm m R 67.01067.010********=?=???=--
2 平行单色光从左向右垂直照射到一个有圆形小孔的屏上，设此孔可以像照相机的光圈那样改变大小，问：（1）小孔半径应满足什么条件，才能使得小孔右侧轴线上距小孔中心4m 的P 点的光强分别得到极大值和极小值；（2）P 点最亮时，小孔直径应为多大？设光的波长为500nm 。
解：用平行单色光垂直照射小圆孔，所露出的半波带的数目：
λ02
/r R k k =，已知： r 0=4m 、λ=500nm 、
圆孔的半径为：k k r R k 141
.00==λ
（1）当k 为奇数时，P 点的光强为最大值；
当k 为偶数时，P 点的光强为最小值；
（2）若使P 点最亮，圆孔应只露出1个半波带，即k=1， 将： k=1代入：k R k 141.0= 得到小孔直径：mm d 282.01=
3 波长为500nm 的单色点光源离光阑1m ，光阑上有一个内外半径分别为0.5mm 和1mm 的透光圆环，接受点P 离光阑1m ，求P 点光强度I 与没有光阑时的光强度I 0的比值。
解：已知：r 0=1m 、R=1m 、λ=500nm
半径为R 1=0.5mm 的圆屏所能遮住的半波带数k 1：
1)11(0
211=+=r R R k λ
半径为R 2=1mm 的圆孔能露出的半波带数k 2：
4)11(0
222=+=r R R k λ
也即通光圆环只露出第2、3、4个波带，P 点接受到的光振幅为：
14243221
21a a a a a a A ≈+=+-=
光强度为：21a I =
没有光阑时，P 点的光强度：I 0=a 12/4
得到：I ：I 0 = 4 ：1
4 波长为632.8nm 的平行光照射直径为2.76mm 的圆孔，与孔相距1m 处放一屏，试问：（1）屏上正对圆孔中心的P 点是亮点还是暗点？（2）要使P 点变成与（1）相反的情况，至少要把屏幕分别向前和向后移动多少？
解：已知：r 0=1m 、R k =2.76m 、λ=632.8nm 、R=∞
（1）根据：)11(0
2
r R
R k k +=λ
解出正对圆孔中心的P 接受到的半波带数为：k=3 因P 点接受到奇数个半波带，则P 点应为亮点。
（2）若使P 点变成与（1）相反的情况，则k 要取为偶数，即：k=2或4
当k=4时， mm k R r k 75020
=='
λ
屏幕至少要向前移动：Δr 0 =1m-0.75m=0.25m 当k=2时， mm k R r k 150520
=='
λ
屏幕至少要向后前移动：Δr 0
=1.5m-0.75m=0.5m
5 一波带片由五个半波带组成，第一波带为半径r 1的不透明圆盘，第二波带是r 1到r 2的透明圆环，第三波带是r 2到r 3的不透明圆环，第四波带是r 3到r 4的透明圆环，第五波带是r 4至无穷大的不透明区域。已知：r 1：r 2：r 3：r 4=1：2：3：4，用波长500nm 的单色平行光照射，最亮的象点在距波带片1m 的轴上，试求：（1）r 1；（2）象点的光强；（3）光强极大值出现在轴上那些位置？
解：因用平行单色光照射衍射屏，则半波带的计算
公式为： 0
2
r r k k λ=
已知：r 1：r 2：r 3：r 4=4:3:2:1
第一波带遮住的波带数：0
211r r k λ= 第二波带露出的波带数：o r r r r k 2
102222==
第三波带遮住的波带数：0
2
102333r r r r k λλ==
第四波带露出的波带数：0
210244
4r r r r k λλ== 波带片遮住和露出波带数之比：4:3:2:1:::4321=k k k k
若使轴上距波带片1m 的象点最亮，应取：k 1=1、k 2=2、k 3=3、k 4=4， （1）将r 0=1m 、λ=500nm 、 k=1代入：011r k r λ= 解出： cm r 07.01=
（2）从：4:3:2:1:::4321=k k k k 看出，最亮的象点接受到第二、第四两个半波带，则光强度为：021242164)(I a a a I ==+= （I 0为光自由传播时的强度。）
（3）其他光强最大值的点出现在：1/3、1/5、1/7、…等位置。
6 波长为λ的点光源经波带片成一个象点，该波带片有100个透明奇数半波带（1、3、5、…、199），另外是100个不透明偶数半波带。比较用波带片和换上同样焦距和口径的透镜时，该象点的强度比I ：I 0。
解：用波带片时，象点接受到（1、3、5、…、199）共100个半波带
光强度为：21219953110000)...(a a a a a I =++++=
用透镜时，因物点到象点的光程相等，象点接受到200个半波带，
则光强度为：212200321040000)...(a a a a a I =++++= 两种情况下的光强之比为：4:1:0=I I
7 平面光的波长为480nm ，垂直照射宽度为0.4mm 的狭缝上，会聚透镜的焦距为60cm ，分别计算当缝的两边P 点的位相差为π/2和π/6时，P 点离焦点的距离。
解：缝两边的光传播到P 点的光程差： θsin d =?
相位差：θλ
π?sin 2d =?
从图中: sin θ≈tg θ=y/f ＇ 得到：y= f ＇sin θ 已知：λ=480cm 、d=0.4mm 、 f ＇=60cm 当:2/π?=? ，由上式解得：sin θ1=0.003 P 点到焦点的距离：y 1= f ＇sin θ1=0.018cm 当:6/π?=? ，由上式解得：sin θ1=0.001
P 点到焦点的距离：y 1= f ＇sin θ1=0.006cm
8 白光形成的单缝衍射图样中，其中某一波长的第三级次最大与波长为600nm 的光波的第二级次最大重合，求该光波的波长。
解：单缝衍射图样中，次最大的位置：b
k λθ）（21sin ±=
某一波长的第三级次最大的位置：b
b 11327213sin λλθ=
+=）（ 600nm 光波的第二级次最大位置：b
b
222252
12sin λλθ=
+=）（ 因两个次最大的位置重合，有：32sin sin θθ= 解出某光的波长：nm 6.4281=λ
9 波长为546.1nm 的平行光垂直照射在1mm 宽的缝上，若将焦距为100cm 的透镜紧贴在缝的后面到，并使光聚焦到屏上，问衍射图样的中央到（1）第一最小值；（2）第一最大值；（3）第三最小值的距离分别是多少？
解：单缝衍射中，衍射光的传播方向设为θ
（1）第1最小值的衍射角：b
λθ=sin
其位置：y= f ＇sin θ= f ＇λ/b=0.055cm
（2）第1最大值的衍射角：b
k λθ)21(sin += k=1
其位置：b
f f y λ
θ23sin '
='='=0.082cm （3）第3最大值的衍射角：b
k λθ=sin k=3 其位置：b
f f y λ
θ'
='='3sin =0.164 cm
10 钠光通过宽0.2mm 的狭缝后,投射到与缝相距300cm 的照相底片上,所得的第一最小值与第二最小值之间的距离为0.885cm ，问钠光的波长为多少？若改用X 射线(λ=0.1nm)做此实验,问底片上两最小值之间的距离是多少?
解： 因为单缝衍射，设第一最小值到花样中央的距离为：y 1；第二最小值到中央的距离为：y 2
对第一最小值：L y b
11sin =
=
λ
θ b L y λ=1 对第二最小值：L y b
222
sin =
=λ
θ b
L y λ
22= 两最小值间的距离：b
L y y y λ
=-=?12
已知：Δy=0.885cm 、 L=300cm 、 b=0.2mm ，代入上式， 解得钠光的波长：λ=590nm
当用波长λ=0.1nm 的X 射线时：mm b
L
y 13105.1-?==?λ
11 以纵坐标表示光强度，横坐标表示屏上的位置，粗略地画出三缝的夫琅禾费衍射（包括缝间干涉）图样。设缝宽为b ，相邻两缝之间的距离为d ，且d=3b 。
解：因：N=3，相邻两最大值间有2个暗条纹，1个次最大；又因：d=3b ，所以第3、6、9、…级谱线缺级。以相对光强为纵坐标，sin θ为横坐标，做出衍射图样。
12 一束平行白光垂直照射在每毫米50条刻痕的光栅上，问第一级光谱的末端和第二级别光谱的始端的衍射角之差是多少？设可见光中最短紫光的波长为400nm ，最长红光的波长为760nm 。
解：在光栅衍射中，因θ∝λ/d ，波长大色
光衍射角也大，所以在可见光的同一级谱线中，红光的衍射角大，紫光的衍射角小。
已知：红光波长λ1=760nm 、紫光波长λ2=400nm 、d=1/50mm
设第一级（j 1=1）光谱末端的衍射角为θ1，
有：dsin θ1=j 1λ1 解得： sinθ1=j 1λ1/d=760/d θ1≈2.1880 第二级（j 2=2）光谱始末端的衍射角为θ2，
有：dsin θ2=j 2λ2 解得： sinθ2=j 2λ2/d=800/d θ2≈2.2920 衍射角的扎：θ2-θ1=2.2920-2.1880 =0.110≈7＇
13 用可见光（400nm —760nm ）照射光栅时，一级光谱和二级光谱是否重叠？二级和三级怎样？若重叠，则重叠范围是多少？
解：从上题，一级谱线末端的衍射角：sinθ1=j 1λ1/d=760/d 二级谱线始端的衍射角：sinθ2=j 2λ2/d=800/d 因：sinθ2=800/d > sinθ1 =760/d
所以，一级光谱和二级光谱不重叠。
二级谱线末端的衍射角：sinθ3=j2λ1/d=1520/d
三级谱线始端的衍射角：sinθ4=j3λ2/d=1200/d
因：sinθ3=1520/d < sinθ4 =1200/d
所以，二级光谱和三级光谱重叠。
14 用波长为589nm单色光照射一衍射光栅，其光谱的中央最大值和第二十级主最大之间的衍射角为15010＇，求该光栅1cm内的缝数是多少？
解：从题中知道，第20级谱线的衍射角为：θ=15010＇
已知波长：λ=589nm，由光栅方程：dsinθ=jλ
解得光栅常数：d=0.0045cm
1cm内的缝数为：N=1/d=222条/cm
15 用每毫米有400条刻痕的平面透射光栅观察波长为589nm的钠光谱，试问：（1）光垂直入射时，最多能观察到几级光谱？（2）光以300角入射时，最多能观察到几级谱线？
解：已知：光栅常数：d=1/400mm 光波波长：λ=589nm
当谱线的衍射级数最大时，对应的衍射角：θ=900
（1）光垂照射光栅时，由光栅方程：dsinθ=jλ
解得：j≈4，即最多能观察到4级谱线。
（2）光以θ
0= 300角入射时，光栅方程为：d（sinθ±sinθ
）=jλ
将：θ
= 300、θ=900、d=1/400mm、λ=589nm代入
d（sinθ+ sinθ
）=jλ
解出最大的衍射级数：j=6
16 白光垂直照射到一个每毫米有200条刻痕的平面透射光栅上，试问在衍射角为300处会出现那些波长的光？其颜色如何？
解：已知：光栅常数：d=1/200mm、衍射角：θ=300
由光栅方程：dsinθ=jλ（j=0、1、2、3、…）
得到：λ=dsinθ/j ,代入数据,在可见光的范围内解得:
j=3时，λ
1
=666.7nm,是红色光；
j=4时，λ
2
=500nm, 是黄色光；
j=3时，λ3=400nm, 是紫色光；
三种色光的谱线在300方向上重合在一起。
17用波长为624nm 单色光照射一光栅，已知该光栅的缝宽b 为0.012mm ，不透明部分的宽度a 为0.029mm ，缝数N 为103条，求：（1）单缝衍射图样的中央角宽度；（2）单缝衍射图样中央宽度内能看到多少级光谱？（3）谱线的半角宽度为多少？
解：已知：λ=624nm 、b=0.012mm 、a=0.029mm 、N=103条 计算得到光栅常数：d=a+b=0.041mm
（1）单缝衍射图样的中央角宽度：Δθ=2λ/b=5.960 （2）由：dsin θ=j λ和sin θ=λ/b ，解得：j=d/b ≈3.4
因衍射级数应取整数,所以j=3,单缝衍射图样中央宽度内能看到光谱的级数为3级,有n=2j+1=7条谱线。
（3）根据：Δθ=λ/Ndcos θ，在θ不太大时，θ≈0， 解得：谱线的半角宽度：Δθ=1.52×10-5rad
18 波长为600nm 的单色光正入射到一透明平面光栅上，有两个相邻的主最大分别出现在sin θ1=0.2和sin θ2=0.3处，第四级为缺级。（1）试求光栅常数；（2）试求光栅的缝可能的最小宽度；（3）在确定了光栅常数和缝宽之后，试列出在光屏上实际呈现的全部谱线级数。
解：（1）设相邻主最大的衍射级数分别为：j 、j+1。 有： dsin θ1=j λ d sin θ2=（j+1）λ 两式相比：1
sin sin 21+=j j θθ 解出：j=2
再代入：dsin θ1=j λ 得到光栅常数：d=6×10-6m=6×10-3mm （2）因第四级缺级，说明：d ：b = 4：1 所以光栅缝的宽度：b=d/4=1.5×10-3mm
（3）在光屏上呈现的谱线的最大级数为j ，对应的衍射角为900， 由：dsin θ =j λ 解出谱线的最大级数：j=10
因：4、8级谱线缺级，不能被观察到，另外衍射角为900的第十级谱线也不能观察到，所以呈现在光屏上的有：
0、±1、±2、±3、±5、±6、±7、±9级谱线，共15条。
19 NaCl 的晶体结构是简单的立方点阵，其分子量M=58.5，密度ρ=2.17g/cm 3。（1）试证相邻两分子间的平均距离为：
nm N M
A 2819.023
=ρ
其中N A =6.02×1023/mol 为阿伏加德罗常数。（2）用X 射线照射晶面时，第二级光谱的最大值在掠射角为10的方向上出现，计算该X 射线的波长。
解：在图中所示的晶体结构中，设计晶胞的棱边长为d ，两离子间的平均距离为d/2，每个晶胞含有四个NaCl 分子，那么其密度：
3
4d
m V M NaCl ==
ρ NaCl 的质量：N M m NaCl /= 上两式联立解出：34ρN M d =
相邻两离子间的平均距离：
3
022
ρ
N M
d d ==
代入数据：nm d 2819.00=
20 波长为0.00147nm 的平行X 射线射在晶体界面上，晶体原子层的间距为0.28nm ，问光线与界面成什么角度时，能观察到二级光谱？
解：根据布喇格方程：λθj d =sin 2 代入数据：nm d 28.0= nm 00147.0=λ
解出： 14310'=θ
21 如图所示有三条彼此平行的狭缝，宽度均为b ，缝间距分别为d 和2d ，试用振幅矢量叠加法证明正入射时，夫琅禾费衍射强度公式为：
解：设单缝衍射传播到观察屏上P 的光振幅为a ，三束衍射光的实际光程差如图为θsin d 和θsin 2d ，相位差为φ?和φ?2，可做出通过三缝光矢量的矢量图，将三矢量分解：
φφ?+?+=3cos cos a a a A x φφ?+?+=3sin sin 0a a A y
三缝衍射的光强度为：
)]3cos 2cos (cos 23[22
2φφφ?+?+?+=+=a A A I y x
其中： λ
θπλθ
πsin sin sin
b b a a = θλ
πφsin 2d =?
即有：)]6cos 4cos 2(cos 23[sin 20v v v cu I I +++= 式中：λ
θπsin b u =
λθ
πsin d v =
22 一宽度为2cm 的衍射光栅上刻有12000条刻痕，如图所示，以波长λ=500nm 的单色光垂直投射，将折射率为1.5的劈状玻璃片置于光栅前方，玻璃片的厚度从光栅的一端到另一端由1mm 均匀变薄到0.5mm ，试问第一级主最大的方向改变了多少？
解：玻璃片的劈尖角A ：
025.020
5.01=-≈tgA
043.1=A
平行光经过劈尖后的偏向角：
rad A n 0125.0)1(0=-=θ 未加劈尖时的光栅方程：λθj d =sin 代入数据解出第一级主最大的传播方向： +1级谱线的衍射角：0146.17=+θ -1级谱线的衍射角：0146.17-=-θ
插入劈尖后，光栅方程为：λθθj d =+')sin (sin 0
+1级谱线的衍射角：0171.16='+
θ -1级谱线的衍射角：0121.18-=-θ 所以两谱线的方向改变了：54'或54'-
23 一平行单色光投射于衍射光栅上，其方向与光栅的法线成θ0角，在和法线成110和530角的方向上出现第一级谱线，且位于法线的两侧。（1）试求入射角；（2）试问为什么在法线两侧能观察到一级谱线，而在法线同侧能观察到二级谱线？
解：（1）在图中若入射光与衍射光在法线同侧
有： λθθ
j d =+)s i n (s i n 0 若在异侧，有： λθθ
j d =-')s i n (s i n 0 两式相减得到： )sin (sin 2
1
sin 0θθθ-'=
将数据011=θ、053='θ代入，解得：007.17=θ
（2）入射光与衍射光在法线两侧时，有：λθθj d =-)sin (sin 0 对j=1级谱线，
01sin sin θθλ
-=d
对j=2级谱线，其衍射角解出：
)sin (sin 2sin 2
sin sin 01002θθθλ
θθ-+=+=d
129.17.17sin 53sin 200>=-=
说明在法线两侧时，不能看到二级谱线。
入射光与衍射光在法线同侧时，有：λθθj d =+)sin (sin 0
同理解出二级谱线的衍射角：16855.0sin 2<=θ，可观察到二级谱线。
工程光学习题解答第十二章光的衍射
第十二章 光的衍射 1． 波长为500nm 的平行光垂直照射在宽度为0.025mm 的单缝上，以焦距为50cm 的会 聚透镜将衍射光聚焦于焦面上进行观察，求（1）衍射图样中央亮纹的半宽度；（2）第一亮纹和第二亮纹到中央亮纹的距离；（3）第一亮纹和第二亮纹的强度。 解：（1）零强度点有sin (1,2, 3....................)a n n θλ==±±± ∴中央亮纹的角半宽度为0a λθ?= ∴亮纹半宽度29 0035010500100.010.02510 r f f m a λ θ---???=??===? （2）第一亮纹，有1sin 4.493a π αθλ = ?= 9 13 4.493 4.493500100.02863.140.02510 rad a λθπ--??∴===?? 2 1150100.02860.014314.3r f m mm θ-∴=?=??== 同理224.6r mm = （3）衍射光强2 0sin I I αα?? = ??? ，其中sin a παθλ= 当sin a n θλ=时为暗纹，tg αα=为亮纹 ∴对应 级数 α 0I I 0 0 1 1 2 . . . . . . . . . 2． 平行光斜入射到单缝上，证明：（1）单缝夫琅和费衍射强度公式为
2 0sin[(sin sin )](sin sin )a i I I a i πθλπθλ??-??=????-?? 式中，0I 是中央亮纹中心强度；a 是缝宽；θ是衍射角，i 是入射角（见图12-50） （2）中央亮纹的角半宽度为cos a i λ θ?= 证明：(1))即可 (2)令 ()sin sin a i πθ πλ ==± ∴对于中央亮斑 sin sin i a λ θ-= 3． 在不透明细丝的夫琅和费衍射图样中，测得暗条纹的间距为1.5mm ，所用透镜的焦距为30mm ，光波波长为632.8nm 。问细丝直径是多少？ 解：设直径为a ，则有 f d a λ = 93 632.8100.03 0.01261.510f a mm d λ--??===? 4.利用第三节的结果导出外径和内径分别为a 和b 的圆环（见图12-51）的夫琅和费衍射强度公式，并求出当2 a b = 时，（1）圆环衍射与半径为a 的圆孔衍射图样的中心强度之比；（2）圆环衍射图样第一个暗环的角半径。 图 12-50 习题3图
第二章 光的衍射 习题及答案
第二章 光的衍射 1. 单色平面光照射到一小圆孔上，将其波面分成半波带。求第к个带的半径。若极点到观察点的距离r 0为1m ，单色光波长为450nm ，求此时第一半波带的半径。 解： 20 22r r k k +=ρ 而 20λ k r r k += 20λk r r k = - 20202λ ρk r r k = -+ 将上式两边平方，得 42 2020 20 2 λλρk kr r r k + +=+ 略去22λk 项，则 λ ρ0kr k = 将 cm 104500cm,100,1-8 0?===λr k 带入上式，得 cm 067.0=ρ 2. 平行单色光从左向右垂直射到一个有圆形小孔的屏上，设此孔可以像照相机光圈那样 改变大小。问：（1）小孔半径满足什么条件时，才能使得此小孔右侧轴线上距小空孔中心4m 的P 点的光强分别得到极大值和极小值；（2）P 点最亮时，小孔直径应为多大？设此时的波长为500nm 。 解：（1）根据上题结论 ρ ρ0kr k = 将 cm 105cm,400-5 0?==λr 代入，得 cm 1414.01054005k k k =??=-ρ 当k 为奇数时，P 点为极大值； k 为偶数时，P 点为极小值。 （2）P 点最亮时，小孔的直径为 cm 2828.02201==λρr 3．波长为500nm 的单色点光源离光阑1m ，光阑上有一个内外半径分别为0.5mm 和1mm 的透光圆环，接收点P 离光阑1m ，求P 点的光强I 与没有光阑时的光强度I 0之比。 解：根据题意 m 1=R 500nm mm 1R mm 5.0R m 121hk hk 0====λr 有光阑时，由公式 ???? ??+=+=R r R R r r R R k h h 11)(02 002λλ
光的衍射习题测验解答
习题 19-1．波长为nm 546的平行光垂直照射在缝宽为mm 437.0的单缝上，缝后有焦距为cm 40的凸透镜，求透镜焦平面上出现的衍射中央明纹的线宽度。 解：中央明纹的线宽即为两个暗纹之间的距离 a λ???2210=-=? f x 20= ?? 利用两者相等，所以：m a f x 339100.110 437.04 .010546222---?=????==λ 19-2．波长为nm 500和nm 520的两种单色光同时垂直入射在光栅常数为cm 002.0的 光栅上，紧靠光栅后用焦距为m 2的透镜把光线聚焦在屏幕上。求这两束光的第三级谱线之间的距离。 解：两种波长的第三谱线的位置分别为x 1,x 2 λ?k a ±=sin f x = =??tan sin a f x 113λ= a f x 2 23λ= 所以： 120.006m x x x ?=-= 19-3．在通常的环境中，人眼的瞳孔直径为mm 3。设人眼最敏感的光波长为nm 550=λ， 人眼最小分辨角为多大？如果窗纱上两根细丝之间的距离为mm 0.2，人在多远处恰能分辨。 解：最小分辨角为：rad D 439 102.210 31055022.122.1---?=???==λ θ 如果窗纱上两根细丝之间的距离为mm 0.2，人在多远处恰能分辨。 m s mm l rad s l 1.9210 2.24==?== -，可得：，当θ 19-4．已知氯化钠晶体的晶面距离nm 282.0=d ，现用波长nm 154.0=λ的X 射线射向晶体表面，观察到第一级反射主极大，求X 射线与晶体所成的掠射角. 解： 2 12sin λ ?）（+± =k d 第一级即k=0。 sin 0.2762rad d λ ??== = 19-5. 如能用一光栅在第一级光谱中分辨在波长间隔nm 18.0=?λ，发射中心波长为
第十六章光的衍射
自我测试 第十六章 光的衍射 一、选择题 1．根据惠更斯－菲涅耳原理，若已知光在某时刻的波阵面为S ，则S 的前方 某点P 的光强决定于波阵面S 上所有次级光源发出的子波各自传到P 点的（ ）。 (A) 振动振幅之和 (B) 光强之和 (C) 振动振幅之和的平方 (D) 振 动的相干叠加 2．在夫郎和费单缝衍射实验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时， 除中心亮条纹的中心不动外，各级衍射条纹（ ） (A) 对应的衍射角变小； (B) 对应的衍射角变大； (C) 对应的衍射角也不变； (D) 光强也不变。 3．平行单色光垂直入射于单缝上，观察夫郎和费衍射屏上P 点处为第二级暗 纹，则单缝处波面相应地可划分为几个半波带（ ） (A) 五个； (B) 两个； (C) 三个； (D) 四个。 4．波长为λ的单色平行光垂直入射到一狭缝上，其衍射图样的第一级暗纹中心对应的衍射角为6 πθ±=，则缝宽的大小为（ ） (A)2/λ； (B)λ； (C) λ2； (D) λ3。 5．一宇航员在160km 高空，恰好能分辨地面上两个发射波长为550nm 的点光
源，假定宇航员的瞳孔直径为5.0mm ，如此两点光源的间距为（ ）。 (A) 21.5m (B) 10.5m (C) 31.0m (D) 42.0m 6．波长为nm 550=λ的单色光垂直入射于光栅常数4102-?=d cm 的平面衍 射光栅上，可能观察到的光谱线的最大级次为（ ）。 (A) 2 （B ）3 （C ）4 （D ）5 7．长度为10cm ，每厘米有2000条刻线的平面衍射光栅能够分辨500nm 的第 一级光谱中邻近的两谱线的间隔近似为多少nm?（ ）。 (A) 0.00025 (B) 0.00025 (C) 0.025 (D) 0.25 8．一束平行单色光垂直入射在光栅上，当光栅常数（a +b ）为下列哪种情况时 （a 代表缝宽），k=3,6,9等级次的主级大均不出现？（ ）。 (A) a +b =2a (B) a +b =3a (C) a +b =4a (D) a +b =5a 9．一束单色光垂直入射在平面光栅上，衍射光谱中共出现了5条明纹。若已 知此光栅缝宽度与不透明宽度相等，那么在中央明纹一侧的第二条明纹是第几级？ （ ）。 (A) 一级 (B) 二级 (C) 三级 (D) 四级 二、填空题 1．波长为λ的单色光垂直照射在缝宽为λ4=a 的单缝上，对应?=30?衍射 角，单缝处的波面可划分为 半波带，对应的屏上条纹为 纹。
第13章 光 单元综合试题及答案1
第十三章 光 本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，试卷满分为100分．考试时间为90分钟． 第Ⅰ卷(选择题，共40分) 一、选择题(本题共10小题，每题4分，共40分．有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确，把正确选项前的字母填在题后的括号内) 1．(2010·全国卷Ⅰ)某人手持边长为6cm 的正方形平面镜测量身后一棵树的高度．测量时保持镜面与地面垂直，镜子与眼睛的距离为0.4m.在某位置时，他在镜中恰好能够看到整棵树的像；然后他向前走了6.0m ，发现用这个镜子长度的5/6就能看到整棵树的像．这棵树的高度约为( ) A ．5.5m B ．5.0m C ．4.5m D ．4.0m 图1 解析：设初态树与镜面距离为L ，成像于像1位置，人向前走6 m 等效于人不动树向后退6 m ，则树成像于像2位置，设树高为h ，由图中几何关系有 0.4L ＋0.4＝0.06h (①式)、0.4L ＋0.4＋6＝0.05 h (②式)，由①②联立解得h ＝4.5 m ，所以本题只有选项C 正确． 答案：C 2．如下图所示，一束光线从折射率为1.5的玻璃内射向空气，在界面上的入射角为45°，下面四个光路图中，正确的是( )
解析：发生全反射的临界角 C ＝arcsin 1n ＝arcsin 23
第二章 光的衍射 习题
光的衍射 一、填空题 1. 衍射可分为 和 两大类。 2. 光的衍射条件是_障碍物的限度和波长可比拟____。 3. 光波的波长为λ的单色光，通过线度为L 的障碍物时，只有当___λ>>L_________ 才能观察到明显的衍射现象。 4. 单色平面波照射到一小圆孔上,将其波面分成半波带.若几点到观察点的距离为1m ，单 色光的波长为4900?,则此时第一半波带的半径为_________。 5. 惠更斯－菲涅尔原理是在惠更斯原理基础上，进一步考虑了__次波相干叠加 ______________，补充和发展了惠更斯原理而建立起来的。 6. 在菲涅尔圆孔衍射中，单色点光源距圆孔为R ，光波波长为λ，半径为ρ的圆孔露出 的波面对在轴线上的距圆孔无限远处可作的半波带数为__λρR /2_______________。 7. 在菲涅尔圆孔衍射中，圆孔半径为 6 mm ，波长为6000ο A 的平行单色光垂直通过圆 孔，在圆孔的轴线上距圆孔6 m 处可作_____10___个半波带。 8. 在菲涅尔圆孔衍射中，入射光的强度为I 0，当轴线上P 点的光程差为2λ 时，P 点的光 强与入射光强的比为_____4__________。 9. 在菲涅尔圆孔衍射中，入射光的振幅为A 0，当轴线上P 点恰好作出一个半波带，该点 的光强为__________20A ______。 10. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b ，在衍射角为方向θ，狭缝边缘与中心光线的光程差 为____________。 11. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b ，波长为λ，在衍射角为方向θ，狭缝两边缘光波的 位相差为____________。 12. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b ，波长为λ，观察屏上出现暗纹的条件，衍射角θ可 表示为_____________。 13. 夫琅禾费双缝衍射是___________与___________的总效果，其光强表达式中 ______________是单缝衍射因子，______________是双缝干涉因子。 14. 光栅衍射是夫琅禾费单缝衍射和多缝光栅的总效果，单缝衍射因子是_____________， 多缝干涉因子是____________。 15. 光栅衍射实验中，光栅常数为a+b ，缝数为N ，两相邻主最大之间有_______个最小， ________个次最大。 16. 在光栅衍射实验中，光栅常数为d ，能观察到衍射条纹的最大波长为____d________。 17. 光栅衍射的第三级缺级，则光栅常数与缝宽之比为_____________；还有第_________ 级主级大缺级。 18. 波长为λ的平行单色光垂直入射到半径为R 的圆孔上所产生的衍射，中心亮斑称 __________，它的半角宽度为_____________。 19. 强激光从激光器孔径为d 的输出窗射向月球，得到直径为D 的光斑（艾里斑）。如果激 光器的孔径是2d ，则月球上的光斑直径是________________。 20. 直径为2 mm 的氦氖激光束（λ=633 nm ），从地面射向月球，已知月球到地面的距离 为3.76×105 km ，则在月球上得到的光斑直径为___2.9*10^5_____________m 。 二、选择题 1. 用半波带法研究菲涅耳圆孔衍射，其中圆孔轴线上P 点明暗决定于（ ）
第 17 章 光的衍射
第3章 光的衍射 【例题3－1】已知单缝夫琅禾费衍射所用波长λ = 500 nm 的光，单缝宽度a = 0.5 mm ，在焦距为f = 1 m 的透镜的焦平面上观察衍射条纹，求中央明纹和一级明纹的宽度。 解：由式（3-1），一级、二级暗纹中心对应的衍射角分别为 339110105.010500sin ---=??==a λ θ； 321022sin -?==a λθ 由于sin θ 很小，可以认为sin θ ≈θ ≈ tan θ ，因此一级、二级暗纹中心到原点O 的距离分别为 )m (101sin tan 3111-?=≈=θθf f x )m (102sin tan 3222-?=≈=θθf f x 中央明纹宽度即等于正负一级暗纹之间的距离，即 )m (1022310-?==?x x 一级明纹的宽度为一级暗纹中心到二级暗纹中心的距离 )m (1013121-?=-=?x x x 可见一级明纹的宽度只是中央明纹宽度的一半。 【例题3－2】用单色平行可见光垂直照射到缝宽为a = 0.5 mm ，在缝后放一焦距 f = 1.0 m 的透镜，在位于的焦平面的观察屏上形成衍射条纹。已知屏上离中央明纹中心为1.5mm 处的P 点为明纹，求： （1）入射光的波长； （2）P 点的明纹级次，以及对应的衍射角和单缝波面分成的半波带数。 解：（1）对于P 点， 33 105.10 .1105.1tan --?=?==f x θ 由P 点为明纹的条件式（3-1）可知 1 2tan 212sin 2+≈+=k k θθλa a 当k = 1时，λ = 500 nm 当k = 2时，λ = 300 nm 在可见光范围内，入射光波长为λ = 500 nm 。 （2）因为P 点为第一级明纹，k = 1 3105.123sin -?== ≈a λθθ(rad) 半波带数目为：2 k +1=3
第15章光的衍射
第15章光的衍射 基本要求 1、了解惠更斯--菲涅尔原理。 2、掌握单缝夫琅和费衍射，能计算单缝衍射的暗纹条纹分布， 能分析缝宽及波长对条纹分布的影响。 3、了解圆孔夫琅和费衍射的一般特性和光学仪器的分辨本领。 4、理解光栅衍射,能确定光栅衍射谱线的分布，会分析光栅常数 及波长对光栅衍射谱线分布的影响。 5、了解X射线衍射。 内容提要 1．惠更斯-菲涅尔原理 从同一波阵面上各点发出的子波，在传播过程中相遇时，也能相互叠加而产生干涉现象，空间各点波的强度，由各子波在该点的相干叠加所决定。 利用这一原理可以计算出衍射图样中的光强分布，但计算过程复杂，在大学物理教材中通常采用菲涅尔提出的半波带法来解释衍射现象。 2．单缝夫琅禾费衍射 （1）单缝衍射条纹的主要特点 ①中央明条纹（零级明纹）最亮，同时也最宽（约为其它明条纹宽度的两倍）； ②各级明条纹的光强随级数增大而减小； ③当白光入射时，中央明条纹仍为白色，其两侧的各级明纹呈现彩色，并按波长排列 最靠近中央的为紫色，最远离的为红色，各单色光会产生重叠交错。
④ 条纹级数有限。 （2） 屏单色光垂直入射时，屏幕干涉条纹位置 暗纹中心位置 sin a k ?λ=± 1,2,3,k = 明纹中心位置 sin (21) 2a k λ?=±+ 1,2,3,k = 中央明纹范围 sin a λ?λ-<< （3）条纹间距 中央明纹线宽度 02l f a λ =? 其它各级明纹线宽度（相邻两暗纹中心间距） 0l f a λ= 式中a 为单缝宽度，f 为缝屏间所置透镜的焦距。 应该注意，屏上条纹位置与衍射角之间有对应关系tan x f θ=。当θ比较小时，有sin tan θθ≈，此时sin tan x f f θθ=≈；当θ较大时，则要先求出θ值，再代入tan x f θ=中计算。 若用圆孔代替狭缝，则为圆孔夫琅禾费衍射，其衍射图样为明暗相间的同心圆环状条纹，中央明纹是圆形亮斑（爱里斑），它集中了入射光束中光强大约84%，其对透镜光心的张角 2 2.44 D λθ= 其中D 为圆孔直径。 3． 光学仪器的分辨率 两发光点刚好能被圆孔光学仪器分辨，则它们对透镜光心所张的角叫最小分辨角。由瑞利判据知，它等于爱里斑的半角度 1.22D λ θ=。光学仪器的最小分辨角的倒数，称为该 仪器的分辨率。所以提高光学仪器分辨率的途径之一是增大透光孔径D ，如大型天文望远镜；二是减小入射光波的波长λ。如用电子显微镜等。
12-2 大学物理第十二章
光的衍射 习题解答 10－1 波长为()nm 600=λ的单色光垂直入射到宽度为()mm a 10.0=的单缝上，观察夫琅和费衍射图样，透镜焦距()m f 0.1=，屏在透镜的焦平面处，求： (1)中央衍射明条纹的宽度0x ?； (2)第二级暗纹到中央明纹中心的距离2x 。 解：（1）中央明纹的宽度指在屏上两第一级暗纹间距。由单缝衍射暗纹公式 λk a =?sin 1k = 得 λ=?s i n a 又 f x tg sin 1= ?=?，其中1x 为第一级暗纹到中央明纹中心的距离。也 是中央明纹的半宽度。根据对称性： 10x 2x =? 由上三式得 a f 2x 0λ=? 其中： ()()()nm 600;m m 10.0a ;m 0.1f =λ== ()()nm m x 1210 10 60.124 7 0=???= ?-- 10－2 波长为 A 5000=λ的单色光垂直入到宽度a=0．15mm 的单缝上，缝后放一焦距f=40cm 的凸透镜，观察屏在焦平面上，求屏上中央明纹两侧的两个第三级暗纹之间的距离。 解：由第k 级暗纹到中央明纹中心的间距公式 a fk x λ= a f 3x 3k 3λ==时，当 根据对称性 a f 6x 2x 33λ==? 其中 ()()cm 40f ;mm 15.0a ;A 5000===λ ()()mm 8cm 10 5.1105406x 2 5 3=????= ?-- 10－3 如单缝夫琅和费衍射的第一级暗纹发生在衍射角为 30=φ的方位上，所用单色光波长 为 A 5000=λ，求单缝的宽度。 解：由单缝衍射暗纹公式 ()() m cm A k k a μλ λλλ130 sin 10 5sin a 5000,30,1sin k a sin 5=?= ? = ==?=? = =?- 对有 10－4 白光形成的单缝夫琅和费衍射图样中，某光波的第三级明纹和 A 6000=λ的光波第二
第四章 光的衍射
第四章光的衍射 前言 衍射：当光波遇到障碍物时，会偏离几何光学的直线传播而绕行的现象称为光的衍射(diffraction). 衍射的限制与展宽 限制尺度、发散角和波长的关系： 衍射图样和结构：一一对应。结构越细微，相应的衍射图样越大；结构越复杂，相应的衍射图样越复杂 学科交叉引发创新：克里克(F. Crick)、沃森(J. Watson)、威尔金斯(M. Wilkins)，1962年诺贝 尔医学奖。上世纪，研究DNA结构的威尔金斯等人都是物理学家或化学家--物理学“剑走偏 锋”助产了现代生物学。(DNA的X光衍射照片) 惠更斯原理与衍射 光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前，波前上的每一点都可以看成一个新的扰动中心，称为子波源或次波源，次波源向四周发出次波；下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面，或称为包络面；次波中心与其次波面上的那个切点的连线方向给出了该处光传播方向。惠更斯原理的不足 ①不能回答光振幅或光强的传播问题 ②不能回答光位相的传播问题 一、惠更斯-菲涅耳原理 菲涅耳，法国物理学家和铁路工程师。菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射。他以 惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了惠更斯--菲涅耳原理，完善了光的衍 射理论。另一成就是偏振。他与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，确定了光是横波 （1821）；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象（1823），用波动说解释了偏振面的旋转； 他推出了反射定律和折射定律的定量规律，即菲涅耳公式；解释了马吕斯的反射光偏振现象 和双折射现象，奠定了晶体光学的基础。 菲涅尔透镜
1、惠更斯—菲涅耳原理 波前上的每个面元都可以看成次波源，它们向四周发射次波；波场中任一场点的扰动都是所有次波源所贡献的次级扰动的相干叠加 波前的遮挡或扭曲，导致次波源部分失去，或次波源的相位发生改变。被改变的次波源相干叠加，产生衍射强度分布。这种新的强度分布带有障碍物的信息。 惠更斯—菲涅耳原理的数学表示：
第二章-光的衍射3
§2 - 4 X 射线在晶体上的衍射 一 X 射线的应用 X 射线：波长大约在10 3 ~ 1 nm 范围内的电磁波。 特点：波长短，穿透力强。 衍射图样?: 晶体点阵作为衍射光栅， 可证其波动性。正是由于X 射线 的波长很短，用普通的光学光栅看不到它的 衍射现象。 图2- 13 X 射线管 图2- 14 钼靶的X 射线谱
X rays produced: a beam of electrons directed against a metal plate. 图2 – 13： X射线管的结构示意图 图2 – 14：由钼靶所产生的X射线谱。 光谱：连续谱和线状 宽的连续谱：决定于施加在X射线管上的电压； 两个尖锐的峰所表示的线状谱：决定于靶的材料。 一种新型光源－同步辐射:在同步加速器中，电子在一定的环形轨道上被固定频率的高频电场加速。当电子的速度接近光速时，按照相对论，其电磁辐射的角分布集中于电子轨道的切线方向。同步辐射具有从红外线到硬X射线广泛范围内的连续谱，而且准直性好、辐射亮度高并具有天然的偏振性。同步辐射的一个储存环的辐射总功率常在数千瓦以上，它在物理学、化学和生物学等许多科学技术领域里得到了越来越广泛的应用。 二布拉格条件 晶体、准晶体和非晶体：三类固体材料。 晶体：原子排列十分规则，具有周期性。 晶格：晶体中原子排列的具体形式。 原胞：晶格的最小的周期性单元。
晶格基矢：原胞的三个独立的边矢量123,,a a a 。 简单晶格：每一个原胞只有一个原子。 复式晶格：每一个原胞包含两个以上的原子。 格or 点阵：如果把简单晶格中每个原子的位置坐标写成11l a +22l a +33l a ，则可以用一组整数(l 1, l 2, l 3)的所有可能取值的集合表示一个空间格子，称为格或点阵。这个格或点阵表征了晶格的周期性，称为布拉维格。当我们以同样方式把一个或一组原子安 置在每个布拉维 格的格点上时，就 分别构成了简单 或复式晶格。 自然界中晶格 有十四种布拉维 图2 - 15 晶面系
8第十七章 光的衍射作业答案
一、选择题 [ B ]1、（基础训练1）在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为a ＝4 λ 的单缝上，对应于衍射角为30°的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 （A ） 2 个 （B ） 4 个 （C ） 6 个 （D ） 8 个 【答】已知a ＝4 λ，θ=30°，1sin 4422 a λ θλ∴=? =?，半波带数目N = 4. [ C ]2、（基础训练5）一单色平行光束垂直照射在宽度为1.0 mm 的单缝上，在缝后放一焦距为2.0 m 的会聚透镜。已知位于透镜焦平面处的屏幕上的中央明条纹宽度为2.0 mm ，则入射光波长约为 （A ）100 nm （B ）400 nm （C ）500 nm （D ）600 nm 【答】中央明条纹宽度为2, 5002x a x f nm a f λ λ???≈∴= = [ B ]3、（基础训练6）一束平行单色光垂直入射在光栅上，当光栅常数（a + b ）为下列哪种情况时（a 代表每条缝的宽度），k =3、6、9 等级次的主极大均不出现？ （A ）a ＋b =2 a （B ）a ＋b =3 a （C ）a ＋b =4 a （A ）a ＋b =6 a 【答】光栅缺级：()sin sin 'a b k a k θλ θλ+=??=? ， 缺级的主极大的级次为',2,3,...a b a b a b a b k k a a a a ++++==，k 应为整数，依题意，k=3,6,9缺级，所 以a+b=3a 符合。 [ D ]4、（基础训练10）孔径相同的微波望远镜和光学望远镜相比较，前者分辨本领较小的原因是 （A ） 星体发出的微波能量比可见光能量小 （B ） 微波更易被大气所吸收 （C ） 大气对微波的折射率较小 （D ） 微波波长比可见光波长大 【答】分辨本领为1 1.22R d R θλ ==，孔径d 相同时，R 与波长λ成反比关系。微波波长比可见光波长 大，所以微波望远镜分辨本领较小。 [ C ]5、（自测提高2）在如图17-14所示的单缝夫琅禾费衍射装置中， 将单缝宽度a 稍梢变宽，同时使单缝沿y 轴正方向作微小平移（透镜屏幕位置不动），则屏幕C 上的中央衍射条纹将 （A ）变窄，同时向上移 （B ）变窄，同时向下移 （C ）变窄，不移动 （D ）变宽，同时向上移 （E ）变宽，不移 【答】（1）中央明纹宽度11x 2 2sin 2f tg f f a λ θθ?=≈=，现在a ↑，所以x ?↓. （2）中央明纹即为像点，其位置只与透镜的位置及光的传播方向有关，不因缝的平移而改变。 图 17-14
工程光学习题解答第十二章光的衍射
第十二章光的衍射 1.波长为500nm 的平行光垂直照射在宽度为 0.025mm 的单缝上，以焦距为 50cm 的会 聚透镜将衍射光聚焦于焦面上进行观察，求（ 1 ）衍射图样中央亮纹的半宽度； （2） ???中央亮纹的角半宽度为 同理 r 2 24.6mm 2.平行光斜入射到单缝上，证明：（1 ）单缝夫琅和费衍射强度公式为 第一亮纹和第二亮纹到中央亮纹的距离; (3) 亮纹和第二亮纹的强 度。 解：（1）零强度点有a sin n (n 1, 2, ?亮纹半宽度 50 10 2 500 10 9 0.01m 3 0.025 10 （2）第一亮纹，有 —a sin 1 4.493 4.493 1 4.493 500 10 9 3 0.0286 rad 0.025 10 3.14 2 1 50 10 2 0.0286 0.0143m 14.3mm （3）衍射光强 sin 1 其中 —a sin 当 asin 时为暗纹, tg 为亮纹 ?对应 级数
人 a ⑵ 令 sin sini 图12-50 习题3图 为30mm ，光波波长为632.8nm 。问细丝直径是多少? 解：设直径为a ，则有一 f d a a 度公式，并求出当b 时，（1）圆环衍射与半径为a 的圆孔衍射图样的中心强度之比； （2） 2 圆环衍射图样第一个暗环的角半径。 a sin[ (sin sin i)] 式中，I o 是中央亮纹中心强度；a 是缝宽； 是 -(sin sin i) 衍射角，i 是入射角（见图12-50 ） （2 ）中央亮纹的角半宽度为 acosi ???对于中央亮斑 sin sin i — a 3. 在不透明细丝的夫琅和费衍射图样中, 测得暗条纹的间距为 1.5mm ,所用透镜的焦距 f 9 632.8 10 9 0.03 — a d 3 0.0126mm 1.5 10 3 4.利用第三节的结果导出外径和内径分别为 12-51 ）的夫琅和费衍射强 证明：（1）与垂直入射相比 a 和b 的圆环（见图
14第十四章光的衍射
第十四章光的衍射 班级：学号：姓名： 1.单项选择题（每题3分，共30分） （1）根据惠更斯－菲涅耳原理，如果光在某时刻的波阵面为S，那么S的前方某点P的光强度决定于S上所有面积元发出的子波各自传到P点的［］ (A) 振动振幅之和；(B) 振动振幅之和； (C) 的平方光强之和；(D) 振动的相干叠加。 （2）在夫琅禾费单缝衍射实验中，如果入射的单色光确定，当缝宽度变小时，除了中央亮纹的中心位置不变以外，各级衍射条纹［］ (A) 对应的衍射角也不变；(B) 对应的衍射角变大； (C) 对应的衍射角变小；(D) 光强也不变。 （3）在单缝夫琅禾费衍射实验中，如果增大缝宽，其他条件不变，则中央明条纹［］ (A) 宽度变小；(B) 宽度不变，且中心强度也不变； (C) 宽度变大；(D) 宽度不变，但中心强度增大。 （4）波长一定的单色光垂直入射在衍射光栅上，屏幕上只出现了零级和一级主极大，如果想使屏幕上出现更高级次的主极大，应该 (A) 将光栅靠近屏幕；(B) 换一个光栅常数较小的光栅； (C) 将光栅远离屏幕；(D) 换一个光栅常数较大的光栅。 （5）波长为550nm的单色光垂直入射在光栅常数为2×10-3mm的衍射光栅上，这时可以观察到光谱线的最大级次为［］ (A) 5；(B) 4；(C) 3；(D) 2。 （6）在双缝衍射实验中，如果保持双缝的中心间距不变，而把两条缝的宽度同时略微加宽相同的数值，则［］ (A) 单缝衍射的中央明纹变窄，其中包含的干涉条纹数目变少； (B) 单缝衍射的中央明纹变宽，其中包含的干涉条纹数目变多； (C) 单缝衍射的中央明纹变窄，其中包含的干涉条纹数目变多； (D) 单缝衍射的中央明纹变宽，其中包含的干涉条纹数目变少。 （7）想用衍射光栅准确测定某单色可见光的波长，在下列各种光栅常数的光栅中，应该选用［］ (A) 5.5×10-1 mm；(B) 0.5×10-3 mm；(C) 0.8×10-2 mm；(D) 1.5×10-3 mm。 2.填空题（每空2分，共30分） （1）波长为600nm的单色平行光垂直入射在缝宽为0.60mm的单缝上，该单缝后有一个焦距为60cm的透镜，在透镜焦平面上观察衍射图样，中央明纹的宽度为（），两个第四级暗纹之间的距离为（）。 （2）平行单色光垂直入射在单缝上，观察夫琅禾费单缝衍射图样时，发现屏上P点处为第三级暗条纹，则单缝处的波面相应地可以划分为（）个半波带。如果将单缝宽度缩小一半，P点处将是第（）级（）条纹． （3）波长为λ的单色光垂直入射在缝宽为4λ的单缝上。对应于30°的衍射角，单缝处的波面可划分为（）个半波带。 （4）惠更斯－菲涅耳原理的基本内容是：波阵面上各面积元所发出的子波在观察点P的（）决定了该点的合振动及光强。 （5）在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为5λ的单缝上。对应于衍射角?，如果单缝处的波面恰好可以划分成5个半波带，则衍射角?等于（）。（6）测量未知单缝宽度a的一种方法是：用已知波长λ的平行光垂直入射在单缝上，在距单缝距离为D(D>>a)处测出衍射图样的中央亮纹宽度为l，则由单缝衍射的原理可得a与λ、D、
第18章(光的衍射)
18-1 测量单色光的波长时，下列方法中哪一种方法最为准确？ (A) 双缝干涉． (B) 牛顿环 ． (C) 单缝衍射． (D) 光栅衍射． [ D ] 答：因为光栅衍射获得的明纹本身即亮又窄，且相邻明纹分得很开，以致能更精确测定 条纹的宽度。 18-2 一束白光垂直照射在一光栅上，在形成的同一级光栅光谱中，偏离中央明纹最远 的是 (A) 紫光． (B) 绿光． (C) 黄光． (D) 红光． [ D ] 答：由光栅方程 l q k d = sin 对同一级次，波长越长，衍射角越大，偏离中央明纹越远，故红光的谱线离中央远。 18-3 在夫琅禾费单缝衍射实验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时，除中央 亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹对应的衍射角如何变化？ [ 变大 ] 答：单缝衍射次明纹中心： (21) sin 2 k a q l + = 波长一定，缝宽 a 变小，衍射角变大。 18-4 波长l =550 nm(1nm=10 ?9 m)的单色光垂直入射于光栅常数 d =2×10 - 4 cm 的平面衍 射光栅上，可能观察到的光谱线的最大级次是几？ [ 3 ] 答：由光栅方程 l q k d = sin 得 可观察到的最大级次： 6 9 sin sin 210 2 4 55010 d d d k p q l l l - - ′ = = === ′ 18-5 设光栅平面、透镜均与屏幕平行．则当入射的平行单色光从垂直于光栅平面入射 变为斜入射时，能观察到的光谱线的最高级次k 如何变化？ [ 变大 ] 答：由光栅方程 l q k d = sin 得 max sin sin 2 d d d k p q l l l = = = 由 l q k i d = ± ) sin (sin 得 max (sin 90sin )(1sin ) d d k i i l l ￠ =+=+ o 得 max max k k ￠ > ，故最高级次变大。
第十三章 第5节 光的衍射
第十三章第5节光的衍射 知识点 一、光的衍射现象 在挡板上上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏（如上图所示）。用单色平行光照射狭缝，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。这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。 二、发生明显衍射现象的条件 缝、孔或障碍物的尺寸与波长相差不多，或者比波长更短。 三、衍射图样 1、单缝衍射 (1)中央条纹为亮条纹，离中央条纹越远，亮条纹的宽度变窄，亮度变暗． (2)狭缝越窄，中央亮条纹越暗． 单缝衍射规律 A、波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大． B、单缝不变时，光波波长的（红光）中央亮纹越宽，条纹间隔越大． C、白光的单缝衍射条纹为中央亮，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色． 2、圆孔衍射 用点光源照射直径较大的圆孔时，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑，这是光直线传播的结果；缩小圆孔直径至足够小时，在屏上会出现一些明暗相间的圆环，这是光发生衍射的结果． 圆孔衍射图样特点：明暗相间的环状条纹，中央为圆形亮斑.
3、圆盘衍射(泊松亮斑) 用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑． 衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，与小孔衍射图样有明显区别． 四、衍射光栅 1．制造：在两个螺杆上绷上许多平行的金属丝或者在玻璃片上刻上许多均匀细槽．2．分类：透射光栅和反射光栅． 3．现象：平行光照射由许多平行的狭缝整齐地排列起来形成的光学仪器产生的衍射现象.
第11章 光的衍射
第11章光的衍射 一．简答题 1光栅衍射和单缝衍射有何区别？ 答：单缝衍射和光栅衍射的区别在于 1.光栅是由许多平行排列的等间距等宽度的狭缝组成，光栅衍射是单缝衍射调制下的多缝干涉； 2.从衍射所形成的衍射条纹看，单缝衍射的明纹宽，亮度不够，明纹与明纹间距不明显，不易辨别。而光栅衍射形成的明纹细且明亮，明纹与明纹的间距大，易辨别与测量。 2.什么是光的衍射现象？ 答：光在传播过程中，遇到障碍物的大小比光的波长大得不多时，会偏离直线路程而会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布，这就是光的衍射现象。 2.简述惠更斯——菲涅尔原理 答：从同一波阵面上各点发出的子波，经传播而在空间某点相遇时，也可相互叠加而产生干涉现象，称为惠更斯——菲涅尔原理。 4.什么是光栅衍射中的缺级现象？ 答：光栅衍射条纹是由N个狭缝的衍射光相互干涉形成的，对某一衍射角若同时满足主极大条纹公式和单缝衍射暗纹公式，那么在根据主极大条纹公式应该出现主明纹的地方，实际不出现主明纹，这种现象称为缺级。 二．填空题 1. 在复色光照射下的单缝衍射图样中，某一波长单色光的第3级明纹位置恰与波长λ=600nm 的单色光的第2级明纹位置重合，这光波的波长428.6nm 。 2. 波长为600nm的单色光垂直入射到光栅常数为2.5×10-3mm的光栅上，光栅的刻痕与缝宽相等，则光谱上呈现主明纹的最大级别为3。全部级数为0、±1、±3 。 3.在单缝衍射中,沿第二级明纹的衍射方向狭缝可分为5个半波带，沿第三级暗纹的衍射方向狭缝可分为4个半波带。 4、平行单色光垂直入射到平面衍射光栅上，若减小入射光的波长，则明条纹间距将变小若增大光栅常数，则衍射图样中明条纹的间距将减小。 5.在单缝衍射实验中，缝宽a= 0.2mm，透镜焦距f= 0.4m，入射光波长λ= 500nm，则在距离中央亮纹中心位置2mm处是暗纹 6. 用平行的白光垂直入射在平面透射光栅上时，波长为440 nm的第3级光谱线将与波长为660nm 的第2级光谱线重叠. 三．选择题 1在夫琅和费单缝衍射中，对于给定的入射光，当缝宽度变小时，除中央亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹。（B） (A) 对应的衍射角变小；(B) 对应的衍射角变大； (C) 对应的衍射角也不变；(D) 光强也不变。 2.一束平行单色光垂直入射在光栅上，当光栅常数( a+b ) 为下列情况( a 代表每条缝的宽度) k = 3 、6 、9 等级次的主极大均不出现？(B) (A) a+b= 2a (B) a+b= 3a
第13章 光的衍射习题
第13章 光的衍射习题 【13-1】衍射的本质是什么?衍射和干涉有什么联系和区别? 【答】波的衍射现象是波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的展衍现象．其实质是由被障碍物或孔隙的边缘限制的波阵面上各点发出的无数子波相互叠加而产生．而干涉则是由同频率、同方向及位相差恒定的两列波的叠加形成． （点评：波阵面上各点发出的无数子波相互叠加而产生，就是将这些子波当作相干光源，产生的相干光在空间相遇叠加，所以衍射的实质还是光的干涉。） 【13-2】在夫琅禾费单缝衍射实验中，如果把单缝沿透镜光轴方向平移时，衍射图样是否会跟着移动?若把单缝沿垂直于光轴方向平移时，衍射图样是否会跟着移动? 【答】把单缝沿透镜光轴方向平移时，衍射图样不会跟着移动．单缝沿垂直于光轴方向平移时，衍射图样不会跟着移动． 【13-3】什么叫半波带?单缝衍射中怎样划分半波带?对应于单缝衍射第3级明条纹和第4级暗条纹，单缝处波面各可分成几个半波带? 【答】半波带由单缝A 、B 首尾两点向?方向发出的衍射线的光程差用2 λ 来划分．对应于第3级明纹和第4级暗纹，单缝处波面可分成7个 和8个半波带． ∵由2 72 ) 132(2 ) 12(sin λ λ λ ? ? =+?=+=k a
2 84sin λ λ?? ==a 【13-4】在单缝衍射中，为什么衍射角?愈大（级数愈大）的那些明条纹的亮度愈小? 【答】因为衍射角?愈大则?sin a 值愈大，分成的半波带数愈多，每个半波带透过的光通量就愈小，而明条纹的亮度是由一个半波带的光能量决定的，所以亮度减小． 【13-5】若把单缝衍射实验装置全部浸入水中时，衍射图样将发生怎样的变化?如果此时用公式) ,2,1(2 ) 12(sin =+±=k k a λ ? 来测定光的波 长，问测出的波长是光在空气中的还是在水中的波长? 【解】当全部装置浸入水中时，由于水中波长变短，对应 = '='λ?k a sin n k λ，而空气中为λ ? k a =sin ，∴??'=sin sin n ，即n φφ'≈， 水中同级衍射角变小，条纹变密． 如用) 12(sin +±=k a ? 2 λ ) ,2,1(???=k 来测光的波长，则应是光在水中的波 长．(因?sin a 只代表光在水中的波程差)． 【13-6】在单缝夫琅禾费衍射中，改变下列条件，衍射条纹有何变化?(1)缝宽变窄；(2)入射光波长变长；(3)入射平行光由正入射变为斜入射． 【解】(1)缝宽变窄，由λ ? k a =sin 知，衍射角?变大，条纹变稀； (2)λ变大，保持a ，k 不变，则衍射角?亦变大，条纹变稀；
第十七章 光的衍射 作业及参考答案 2014
一 选择题 [B]1,(基础训练1)在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为a ＝4λ的单缝上，对应于衍射角为30°的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 （A ） 2 个 （B ） 4 个 （C ） 6 个 （D ） 8 个 【提示】已知a ＝4λ，θ=30°，1sin 4422 a λ θλ∴=? =?，半波带数目N = 4. [C]2.(基础训练5)一单色平行光束垂直照射在宽度为1.0 mm 的单缝上，在缝后放一焦 距为2.0 m 的会聚透镜。已知位于透镜焦平面处的屏幕上的中央明条纹宽度为2.0 mm ，则入射光波长约为 （A ）100 nm （B ）400 nm （C ）500 nm （D ）600 nm 【提示】.2,2f x a a f x ?=∴= ?λλ, [B]3(基础训练6)一束平行单色光垂直入射在光栅上，当光栅常数（a + b ）为下列哪种情况时（a 代表每条缝的宽度），k =3、6、9 等级次的主极大均不出现？ （A ）a ＋b =2 a （B ）a ＋b =3 a （C ）a ＋b =4 a （A ）a ＋b =6 a 【提示】光栅缺级：()sin sin 'a b k a k θλθλ +=?? =?，',2,3,...a b a b a b a b k k a a a a ++++==， 依题意，3,6,9缺级,,a+b=3a. [D]4.(基础训练10)孔径相同的微波望远镜和光学望远镜相比较，前者分辨本领较小的原因是 （A ） 星体发出的微波能量比可见光能量小 （B ） 微波更易被大气所吸收 （C ） 大气对微波的折射率较小 （D ） 微波波长比可见光波长大 【提示】λ δθ 22.11 d N = = 和光波比较，微波波长较长。 [C]5.(自测提高2)在如图17-13所示的单缝夫琅禾费衍射装置中，将单缝宽度a 稍梢变宽，同时使单缝沿y 轴正方向作微小平移（透镜屏幕位置不动），则屏幕C 上的中央衍射条纹将 （A ）变窄，同时向上移 （B ）变窄，同时向下移 （C ）变窄，不移动 （D ）变宽，同时向上移 （E ）变宽，不移 图17-13