光的衍射及其应用 物理学专业VIP免费

摘要:光学是物理学最古老也是最基础的学科之一，从十七世纪人们相继从自然界中发现存在与光的直线传播现象不完全符合的事实，光的波动性便进入了人们的视野，最先开始的便是光的衍射现象，光的粒子性决定了光沿直线传播，光的波动性决定了光的干涉和衍射现象，人们对此进行了不少实验研究与理论探讨。光的衍射光的衍射指的是光避开其障碍物,不经过直线传播就进入几何的阴影,并且在屏幕上呈现光强不均匀的光学现象。从引言入手，结合光的衍射现象、衍射原理、有关衍射的推导与证明、影响观察光的衍射现象的因素及其光衍射与光干涉的区别，进一步分析光衍射的应用。关键词:光的衍射；惠更斯原理;菲涅耳原理;1引言在日常生活中，我们常常会发现以下这样的现象:物体在投影仪或者幻灯机的照射下,在幕布上的投影边缘会有色彩显示出来。在几何光学的概念里，光是沿着直线传播的，所以，以上现象用几何光学的知识是无法解释的。这种现象只能由光的衍射现象解释:光的衍射指的是光避开其障碍物，不经过直线传播就进入几何的阴影，并且在屏幕上呈现光强不均匀的光学现象。光的波动性质决定了光衔射现象的发生，发生明显的衔射现象条件:障碍物的尺寸或者缝、孔的宽度与波长差不多，或者比波长短的时候，衍射现象才会比较明显。2光的衍射现象的发现一些光线呈现出衍射现象却不能让人们进行观察和辨认的，出现该种现象是基于光波长短各异导致的，短光波是人们可以用眼睛看到的，普通光源也是人们能够看见的光的衍射现象是意大利物理学家格里马弟(1618-1663)首先发现的，但当时格里马弟并未正确解释这一现象，他知道他所观察到的这一现象是与光沿直线传播相矛盾的，也与当时主流的光粒子说相矛盾，他认为光是一种感觉不到的相当稀薄的流体，他认为这种光流体在遇到障碍物时会产生与水面相似的波纹，引起流体的波动。格里马弟把光与水面类比，认为光在传播途中遇到障碍物就如同在水中投入石子一样，障碍物会引起光流体的波动形成波纹，这些波传播时会超出光沿直线传播时的几何阴影的边界。光的衍射现象的另一个发现者胡克曾在他所著的《显微术》中记录了他所观察到的光遇障碍物向几何阴影中衍射的现象。牛顿也曾重复过类似的实验，他观察屏幕的边缘以及楔的衍射，得出的结论仍然与当时处于主流的光粒子说有关，并未对光的衍射与光的波动性起到促进作用以及有力的影响。3建立光的衍射理论3.1惠更斯—菲涅耳原理惠更斯—菲涅耳原理是物理学中一项传播理论，是荷兰著名物理学家ChristiaanHuygens提出的，通过波动理论对光传播呈现的规律进行解释。目前，该种理论为衍射现象进行研究的基础理论，是对光波传播中问题开展解决的一项近似手段，被研究界认可并在实际问题中得以应用。此种理论内容可以归纳为:在行进状态中波阵面上任何一点均可以认为是全新次波源，波阵面可以让其任何一点发出次波，众多次波就能够形成包络面，该包络面就是原有的波面在固定时间中传播形成的全新波面。3.2小孔衍射以小孔衍射为例，实践与理论都表明，物体的开孔越小，“光波拐弯”就越厉害。物体的小孔小到一定程度时可把透过小孔的波面当做独立点光源发出的均匀球面波，在衔射屏后的阴影内只有比较均匀的照明，但是却没有出现明暗相间的条纹。在单缝衔射方面，缝宽不太窄的时候,屏上光强强弱分布久会比较明显(如图1所示);随着缝宽逐渐变窄，中央主极大的范围变宽并且变得很平坦，第一极小离中央主极大比较远，于此同时，强弱分布也逐渐变得不明显(如图2所示);缝宽无限窄的时候，第一极小会移动到无限远，确切的说已经没有明暗条纹了，屏已被光波均匀照明了。4光的衍射实验分析光的衍射实验包括了三个实验，分别是单缝衍射、圆孔衍射和光栅衍射，其中单缝夫琅和费衍射和圆孔衍射的实验设备，实验原理，实验的现象相似。4.1形成衍射的基础条件形成衍射的基础条件为:光线向一些小巧的物体(如针孔等)照射时候，可以十分清晰的观察到其衍射。该种现象因为光的波长十分短，一般的物体都比其体积大，能够让衍射现象进行直观的展示。4.2光的衍射现象的观察和其特点光的衍射现象的观察和其特点:在实验室中观察衍射现象主要是用氦气激...