4.5 光的衍射 课件 -2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

光的衍射 课前复习 1 什么是波的衍射现象？波发生衍射的条件是什么？ 2 干涉和衍射是波特有的现象，那么光能发生干涉，说明光是一种波。这就说明光应该也能发生衍射，那么，光如果能发生衍射，那光的衍射现象又该是什么样的呢？ 3 为什么我们在日常生活中观察不到光的衍射？ 4 已知红光的折射率n=1．513，请同学们计算红光在真空中的波长λ=? 水波能绕过障碍物发生衍射，光是电磁波，在一定条件下也能看到光的衍射现象。 用一束激光照射大小不一的小孔，观察光屏上出现的现象。 实验表明，当圆孔足够小时，可观察到屏上出现了明暗相间的圆环，说明光已传播到原来应是阴影的地方。 这些现象用光的直线传播无法解释，这种光绕过障碍物偏离直线传播的现象称为光的衍射。 如果用单缝代替圆孔，当缝较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上形成一条与单缝相似的亮条纹；单缝宽度逐渐减小时，亮条纹的宽度反而增大了，这表明光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到比单缝更宽的地方。 单缝衍射规律小结 波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大． 单缝不变时，光波越长的（红光）中央亮纹越宽，条纹间隔越大． 白炽灯的单缝衍射条纹为中央白色条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色． 衍射现象的应用 科学家可以通过衍射图样来推断障碍物或孔隙的空间结构和形状。用激光束从侧面水平照射竖直弹簧。 当年科学家正是根据照片中的信息提出了 DNA 分子的双螺旋结构。 各种衍射现象 泊松亮斑的故事 1818 年，法国科学院组织了一次竞赛，目的是要解决光到底是粒子还是波的问题。年轻的工程师菲涅耳在其投送的论文中按照波动说的理论深入地研究了光的衍射，提出了解决衍射问题的数学方法。 竞赛评委泊松是波动说的反对者，他认为菲涅耳的论文有问题。根据菲涅耳的分析他推演出，如果把不透光的小圆盘放在光束的中心，圆盘影子的中心竟然会出现一个亮斑! 泊松认为这是非常荒谬的，波动说可以休矣。 但不久之后，竞赛委员会的主席阿拉果却在实验中发现圆盘影子的中心确实存在亮斑。泊松的计算反而为光的波动说提供了有力支持。毕竟这个亮斑是由泊松首先推演出来的，为了纪念泊松的质疑对光学研究的促进作用，后人将这个亮斑称为“泊松亮斑”。 泊松是一位了不起的数学家，他的贡献主要在于数学物理方程上，例如著名的泊松方程。这个方程的意义非常重要，因为这是人类少数能够“解开”的偏微分方程。至今，无论是工程领域（电气等）还是理论领域（例如爱因斯坦方程在牛顿近似下可写作泊松方程）都有着广泛的贡献。 泊松亮斑这个故事中，泊松虽然不相信波动学说，但是他并没有盲目去批驳，而是仔细学习了波动学说的思想，之后进行了严格的计算（这个计算需要很多知识储备，虽然对于物理专业的本科生来说并不难，但对于普罗大众来说却很复杂）。从某种意义上说，正是泊松通过计算，才“预言”了这个亮斑的存在。 载入史册的泊松亮斑 衍射光栅 1821 年，德国物理学家夫琅禾费利用衍射原理制造了一种光学器件：在两个螺杆上绷上许多平行的细金属线，或者在玻璃片上刻上许多均匀的细槽。因为它有类似栅栏的形状，所以被称为衍射光栅。衍射光栅可分为透射光栅和反射光栅。 典型的透射光栅在 1 mm 的玻璃板上刻有数百条细槽，这些细槽互相平行，距离相等，整齐地排列在一起。光栅的每一条狭缝都能在接收屏上的同一位置产生单缝衍射图样。不同狭缝产生的光是相干的，必定产生干涉，形成明暗相间的条纹。所以，在接收屏上得到的光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。 衍射光栅的应用 小结 光的干涉：两束相干光在空间相遇，彼此叠加，在一些区域振动相互加强，在另一些区域振动相互减弱，且分布稳定的现象。 光的衍射：光在传播过程中遇到孔隙(或障碍物)后，偏离原来的直线传播方向绕过孔隙(或障碍物)继续传播的现象。 思考与练习 1. 通过两个手指间的狭缝来观察光源，当狭缝宽度逐渐减小时，会观察到什么现象?请试一试，并作出解释。 2. 两人分别站在一堵墙的两侧，彼此看不见却能相互对话，这是为什么? 3. 光波发生干涉现象时产生干涉图样，发生衍射现象时产生衍射图样。 请观察对比双缝干涉图样与单缝衍射图样，看看它们有什么区别。 $