光的衍射
光的衍射
单缝衍射
P只要有两者为有限远.即近 只要有两者为有限远. 场衍射
衍射屏R 衍射屏 观察屏P 观察屏 S
2.单缝衍射 §2.单缝衍射 一.实验装置 二.衍射条纹 衍射条纹 明纹等间距 中央明纹宽度是其它明 纹的两倍 三.理论分析(菲涅耳 理论分析( 半波带法) 半波带法) 1.狭缝 作为子波源 子 狭缝a 作为子波源.子 狭缝 波在L的焦平面上相遇 波在 的焦平面上相遇 而干涉. 而干涉
4
如图,设波阵面面元 在 如图 设波阵面面元dS在 设波阵面面元 距离为r 处产生的光矢 距离为 的P处产生的光矢 量为dE 量为
表述: 表述 : 波传到的任何一点 都可看作发射子波的波源, 都可看作发射子波的波源, K(θ)随θ增大而减小 θ 随 增大而减小. 从同一波阵面上各点发射 π 的子波在空间某点相遇而 的子波在空间某点相遇而 θ≥ K(θ ) = 0 2 相干叠加, 相干叠加,决定该点波的光强 a(Q) ⋅ K(θ ) 2π r E( p) = ∫∫s ) ⋅ dS ⋅ cos(ω t − . n r λ dE(p) θ r = E0( p) ⋅ cos(ω t + ϕ p) ) （ dS · ·
可将缝分成三个“ 可将缝分成三个 “ 半波 带 ” ,P 处近似为明纹中 心
B a A λ/2 λ/2
λ/2
θ
a
把光程差δ分为的半波长 把光程差 分为的半波长 λ/2倍数进行分析 倍数进行分析. 倍数进行分析 两个“半波带” 为两个“半波带”
B θ
a sinθ = λ 时，可将缝分
两个“半波带”上发的 光在 P 处干涉相消形成暗 纹.
14
a sinθ = 0
2λ 角宽度 ∆θ = 2θ = a
高中物理：光的衍射
高中物理：光的衍射
【知识点的认识】
一、光的衍射
1．光离开直线路径绕到障碍物阴影里的现象叫光的衍射．
2．发生明显衍射的条件：只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小或者跟波长差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象．
3．泊松亮斑：当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑（在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环）．
4．常见的衍射现象有单缝衍射，圆孔衍射和泊松亮斑等．
5．单缝衍射图样特点：若是单色光，则中央条纹最宽最亮，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹，其亮度和宽度依次减小；若是白光则中央为白色亮条纹，且最宽最亮，两边为彩色条纹．
【解题方法点拨】
衍射与干涉的比较
两种现象
比较项目
单缝衍射双缝干涉
不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最
宽
条纹宽度相等
条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距
亮度情况中央条纹最亮，两边变
暗条纹清晰，亮度基本相
等
相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；
干涉、衍射都有明暗相间的条纹
（1）白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同．
（2）区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分．
2．干涉与衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理．在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或
多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹．。
什么是光的衍射
什么是光的衍射光的衍射是一种光线在通过物体边缘或孔隙时发生偏折和扩散的现象。
它是光学中的基本现象之一，具有重要的科学和应用价值。
光的衍射现象在自然界和人类生活中随处可见，如彩虹、干涉条纹和人眼的成像等。
现在让我们来深入了解光的衍射，并探讨其原理和应用。
一、光的衍射原理光的衍射现象是由于光是一种波动现象而产生的。
根据波动理论，当光波碰到一些遮挡物、边缘或孔隙时，波面会发生变化，导致光线的传播方向发生偏转。
这种波动的现象称为光的衍射。
光的衍射现象发生的重要条件是，衍射物的尺寸与光的波长相当或者更小。
二、光的衍射类型光的衍射可分为两种类型：菲涅尔衍射和菲拉格朗日衍射。
1. 菲涅尔衍射：菲涅尔衍射是指当光线通过一个有规则的缝隙或遮挡物时产生的衍射现象。
在菲涅尔衍射中，光线从波的超前部分和滞后部分发出，形成交替的亮暗带。
这种衍射现象常见于天空的颜色变化、水面波纹和薄膜的彩虹等。
2. 菲拉格朗日衍射：菲拉格朗日衍射是指当光线通过一个孔隙或物体边缘时产生的衍射现象。
在菲拉格朗日衍射中，光线从边缘扩散并发生干涉，形成明暗交替的条纹。
这种衍射现象常见于干涉仪、衍射光栅和光学显微镜等。
三、光的衍射应用光的衍射在科学研究和实际应用领域有广泛的应用价值。
1. 衍射光栅：光的衍射光栅是一种利用光的衍射现象制造的光学元件。
它由许多平行的刻线组成，当光线通过光栅时会发生衍射效应，产生一系列干涉条纹。
衍射光栅广泛应用于光谱分析、激光器、干涉仪和光学通信等领域。
2. 显微镜：光学显微镜利用光的衍射原理来观察微小物体。
当被观察的物体放置在显微镜下时，光线通过物体的边缘或孔隙发生衍射，使得物体的细节可见。
光学显微镜在生物学、医学、材料科学和纳米技术等领域中得到广泛应用。
3. 激光干涉：激光干涉是利用光的衍射和干涉现象来测量物体表面形貌和薄膜厚度的一种方法。
通过利用激光束的波动特性，可以通过测量衍射和干涉条纹的形状和间距来获取物体的形貌信息。
光的衍射
�
(A) )
(B) )
(C) )
(1)试指出这三个孔的可能形状. )试指出这三个孔的可能形状. (2)试根据以上三图说明衍射图象与障碍物(或孔)的形 )试根据以上三图说明衍射图象与障碍物(或孔) 状有无关系. 状有无关系. 的双螺旋结构, (3)DNA的双螺旋结构,是物理化学家弗兰克林通过拍摄 ) 的双螺旋结构 不同温度下DNA晶体的 射线衍射照片,并对比研究获得 晶体的X射线衍射照片 不同温度下 晶体的 射线衍射照片, 这一事实给认识微观世界提供了什么样的启示? 的.这一事实给认识微观世界提供了什么样的启示?
光的干涉条纹和衍射条纹的比较
光的干涉和衍射的比较
光的干涉和衍射都是说明光有波动性的主要特征,两者都是 光束的叠加形成的,它们的主要不同是: (1)形成条件不同 在杨氏双缝干涉中,在屏上观察区域内可以认为穿过狭缝时 所有的光彼此都相同,就像穿过狭缝时只有两条光线一样, 因此,杨氏双缝干涉可以认为只有两束光线的叠加形成的. 在单缝衍射中,由于必须考虑到穿过缝的不同部位的光线之 间的相位差才能解释实验现象,因此,它是由缝中各点发出 的无数束光线的叠加形成的. (2)分布规律不同 在杨氏双缝干涉中,条纹图样是中央明条纹,两边等间距排 列亮度相同的明暗相间条纹. 在单缝衍射中的条纹图样,中央是一条最亮最宽的明条纹, 两边不等距排列着亮度比中央明条弱得多的明条纹,并且离 中央明条纹越远,条纹亮度越弱.
二,光的衍射
光的衍射现象: 光的衍射现象:
狭缝 单 色 光 像 屏
当光通过狭缝(或障 碍物)的时候,光会 偏离直线路径绕到狭 缝(或障碍物)的阴 影里去的现象,叫做 光的衍射现象.
衍射时形成的明暗相间的条纹,叫做衍射 图样.
光的衍射的条件: 光的衍射的条件:
光的衍射
光的衍射定义：光绕过障碍物继续向前传播的现象。
包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象。
这种现象叫光的衍射。
衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。
产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。
用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。
光的衍射1．衍射现象光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象，叫光的衍射。
光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。
2．光产生明显衍射的条件小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象。
由于可见光波长范围为4×10-7m至7.7×10-7m之间，所以日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。
任何障碍物都可以使光发生衍射现象，但发生明显衍射现象的条件是“苛刻”的。
当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。
注意，光的直线传播只是一种近似的规律，当光的波长比孔或障碍物小得多时，光可看成沿直线传播；在孔或障碍物可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射就十分明显。
３．衍射的种类：(1)狭缝衍射让激光发出的单色光照射到狭缝上，当狭缝由很宽逐渐减小，在光屏上出现的现象怎样？当狭缝很宽时，缝的宽度远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线；但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，。
但亮度越来越暗。
试验：可以用游标卡尺调整到肉眼可辨认的最小距离，再通过此缝看光源(2)小孔衍射当孔半径较大时，光沿直线传播，在屏上得到一个按直线传播计算出来一样大小的亮光圆斑；减小孔的半径，屏上将出现按直线传播计算出来的倒立的光源的像，即小孔成像；继续减小孔的半径，屏上将出现明暗相间的圆形衍射光环。
光的衍射
2、夫琅禾费单缝衍射 入射波长变化，衍射效应如何变化 ?
越大， 1越大，衍射效应越明显.
2、夫琅禾费单缝衍射 （3）条纹宽度（相邻条纹间距）
2 b sin (2k 1) 2
b sin 2k
k 干涉相消（暗纹）
干涉加强（明纹）
l k 1 f k f
艾里斑
2、瑞利判据 大多数光学仪器中的透镜是圆形的，可 看做透光孔（圆孔）。
瑞利判据：如果一物点在像平面上形成的爱 里斑中心，恰好落在另一物点的衍射第一级 暗环上，这两个物点恰能被仪器分辨。
S1
D
* * S2
0
最小分辨角： 0 1.22
D
光的衍射问题的历史由来：
1818 年,巴 黎 科 学 院 举 行 了 一 次 以 解 释 衍 射 现 象 为 内 容 的 科 学 竞赛。 菲 涅 耳以惠更斯的波振面作图以及杨的 干涉原理相结合方式建立了一般的衍射理 论。 惠更斯-菲涅耳原理： 1）子波只能向前传播，且传播方向上任 一点的振幅与距离成反比； 2）传播方向上任一点的强度，决定于所 有子波在该点叠加的合振幅。
2
2
k1 3, k2 2, 2 600 nm
2k 2 1 5 600 1 2 nm 428 .6 nm 2k1 1 7
例：一束波长为 =5000Å的平行光垂直照 射在一个单缝上。已知单缝衍射的第一暗
纹的衍射角1=300，求该单缝的宽度b=?
解：
b sin k (k 1, 2,3)
（1）第一暗纹距中心的距离
x x f , b sin b f
f
x1 f
b
R
大学物理光的衍射
k1bsin
2
b213000A &
对于 , k1是明纹
则 bsin（2k1）
2
b s in 3 0 0 3， 4 3 3 （ 0A & )是 紫 光
2
.
例1：如图，波长为
的单色平行光垂直照 A
射单缝，若由单缝边
缘发出的光波到达屏
上P、Q、R三点的光
o
程差分别为2、2.5
P
3.5 ，比较P、Q、 R B
.
离得远 可分辨
瑞利判据 刚能分辨
离得太近 不能分辨 小孔（直径D）对两个靠近的遥远的点光源的分辨
.
S1
D
*
0
*
I
S2
最小分辨角
分辨本领
1
1.22 D
R 1 D
1.22
.
D
R
望远镜： 不可选择，可D R
▲ 世界上最大的光学望远镜： D=8m
建在了夏威夷山顶。 ▲世界上最大的射电望远镜：
f
Q
三点的亮度。
R
解题思路：2＝22 第二级暗纹
2.5(221)
2
第二级明纹
2
3.5(231) 第三级明纹
2.
例：在单缝夫朗和费衍射实验中，屏上第3级暗纹 对应的单缝处波面可划分为——6 —个半波带？若 将缝宽缩小一半，原来第3级暗纹处将是明——纹。
例：波长为600nm的单色平行光，垂直入射 到缝宽为b=0.60mm的单缝上，缝后有一焦 距f=60cm的透镜。在透镜焦平面上观察衍射 图样. 则中央明纹宽度为—1— .2m—m。两个第3级暗纹之 间的距离为—3.6—m—m 。
sb
显 示
几何
物理光学光的衍射与衍射的现象
物理光学光的衍射与衍射的现象光的衍射是指光线通过一个孔或者绕过一个物体后，经过一定的传播距离后，出现明暗交替的现象。
这种现象是由于光的波动性导致的。
本文将介绍光的衍射的原理、衍射的现象以及一些典型的衍射实验。
一、光的衍射原理衍射现象是由于光的波动性而产生的，根据赛涅尔衍射原理，当光线通过一个孔或者绕过一个物体时，波前会发生弯曲，从而产生了衍射。
根据惠更斯-菲涅尔原理，任何一个波前上的每一个点都可以看成是次波的发射源，通过各个波源发射出来的次波在波前上相互叠加形成新的波前。
光的衍射与光的波长有关，波长越小，衍射现象越明显。
此外，衍射还与衍射孔的尺寸有关，如果衍射孔的尺寸小于光的波长，衍射现象也会比较明显。
二、光的衍射现象1. 单缝衍射当光通过一个细缝时，光线会向前方呈圆形扩散，并形成一系列明暗的交替带。
这种现象被称为单缝衍射。
单缝衍射的衍射角度与光的波长和衍射孔的尺寸有关。
一般情况下，衍射角度越大，衍射强度越弱，衍射带的亮度也会减弱。
2. 双缝干涉双缝干涉是指光线通过两个并排的细缝后，形成一系列明暗的条纹。
这些条纹是由光的干涉现象导致的。
双缝干涉的条纹间距与衍射角度有关，当衍射角度小于一定范围时，条纹间距较大；而当衍射角度超过一定范围时，条纹间距变小。
3. 衍射光栅光栅是由一系列平行而等间距的缝或透明光栅构成的，当光通过光栅后，会形成一系列具有规则间距的亮暗条纹。
光栅的条纹间距与光的波长和光栅的缝尺寸有关，通过调节光栅的缝宽和缝距可以改变衍射带的间距和亮度。
三、典型的光的衍射实验1. 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验是一个经典的衍射实验，在实验中，光线通过两个并排的细缝后，实验者可以观察到一系列明暗的条纹。
这个实验验证了光的波动性以及光的干涉现象，同时也揭示了光的波动性与粒子性的共存。
2. 单缝衍射实验单缝衍射实验是利用一个细缝来观察光的衍射现象，实验者可以通过调节缝的尺寸和光源的波长来观察不同条件下的衍射带。
光的衍射
B
A2
o
2
/2
（
sin
k
个半波带）
二、半波带法
R
A1
A
C
L
P
B
A2
/2
BC a sin Q k o 2 （ k 个半波带）
干涉加强（明纹） a sin (2k 1) 2 a sin k （介于明暗之间）
0 1 I N2I0单
2
sin ( /a)
缺级
-8 -4 0 4 sin 8 ( /d )
3、衍射光谱
(a b) sin k
(k 0,1,2,)
入射光为白光时， k不同，按波长分开形成光谱. 不同，
I
sin
ab
0
一级光谱
三级光谱 二级光谱
汞的光栅光谱
衍射屏 观察屏
衍射屏
观察屏 L
*
S
S
L
a
圆孔衍射
缝的衍射
如果波长与障碍物相当，衍射现象最明显。
2、菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射 菲 涅 尔 衍 射（近场衍射） 缝
S
P
夫琅禾费衍射（远场衍射） 缝
光源、屏与缝相距至少一个是有限远
光源、屏与缝相距无限远
计算比较简单
观察方便但定量计算复杂
在夫 实琅 验禾 中费 实衍 现射
b
o
b
2
b
3
b
sin
1、中央明纹宽度：两个第一级暗纹间的距离。
一般角较小，有 sin1 1
角宽度 线宽度
衍射屏透镜
大学物理第12章光的衍射
光通过狭缝后，会向四周扩散，形成 衍射现象。衍射图样的形状和大小与 狭缝的宽度和光波长有关。
多缝干涉与衍射的应用
光学仪器设计
干涉和衍射原理被广泛应用于光学仪器设计，如望远镜、显微镜 等，以提高成像质量和分辨率。
物理实验研究
多缝干涉和衍射实验是研究光波性质的重要手段，有助于深入理解 光的波动性和相干性。
光源
圆孔
选择单色光源，如激光， 以产生相干性好的光束。
制作一个具有特定直径 的圆孔，作为衍射的障
碍物。
屏幕
放置在圆孔后方，用于 接收衍射后的光束。
测量工具
测量衍射图案的直径、 形状和强度分布。
圆孔衍射的规律
中央亮斑
通过圆孔衍射形成的中央亮斑是各向同性的，其 直径与圆孔的直径成正比。
衍射角
衍射角与波长和圆孔直径有关，随着波长的增加， 衍射角减小。
该理论可以解释光的干涉、衍射和散射等现象，是光学领域的重要理论之一。
03 单缝衍射
单缝衍射实验装置
01
02
03
光源
使用单色光作为光源，如 激光，以保证光的相干性。
单缝
单缝的宽度决定了衍射的 程度，缝宽越窄，衍射现 象越明显。
屏幕
用于接收衍射光斑，记录 衍通过单缝后，会在屏幕中央形成最亮的光斑。
夜空中星星发出的光在穿过大气层时， 由于大气的密度和温度变化，使得星 光发生衍射，产生了闪烁现象。
02 光的衍射理论
惠更斯-菲涅尔原理
惠更斯-菲涅尔原理是光的衍射理论的基础，它指出波前上的 每一点都可以被视为新的波源，这些波源发出的波在空间中 相互叠加，形成衍射现象。
该原理可以解释光的直线传播、反射和折射等现象，是光学 领域的重要理论之一。
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实验
S
一、光的衍射现象
光在传播过程中，遇到障碍物 或小孔时，光将偏离直线传播的方
向而绕过障碍物到达阴影区域的现
象。
1.单缝衍射
1.单缝衍射
单色光的衍射图样:衍射条纹宽度
不等,中间亮纹最宽、最亮，两边是对
长相比甚至比光的波长还要小的时 候衍射现象就十分明显，出现明显
的衍射现象。
衍射现象
探究：干涉和衍射图样有何区别？
三.光的干涉和衍射图样的区别:
双缝干涉图样特点： 明暗相间、等宽度等亮度 单缝衍射图样特点： 明暗相间、不等宽度不等亮度
衍射光栅
• 衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离的 排列起来形成的光学仪器。可分为透射 光栅和反射光栅
称的明暗相间条纹，亮条纹亮度向两 边逐渐减弱。
白光单缝衍射条纹：中间是白色 的，两边是逐渐减弱的彩色条纹。
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，光波长长 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．用黄色光照射不透明的圆板时在 圆板的背影中恰能观察到黄色光斑， 若分别用红色光,绿色光和紫色光照射．紫色光 D．三种色光都能
小结 一、光的衍射现象： 1、单缝衍射 2、小孔衍射 3、泊松亮斑 二、光发生明显衍射的条件 三、光的干涉和衍射图样的区别 四、衍射光栅
(a) N=1 (b)N=2 (c) N=3 (d)N=4
四、衍射光栅： 1、构成：由许多等宽的狭缝等距 离地排列起来形成的光学元件。 2、实验结论：增加狭缝的个数， 衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。 3、分类：透射光栅和反射光栅。
1．单色光照射单缝衍射时 A C A．狭缝越窄衍射现象越明显 B．狭缝越宽衍射现象越明显 C．照射光的波长越长衍射现象越明显 D．照射光的频率越高衍射现象越明显
2.小孔衍射
光通过小孔(小到一定程度)在屏上会 出现：中间较亮，周围明暗相间的圆环， 且亮度渐变小，这些圆环达到的范围远远 超过根据光的直线传播所应照明的面积。
3.泊松亮班
光照到不透明的小圆板上，在屏上
圆板的阴影中心，有一个亮斑，这个亮
斑取名叫泊松亮斑。
探究实验
二、光发生明显衍射的条件
在障碍物的尺寸可以跟光的波