文章编号：1671-3559
（2005）02-0178-03收稿日期：2004-07-02
作者简介：王少清（1958-），男，黑龙江友谊人，济南大学理学
院教授。
夫琅和费衍射法测量细丝直径的研究
王少清，娄本浊，胡士会
（济南大学理学院，山东济南250022）
摘要：系统分析了夫琅和费衍射法测量细丝直径的各种误
差因素，提出了工作距离D 的标定方法。对4根直径不同的细丝进行了测量，最后，用另外两种测量方法对衍射法测得的结果进行了验证。
关键词：细丝；直径测量；夫琅和费衍射中图分类号：O436.1
文献标识码：A
测量细丝直径的非接触式测量法主要有光学成像法、光学显微镜法、激光扫描法、光学衍射法等
等［1-9］
。
其中光学衍射法有非接触、无损伤、测量精度高等优点，且容易实现动态在线测量。因此有必要进一步研究用这种方法时，如何确定测量条件及减小测量误差，以便取得较精确的结果。
如图1所示，当用平行光垂直照明宽度为d 的
单缝时，在观察屏上产生的衍射光强分布的极小满
足［10］：
d sin θ=k λ
k =±1，±2，±3， (1)
图1夫琅和费单缝衍射示意图
当衍射角很小时，有
d =k λ
D /x k k =±1，±2，±3，…（2）其中：D 为单缝K 与观察屏
E 间的距离，θ为衍射
角，λ为光的波长，
xk 为第k 级极小的位置。据巴比涅定理可知，当将单缝换成同宽度的细丝时，除θ=0处，屏幕上的衍射光强分布与单缝的衍射光强分布相同。因此，只要测得细丝夫琅和费衍射光强的第k 级极小的位置x k ，在已知光源波长和细丝到接收屏距离（以下称为工作距离）D 的条件下，即可由式（2）求得细丝的直径d 。
要利用式（2）求得细丝直径d ，就必须先测得工
作距离D 。D 的标定方法有多种。作者提出一种简单易行的标定方法。由式（2）可得
D =x k d /k λ
（3）
可见，只要用一根直径d 为已知的细丝，
让该细丝产生夫琅和费衍射，测得x k 和k ，就可确定工作距
离D 。这种方法不需增加任何仪器，且具有较高的精度。在本实验中，采用最小分度值为10μm 的螺旋测微计测得细丝的平均直径d =0.092mm 。所用氦氖激光器的波长λ=632.8nm 。测得k =10的衍射极小的位置为x k =64.355mm ，将所有数据代入式（3）
得D =935.62mm 。以后测量中保持该值不变。据式（2）可得标定D 的相对误差为：ΔD /D =Δk /k +Δλ/λ+Δx k /x k +Δd /d （4）其中：Δλ/λ和Δk /k 两项可以忽略，Δx x 是测量的步长，为0.1mm ，x k 取可分辨的最高级次极小的位
置，可取50～80mm ，这样Δx k /x k 项一般在0.13%～
0.20%；Δd 取千分尺的最小分度值的一半，即5μm ，d 为0.092mm ，
这样Δd /d =5.4%。由此可见，标定D 的误差主要来自标准细丝直径的误差。如用精度更高的标准细丝，能进一步减小该误差。
3
夫琅和费衍射法测细丝直径误差分析
第19卷第2期2005年6月
济南大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF JINAN UNIVERSITY
（Sci.&Tech.）Vol.19No.2
Jun.
2005
测量前，先对影响测量精度的误差因素进行分析，由此来确定最佳实验条件。根据式（2）可得用夫琅和费衍射法测量细丝直径的相对误差为
Δd/d=Δk/k+Δλ/λ+Δx k/x k+ΔD/D（5）该式中前3项的取值范围如上所述，而ΔD/D 值又主要来源于标准细丝直径的误差。故总的看来，用夫琅和费衍射法测量细丝直径的的相对误差主要来自于标定D值的误差和Δx k/x k的误差。可以看出，Δx k（即测量的步长）取得越小，x k取得越大，则测量的相对误差会越小。所以，测量时应尽可能选用小的测量步长和衍射级次高的条纹。
4实验装置
本实验中衍射光强的测量采用的是GSZF-Ⅱ型衍射光强自动记录仪。主要由以下几个部分组成：
（1）光电探测器；（2）放大电路和I/V转换电路；（3）A/D转换电路；
（4）计算机控制的步进电机，用来带动光电探测器运动，移动范围是20cm，最小步长为0.005mm；（5）光栅尺，用于给光电探测器定位。在光电探测器前面装有宽度可调的狭缝，它主要起到控制硅光电池所接收到的光能量大小的作用。因为不同直径的细丝产生的衍射条纹的宽度不同，光强分布也不同，所以需要相应的来改变狭缝的大小，以保证测得高分辨率的衍射光强分布图。这一点在后面做详细的论述。
5细丝直径的测量
5.1光电转换器前狭缝宽度与测量步长的选取
实验中首先发现，光电转换器前的狭缝宽度的选取对测量的结果影响极大。在工作距离一定的情况下，衍射用的细丝越粗，衍射条纹越密，每一个条纹集中的光能越大；反之，衍射用的细丝越细，衍射条纹会越疏，每一个条纹集中的光能越小。对较粗的丝产生的比较密集的条纹分布，当所取狭缝宽度过大时，就不能保证较高的光强变化分辨率。而对较细的丝产生的比较稀疏的条纹分布，当所取的狭缝宽度过小时，进入狭缝的光能量太低，不足以引起光电探测器的明显响应，也不能得到分辨率高的光强分布。由以上分析可知，对于粗细不同的细丝，所选取的狭缝宽度和采集步长应不同；丝越粗，选取的狭缝宽度和采集步长应越小；丝越细，选取的狭缝宽度和采集步长应越大。对具体的某一根细丝，应由实验来确定最佳的狭缝宽度和采样步长。5.2测量结果
下面给出的是由实验测得的直径依次减小的4根细丝的衍射光强分布图。见图2（a～d）。
a d=0.574mm
b d=0.350mm
c d=0.133mm
d d=0.091mm
图24根不同直径的细丝的衍射光强分布图
可以看出，随着细丝直径的减小，衍射条纹逐渐变稀疏，每一根条纹所包含的光能量逐渐下降。另
971
第2期王少清，等：夫琅和费衍射法测量细丝直径的研究
外，当细丝直径较大时，所测得的衍射光强分布曲线的对称性变坏。这是由于激光束没有很好的对准细丝中心的缘故。但由于需要的只是各级较小的位置，故这种不对称对测量结果没有影响。
据式（2）知，只要在衍射光强分布图上找出级次最高的衍射光强极小对应的k和x
k
就可以求出细丝的直径d。结果如表1所示。
表1夫琅和费衍射法细丝直径测量结果
细丝编号x k/mm k D/mmλ/nm d/mm
18.25893.246330.574
216.901093.246330.350
344.501093.246330.133
444.95793.246330.091
结果显示，4根细丝的直径确是顺序减小的。
5.3对测量结果的验证
为了验证由夫琅和费衍射法测得结果的准确程度，又用千分尺法和劈尖干涉法对这4根细丝的直径进行了测量。表2给出3种测量方法结果的比较，结果是相当一致的。
表23种测量方法所得结果的比较mm 细丝编号衍射法千分尺法劈尖法
10.5740.5810.589
20.3500.3880.362
30.1330.1420.138
40.0910.0890.084
6结论
通过误差分析表明，在用夫琅和费衍射法测量细丝直径的实验中，对测量精度影响最大的因素是工作距离的标定，采用高精度的标准细丝可以有效地提高标定的精度。为提高测量精度，测量中应利用光强分布曲线中最高级次的暗条纹。在使用装有可调狭缝的光电探测器接收衍射光谱时，应综合考虑狭缝宽度和测量步长两个因素，丝越粗，选取的狭缝宽度和采集步长应越小；丝越细，选取的狭缝宽度和采集步长应越大，以得到最佳的光强分布曲线。
参考文献：
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Measurement of Filament
Diameter Based on Fraunhofer
Diffraction Principle
WANG Shao-qing，LOu Ben-zhuo，Hu Shi-hui
（Science School of Jinan University，Jinan250022，China）
Abstract：The methods of the diameter measurement of filament have been summarized at first.The principle and experiment equip-ment of Fraunhofer Diffraction method have been presented.The er-ror factors of Fraunhofer diffraction method have been analyzed sys-tematically.The method of calibrating the working distance D has been presented.We have measured the diameters of four different filaments and verified the results obtained from Fraunhofer diffraction method by two other methods.
Key words：filament；diameter measurement；Fraunhofer diffraction
081济南大学学报（自然科学版）第19卷
测定单缝衍射得光强分布 【教学目得】 1．观察单缝衍射现象,加深对衍射理论得理解。 ２．会用光电元件测量单缝衍射得相对光强分布,掌握其分布规律。 ３.学会用衍射法测量微小量。 【教学重点】 1.夫琅禾费衍射理论 2.夫琅禾费单缝衍射装置 3.用光电元件测量单缝衍射得相对光强分布,衍射法测量微小量 【教学难点】 夫琅禾费单缝衍射光路及光强分布规律 【课程讲授】 提问：1、缝宽得变化对衍射条纹有什么影响? 2、夫琅与费衍射应符合什么条件? 一、实验原理 光得衍射现象就是光得波动性得重要表现。根据光源及观察衍射图象得屏幕(衍射屏)到产生衍射得障碍物得距离不同，分为菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射两种,前者就是光源与衍射屏到衍射物得距离为有限远时得衍射,即所谓近场衍射;后者则为无限远时得衍射，即所谓远场衍射。要实现夫琅禾费衍射,必须保证光源至单缝得距离与单缝到衍射屏得距离均为无限远(或相当于无限远）,即要求照射到单缝上得入射光、衍射光都为平行光,屏应放到相当远处,在实验中只用两个透镜即可达到此要求。实验光路如图1所示， 图１夫琅禾费单缝衍射光路图 与狭缝E垂直得衍射光束会聚于屏上P0处，就是中央明纹得中心,光强最大,设为Ｉ0，与光
轴方向成Ф角得衍射光束会聚于屏上PＡ处,P A得光强由计算可得: 式中,b为狭缝得宽度,为单色光得波长,当时,光强最大,称为主极大,主极大得强度决定于光强得强度与缝得宽度。 当，即: 时,出现暗条纹。 除了主极大之外,两相邻暗纹之间都有一个次极大,由数学计算可得出现这些次极大得位置在=±1、43π,±2、46π，±3、4７π,…,这些次极大得相对光强I/I0依次为0、047,0、0１7，0、008,… 图２夫琅禾费衍射得光强分布 夫琅禾费衍射得光强分布如图2所示。 图3 夫琅禾费单缝衍射得简化装置 用氦氖激光器作光源,则由于激光束得方向性好,能量集中,且缝得宽度b一般很小,这样就可以不用透镜L1,若观察屏(接受器）距离狭缝也较远（即D远大于b)则透镜Ｌ2也可以不用，这样夫琅禾费单缝衍射装置就简化为图３，这时, 由上二式可得 二、实验装置
细丝直径的测量铁丝 直径
细丝直径的测量铁丝直径 【实验目的】 (1)通过实验加深对等厚干涉原理及干涉概念的理解 (2)学习用等厚干涉测量铁丝直径的方法 (3)学会读书显微镜的正确使用 【仪器用具】钠光灯读数显微镜劈尖装置 【实验原理】 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两玻璃片之间就形成一空气薄层(空气劈)。在单色光束垂直照射下，经劈上、下表面反射后两束反射光是相干的，干涉条纹将是间隔相等且平行于二玻璃交线的明暗交替 的条纹 相邻两暗纹(或明纹)对应的空气厚度 2dk 2 k 2dk, — k 1 2dki dk j 则细丝直径D为 ta n N为干涉条纹总条纹 勿人k |明纹2d /2 2k 1- 暗纹
-------------------------------------------- r --------- D—— 1S-2-------------------------------------------------- L为劈尖的长度用游标卡尺测，S%相邻两暗条纹的间距，用读书显微镜测量(5次测 量) ____ 6 589.3 10 mm A为钠光波长，入二 已知入射光波长，测出N。和L ,就可计算出细丝(或薄片)的直径D。【实验内容】 (1) 将细丝(或薄片)夹在劈尖两玻璃板的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。然后 置于移测显微镜的载物平台上。 (2) 开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场。此时显微镜中的视场由暗变売。 调节显微镜目镜焦距及叉丝方位和劈尖放置的方位。调显微镜物镜焦距看清干涉条纹，并使显微镜同移动方向与干涉条纹相垂直。 (3) 用显微镜测读出叉丝越过条暗 条纹时的距离I,可得到单位长度的条纹数No。 再测出两块玻璃接触处到细丝处的长度L.重复测量五次，根据式 D N丄(/2)计算细丝直径D平均值和不确定度。 【数据记录】 实验测量数据 单位(mm)斥一I，rI ：11
夫琅禾费衍射的研究 实验仪器 半导体激光器、缝、细丝、光电元件、光屏、微动读数装置、微电流计 预习思考题 1、什么是衍射？菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射有什么区别？ 2、实验中如何调节光源、衍射物和光屏等高共轴？如何满足夫琅禾费衍射条件？ 3、实验中如何选择光电流检流计的量程？ 实验内容 一. 定性观察单缝的夫琅禾费衍射图案，记录图案的特征 1、观察单缝的衍射图案，记录图案特征。 2、观察并记录衍射图案随缝宽的变化规律。 3、改变缝到观察屏的距离，观察并记录条纹的变化情况。 二. 测量单缝衍射的光强分布曲线 1．记录狭缝零点误差。 2．选择一个缝宽，调节光路使衍射花纹清晰，对称，中央主极大宽度1cm左右，并使光电流显示最大。从中央最大向一侧测到三级极小。要求至少测20个数据。 注意：（1）缝与接收器间距应满足远场衍射条件。 （2）微电流计选择适当的档位。 （3）不要错过每一级的最亮点与最暗点。 （4）测量过程中接收器要保持只向一个方向移动，避免空转。 （5）注意同时记录光电流值和相应的位置。 3．测量缝到屏的距离。 4．从中央最大向另一侧测量，重复上述测量步骤。 5．记录光源波长λ。 6．测量缝宽： 方法（选一种）： （1） 直接读数。 （2） 用透镜成像法测量，提供钠灯，f=10cm凸透镜一个，测微目镜，自行设计光路。 三. 测量细丝的直径
用衍射的方法测量细丝的直径。 注意：避免激光直接照射探测器。 四. 数据处理（课后） 单缝衍射： 1．以sinθ为横座标，I/I0为纵座标绘制曲线。 2．利用从光强分布曲线获得的数据计算缝宽，与实际的缝宽相比较，并分析误差。 3．验证各级次极大值与中央主极大值的关系I/I0=0.047,0.017…，实验结果与此有何差距？请分析产生差距的原因。 细丝直径： 1．以sinθ为横座标，I/I0为纵座标绘制曲线。 2．利用从光强分布曲线获得的数据计算细丝直径。 注意事项 1、实验过程中按规定操作注意仪器的安全。 2、实验中调光路原则：等高共轴；先粗调，后微调。 课后问题 1、 你还能利用什么光学原理来测量细丝直径？ 2、（选做）查阅资料并结合实验中衍射现象，分析总结巴俾涅(babinet)原理。
一、实验目的 1. 观察细丝夫琅和费衍射现象。 2. 掌握细丝衍射相对光强的测量方法，并求出细丝直径。 二、实验原理 1. 夫琅和费衍射 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，细丝直径为0.1mm ，细丝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件： 2 20sin u u I I = I O 为中央明纹中心处的光强度，u=πasin θ/λ，a 是单缝宽度，φ衍射角λ为入 射波长 2. 菲涅耳假设和光强度 物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。如图9-1所示，单缝AB 所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P 所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随细丝平面法线与衍射光的夹角（衍射角）增大而减小，计算细丝所在处波阵面上各点发出的子波在P 点引起光振动的总和，就可以得到P 点的光强度。可见，空间某点的光强，本质上是光波在该点振动的总强度。
细丝直径测量实验报告 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
细丝直径测量 摘 要：测量细丝直径，可以使用游标卡尺、螺旋测微计等等较精密的机械工具，也可以使用读数显微镜、工具显微镜等精密光学仪器，还可以利用光的干涉原理，借助光学仪器，对微小细度进行测量。以下使用劈尖法进行细丝直径测量，其方法简单，直观性强，测量结果精度高，在高精度测量汇总更显示出其独特的作用。 关键词：细丝直径、劈尖法、等厚干涉、条纹 1．引言 在两片叠合的玻璃一端放入细丝，则玻璃片之间就形成一个空气劈尖。在垂直单色光照射下，劈尖的上、下两表面的反射光相遇发生干涉，在显微镜下可观察到间隔相等的等厚干涉直条纹。 2． 实验原理 将两块光学平玻璃板叠在一起，一端插入一细丝，则在两玻璃板间形成一空气劈尖。两玻璃的交线称为棱边，在平行于棱边的线上，劈尖空气膜的厚度是相等的。当用平行单色光垂直照射劈尖时，在劈尖空气膜上、下表面反射的两束光发生干涉，形成一组与棱边平行的、等间距的直线干涉条纹，如上图所示。设某处空气薄膜的厚度为e ，则两束相干光的光程差为 ()22212 k d k λλλ?? ?=+=?+??
相邻两暗纹（或明纹）对应的空气厚度差 ()11222122 k k k k d k d k d d λ λ λ λ λ +++=+=+-= 则细丝直径D 为2 D N λ =? ； N 为干涉条纹总条数 2 tan 2 D L S L D S λ ααλ≈===? L 为劈尖长度; S 为两相邻明暗纹间距; λ为钠光波长：9 589.310λ-=? 3．实验内容与步骤 1. 实验仪器 读数显微镜，45°反射镜，2片光学玻璃板，钠光灯，金属细丝，游标卡尺 2. 制作劈尖 将细丝夹在距劈尖一端的3-5mm 处，将此端夹紧，将细丝拉直与劈尖边缘平行，再将劈尖另一端适度夹紧。 3. 调节读数显微镜 （1）把劈尖置于载物台，物镜正下方，用压片压住；旋松手轮把显微镜放于适中位置（当置物镜最下位置时不与劈尖相碰）。 （2）调节半反镜使之呈45度角，使读数显微镜的目镜中看到均匀明亮的黄色光场。 （3）调节读数显微镜的目镜直到清楚地看到叉丝，且分别与X,Y 轴大致平行，
实验一 夫琅和费单缝衍射实验 1实验目的 1）观察单缝夫琅和费衍射现象，加深对夫琅和费衍射理论的理解。； 2）会用光电元件测量单缝夫琅和费衍射的相对光强分布，掌握单缝夫琅和费衍射图样的特点及规律； 3）探讨利用夫琅和费单缝衍射规律对狭缝缝宽等参数进行测量。 2实验仪器 1）GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机； 2） 650nm波长半导体激光光源； 3）可调宽度的狭缝； 4）50mm焦距的凸透镜； 5）二维调整架； 6）通用磁性表座； 7）接收屏； 8）衰减片； 9）硅光电池及A/D转换装置、CCD 3实验原理 光束通过被测物体传播时将产生“衍射”现象，在屏幕上形成光强有规则分布的光斑。这些光斑条纹称为衍射图样。衍射图样和衍射物（即障碍物或孔）的尺寸以及光学系统的参数有关，因此根据衍射图样及其变化就可确定衍射物（被测物）的尺寸。 按光源、衍射物和观察衍射条纹的屏幕三者之间的位置可以将光的衍射现象分为两类：菲涅耳衍射（有限距离处的衍射）；夫琅和费衍射（无限远距离处的衍射）。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和观察屏到衍射物的距离为无限远，产生夫琅和费衍射。由于夫琅和费衍射的理论分析较为简单，所以先论夫琅和费衍射。 半导体激光器发出相当于平行单色光的光束垂直照射到宽度为b的狭缝AB，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为?的一束平行光经透镜后聚焦在屏幕上P点，如图4.9-1所示，图中AC垂直BC，因此衍射角为?的光线从狭缝A、B两边到达P点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为 ? BC=（1） b sin p点干涉条纹的亮暗由BC值决定，用数学式表示如下：
实验单缝衍射的光强分布和细丝直径测
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢0 实验41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测量 光具有波动性，衍射是光波动性的一种表现。光的衍射现象是在17世纪由 格里马第发现的。19世纪初，菲涅耳和夫琅和费分别研究了一系列有关光衍射 的重要实验，为光的波动理论奠定了基础。菲涅耳提出了次波相干迭加的观点， 用统一的原理（惠更斯一菲涅耳原理）分析解释光的衍射现象；利用单缝衍射原 理可以对细丝直径进行非接触的精确测量。 ［学习重点］ 1．通过对夫琅和费单缝衍射的相对光强分布曲线的绘制，加深对光的波动理 论和惠更斯——菲涅耳原理的理解。 2．掌握使用硅光电池测量相对光强分布的方法。 3．掌握利用衍射原理对细丝进行非接触测量的方法。 ［实验原理］ 1． 单缝衍射 粗略地讲，当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍 射。衍射系统由光源、衍射屏和接收屏幕组成。通常按它们相互间距离的大小， 将衍射分为两类：一类是光源和接收屏幕（或两者之一）距离衍射屏有限远，这 类衍射叫做菲涅耳衍射；另一类是光源和接收屏幕都距衍射屏无穷远，这类衍射 叫做夫琅和费衍射。本实验研究单缝夫琅和费衍射的情形。 如图41-1（a ），将单色线 光源S 置于透镜L 1的前焦面 上，则由S 发出的光通过L 1 后形成平行光束垂直照射到 单缝AB 上。根据惠更斯一菲 涅耳原理，单缝上每一点都可 以看成是向各个方向发射球面 子波的新波源，子波在透镜L 2 的后焦面（接收屏）上叠加形 成一组平行于单缝的明暗相间 的条纹。如图41-1（b ）所示。和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上的P 0处， 是中央亮纹的中心，其光强为I 0；与光 轴SP 0成θ 角的衍射光束会聚于P θ 处，θ 为衍射角，由惠更斯一菲涅耳原理可得其光强分布为 （41-1） 其中，b 为单缝的宽度，λ为入射单色光波长。 由41-1式可以得到： 图41-1 （a ）单缝衍射 （b ）衍射图样 λθπsin ,sin 2 20b u u u I I ==θ
多种方法测量细丝直径 学院：物理电子工程学院 专业：物理学 姓名及学号：冯伟（04） 杨保国（26）
多种方法测量细丝直径 物理学 冯伟 杨保国 摘要：利用巴俾涅原理，通过单缝夫琅和费衍射，测量丝线的直径。 实验表明，这是一 种高精度的非接触测量，它通过对衍射图样的检测来求细丝的直径。 关键字 ：激光器；单缝衍射；单丝衍射 引言：随着生产的发展，要求对各种金属丝，光导纤维以及钟表游丝等进行高精度的非接触测量。过去测量毫米以下的细丝外径，一般用普通光学测量仪或电测策计等接触测量仪器。细丝的衍射效应使普通光学方法误差变大，接触测量易受到测量力大小的影响。激光束细丝衍射对于线径极小的细丝，其测量结果是可靠的。 1. 实验原理 方法一: (1) 巴俾涅原理 两个互补屏单独产生的衍射场的复振幅之和等于没有屏时的复振幅，，对于单缝的夫琅和费衍射，除点光源在像平面的像点之外有U=0，即像点外两个互补屏所产生的衍射图形， 其形状和光强完全相同，仅位相相差2 ，所以我们可用丝线代替单缝进行夫琅和费衍射。 (2) 夫琅和费单缝衍射原理 为获得明亮的远场条纹，一般用透镜在焦面上形成夫朗和费条纹，如图所示。设透镜的焦距为f ，细丝直径为a 。 当平行光垂直于单缝平面入射时，单缝衍射 就形成平行的明暗条纹其位置衍射角由下 式决定： 暗条纹的中心 asin θ=k λ (k=±1，±2，± 3，…) 明条纹的中心asin θ=（2k+1）λ/2 (k= ±1，±2，±3，…) 中心条纹θ=0 本实验一般采用暗条纹进行测量，考虑到一般情况下θ角较小，于是有 θ≈sin θ≈tan θ 故由式得暗条纹的衍射角由下式决定 a =m λ a =n λ θ d f x n t 激光 互补法测量的计算
§16.2 单缝和圆孔的夫琅禾费衍射 §16.2.1 单缝的夫琅禾费衍射 ( 1 ) 单缝衍射的实验装置和现象 夫琅禾费衍射是平行光的衍射，在实验中可借助于两个透镜来实现。位于物方焦面上的点光源经透镜L1后成为一束平行光，照射在开有一条狭缝的衍射屏上。衍射屏开口处的波前向各方向发出子波或衍射光线，方向相同的衍射光线经透镜L2后会聚在象方焦面上的同一点，各个方向的衍射光线在屏幕上形成了衍射图样，它在与狭缝垂直的方向上扩展开来。衍射图样的中心是一个很亮的亮斑，两侧对称地分布着一系列强度较弱的亮斑，中央亮斑的宽度为其他亮斑的两倍，且它们都随狭缝宽度的减小而加宽。如果用与狭缝平行的线光源代替点光源，则在接收屏幕上将会看到一组平行于狭缝的衍射条纹。 图16 - 4 单缝的夫琅禾费衍射 ( 2 ) 单缝衍射的光强分布公式 考虑点光源照明时的单缝夫琅禾费衍射。取z轴沿光轴，y轴沿狭缝的走向，x轴与狭缝垂直。因为入射光仅在x方向受到限制，衍射只发生在x - z平面内，因此具体分析可在该平面图中进行。按惠更斯 菲涅耳原理，我们可以把单
缝内的波前AB分割为许多等宽的窄条，它们是振幅相等的相干子波源，朝各个方向发出子波。由于接收屏幕位于透镜L2的象方焦面上，因此角度θ相同的衍射光线将会聚于屏幕上同一点进行相干叠加。 图16 - 5 衍射矢量图 设入射光与光轴Oz平行，则在波面AB上无相位差。为求单缝上、下边缘A和B到点的衍射光线间的光程差?L和相位差δ，自A点引这组平行的衍射光线的垂线AN，于是就是所要求的光程差。设缝宽为b，则有 (16.4) (16.5) 矢量图解法：用小矢量代表波前每一窄条对点处振动的贡献，由A点作一系列等长的小矢量，首尾相接，逐个转过相同的小角度，最后到达B点，总共转过的角度就是单缝上、下边缘到点的衍射光线间的相位差δ. 若取波前每一窄条的面积，则由这些小矢量连成的折线将化为圆弧，其圆心角2α = δ. 由于整个缝宽AB内的波前在点处产生的合振幅等于弦长，而在的点处的合振幅A0等于弧长，故有 ,
413夫琅禾费单缝衍射 1. 选择题 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。 [ ] 2，一束波长为λ的平行单色光垂直入射到一单缝AB 上， 装置如图．在屏幕D 上形成衍射图样，如果P 是中央亮纹一侧第一个暗纹所在的位置，则BC 的长度为 (A) λ / 2． (B) λ． (C) 3λ / 2 ． (D) 2λ ． [ ] 3，在如图所示的单缝夫琅禾费衍射实验中，若将 单缝沿透镜光轴方向向透镜平移，则屏幕上的衍射条 纹 (A) 间距变大。 (B) 间距变小。 (C) 不发生变化。 (D) 间距不变，但明暗条纹的位置交替变化。 ［ ］ 4，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 (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。 ［ ］ 5，在单缝夫琅禾费衍射实验中，若增大缝宽，其他条件不变，则中央明条纹 (A) 宽度变小。 (B) 宽度变大。 (C) 宽度不变，且中心强度也不变。 (D) 宽度不变，但中心强度增大。 ［ ］ 6，在单缝夫琅禾费衍射实验中，若减小缝宽，其他条件不变，则中央明条纹 (A) 宽度变小； 屏幕
(B) 宽度变大； (C) 宽度不变，且中心强度也不变； (D) 宽度不变，但中心强度变小。 ［］7，在单缝夫琅禾费衍射实验中波长为λ的单色光垂直入射到单缝上．对应于衍射角为30°的方向上，若单缝处波面可分成3个半波带，则缝宽度a等于 (A) λ．(B) 1.5 λ． (C) 2 λ．(D) 3 λ． ［］8，在白光垂直照射单缝而产生的衍射图样中，波长为λ1的光的第3级明纹与波长为λ2-的光的第4级明纹相重合，则这两种光的波长之比λ1 /λ2为 (A) 3/4 (B) 4/3 (C) 7/9 (D) 9/7 ［］2. 判断题 1，对应衍射角不为零的衍射屏上某处，如果能将做夫琅和费单缝衍射的波面分割成偶数个半波带，则在屏幕上该处将呈现明条纹。 2，对应衍射角不为零的衍射屏上某处，如果能将做夫琅和费单缝衍射的波面分割成奇数个半波带，在屏幕上该处将呈现明条纹。 3，在用半波带法求解单缝夫琅和费衍射时，当衍射角不为零时，任何两个相邻的、完整的波带所发出的子波在屏幕上同一点引起的光振动将完全相互抵消。 4，用半波带法讨论单缝衍射暗条纹中心的条件时，与中央明条纹旁第二个暗条纹中心相对应的半波带的数目是2。 3. 填空题 1，He－Ne激光器发出λ=632.8 nm (1nm=10-9 m)的平行光束，垂直照射到一单缝上，在距单缝3 m远的屏上观察夫琅禾费衍射图样，测得两个第二级暗纹间的距离是10 cm，则单缝的宽度a=________． 2，在单缝的夫琅禾费衍射实验中，屏上第三级暗纹对应于单缝处波面可划分为__________ 个半波带。 3，波长为λ的单色光垂直入射在缝宽a=4λ的单缝上．对应于衍射角?=30°，单缝处的波面可划分为______________个半波带。 4，在单缝夫琅禾费衍射实验中，设第一级暗纹的衍射角很小，若钠黄光(λ1≈589 nm) 中央明纹宽度为 4.0 mm，则λ2=442 nm (1 nm = 10-9m)的蓝紫色光的中央明纹宽度为
实验41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测量 光具有波动性，衍射是光波动性的一种表现。光的衍射现象是在17世纪由格里马第发现的。19世纪初，菲涅耳和夫琅和费分别研究了一系列有关光衍射的重要实验，为光的波动理论奠定了基础。菲涅耳提出了次波相干迭加的观点，用统一的原理（惠更斯一菲涅耳原理）分析解释光的衍射现象；利用单缝衍射原理可以对细丝直径进行非接触的精确测量。 ［学习重点］ 1．通过对夫琅和费单缝衍射的相对光强分布曲线的绘制，加深对光的波动理论和惠更斯——菲涅耳原理的理解。 2．掌握使用硅光电池测量相对光强分布的方法。 3．掌握利用衍射原理对细丝进行非接触测量的方法。 ［实验原理］ 1． 单缝衍射 粗略地讲，当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射。衍射系统由光源、衍射屏和接收屏幕组成。通常按它们相互间距离的大小，将衍射分为两类：一类是光源和接收屏幕（或两者之一）距离衍射屏有限远，这类衍射叫做菲涅耳衍射；另一类是光源和接收屏幕都距衍射屏无穷远，这类衍射叫做夫琅和费衍射。本实验研究单缝夫琅和费衍射的情形。 如图41-1（a ），将单色线 光源S 置于透镜L 1的前焦面 上，则由S 发出的光通过L 1 后形成平行光束垂直照射到 单缝AB 上。根据惠更斯一菲 涅耳原理，单缝上每一点都可 以看成是向各个方向发射球面 子波的新波源，子波在透镜L 2 的后焦面（接收屏）上叠加形 成一组平行于单缝的明暗相间 的条纹。如图41-1（b ）所示。和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上的P 0处，是中央亮纹的中心，其光强为I 0；与光 轴SP 0成θ 角的衍射光束会聚于P θ 处，θ 为衍射角，由惠更斯一菲涅耳原理可得其光强分布为 （41-1） 其中，b 为单缝的宽度，λ为入射单色光波长。 由41-1式可以得到： 1．当θ = 0时，u = 0 ，P θ 处的光强度 I θ =I 0 是衍射图像中光强的最大值，叫主最大。主最大的强度不仅决定于光源的强度，还和缝宽b 的平方成正比； 图41-1 （a ）单缝衍射 （b ）衍射图样 λθπsin ,sin 2 2 b u u u I I = =θ
观察衍射现象的实验装置一般是由光源、衍射屏和接受屏三部分组成。按它们相互间距离的不同情况，通常将衍射分为两类：一类是衍射屏离光源或接受屏的距离为有限远时的衍射，称为菲涅尔衍射；另一类是衍射屏与光源和接受屏的距离都是无穷远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅禾费衍射。若衍射屏上有一单狭缝，宽度为a，则在接受屏上将出现一组明暗相间的平行直条纹。 一、实验目的 1、观察单缝衍射现象，了解单缝宽度对衍射条纹的影响。 2、学习测量单缝宽度的一种方法。 二、实验原理 让一束单色平行光通过宽度可调的缝隙，射到其后的接收屏上。，若缝隙的宽度a足够大，接收屏上将出现亮度均匀的光斑。随着缝隙宽度a变小，光斑的宽度也相应变小。但当缝隙宽度小到一定程度时, 光斑的区域将变大，并且原来亮度均匀的光斑变成了一系列亮暗相间的条纹。根据惠更斯-菲涅耳原理，接收屏上的这些亮暗条纹，是由于从同一个波前上发出的子波产生干涉的结果。为满足夫琅禾费衍射的条件，必须将衍射屏放置在两个透镜之间。实验光路图如图 17-1所示。 x k 2 12 图17-1夫琅禾费单缝衍射光路图
下面来推导单缝缝宽的测量公式 。中央亮条纹的宽度可用其两侧暗条纹之间的角距离来表示，由于对称性, 主极大的角宽度为从点O 到第一暗条纹中心的角距离的两倍，所以从点O 到第一暗条纹中心的角距离，称为主极大的半角宽度。主极大的半角宽度就是第一暗条纹的衍射角θ，近似等于a /λ。中央亮条纹的宽度等于各次极大的两倍，也就是说，各次极大的角宽度都等于中央亮条纹的半角宽度，并且绝大部分光能都落在了中央亮条纹上。 在远场条件下，即单缝至屏距离a z >>时，各级暗条纹衍射角k θ很小，k k θθ≈sin ，于是第k 级暗条纹在接收屏上距中心的距离k x 可写为f x k k θ=。而 第k 级暗条纹衍射角k θ满足 a k k λθ= sin （17-1）所以 f x a k k ≈λ (17-2) 于是，单缝的宽度为 k x f k a λ= (17-3) （17-3）式中k 是暗条纹级数，f 为单缝与接收屏之间的距离， x k 为第k 级暗条纹距中央主极大中心位置O 的距离。 若已知波长nm 30.589=λ，测出单缝至光屏距离f 、第k 级暗纹离中央亮纹中心之间的距离x k ,便可用公式（17-3）求出缝宽 。 三、实验仪器 狭缝装置，透镜架，二维平移底座，三维平移底座，宽度可调单缝，钠光灯，测微目镜，测微目镜架，升降调节座，透镜（焦距分别为150mm 和300mm ）。
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者： 凤呜大王* 一、实验目的 1. 观察细丝夫琅和费衍射现象。 2. 掌握细丝衍射相对光强的测量方法，并求出细丝直径。 二、实验原理 1. 夫琅和费衍射 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，细丝直径为0.1mm ，细丝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件： 2 20sin u u I I = I O 为中央明纹中心处的光强度，u=πasin θ/λ，a 是单缝宽度，φ衍射角 λ为入射波长 2. 菲涅耳假设和光强度 物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。如图9-1所示，单缝AB 所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P 所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随细丝平面法线与衍射光的夹角（衍射角）增大而减小，计算细丝所在处波阵面上各点发出的子波在P 点引起
细丝直径的测量 摘要：本次实验为细丝直径的测量，由于细丝利用普通的测量工具很难准确测量，误差很大，所以此次实验是利用等厚干涉原理，即由同一光源发出的平行单色光垂直入射分别经过空气劈尖所形成的空气薄膜上下表面反射后，在上表面相遇时产生的一组与棱边平行的，明暗相间，间隔相同的干涉条纹，由此来测量细丝的直径，使数据更加准确，本次试验就是利用干涉原理制作劈尖测量发丝的直径。 关键词：干涉原理空气劈尖直径光程差 引言：本次实验是利用空气劈尖根据光的干涉原理测量发丝的直径，干涉和衍射是光的波动性的具体变现，利用光的等厚干涉由同一光源发出的平行光，分别经过劈尖间所形成的空气薄膜上下表面反射后产生干涉现象，形成明暗相间的条纹，使用显微镜观察明暗条纹间的距离，由此来计算发丝的直径 实验原理： 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两片玻璃片之间就形成了一层空气薄膜，叫做空气劈尖。在同一光源发出的单色平行光垂直照射下，经劈尖上下表面反射后将会产生干涉现象，在显微镜观察可发现明暗相间的干涉条纹，如图所示
实验内容与步骤： 实验仪器：读数显微镜 45度反射镜 2片光学玻璃钠光灯发丝1 将发丝夹在2片光学玻璃的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。将劈尖放在读数显微镜的载物台上。 2 打开钠光灯，调节45度反射镜，使光线平行垂直射入充满视野，此时显微镜的视野由暗变亮。 3 调节显微镜物镜的焦距使视野内明暗相间的条纹清晰，调节显微镜目镜焦距以及叉丝的位置是否对齐和劈尖放置的位置， 4 找出一段最清晰的条纹用读数显微镜读出两条明条纹或暗条纹之间的距离，同一方向转动测微鼓轮测量出5组明或暗条纹的间距。 5 使用游标卡尺测量出劈尖内细丝到较远一端的距离L 6 根据公式和测量的数据计算出细丝的直径和不确定度
一、实验目的 1. 观察细丝夫琅和费衍射现象。 2. 掌握细丝衍射相对光强的测量方法，并求出细丝直径。 二、实验原理 1. 夫琅和费衍射 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，细丝直径为0.1mm ，细丝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件： 2 20sin u u I I I O 为中央明纹中心处的光强度，u=asin θ/，a 是单缝宽度，衍射角 为入射波长 2. 菲涅耳假设和光强度 物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。如图9-1所示，单缝AB 所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P 所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随细丝平面法线与衍射光的夹角（衍射角）增大而减小，计算细丝所在处波阵面上各点发出的子波在P 点引起光振动的总和，就可以得到P 点的光强度。可见，空间某点的光强，本质上是光波在该点振动的总强度。 得分 教师签名 批改日期
细丝直径的测量铁丝直径 【实验目的】 (1)通过实验加深对等厚干涉原理及干涉概念的理解 (2)学习用等厚干涉测量铁丝直径的方法 (3)学会读书显微镜的正确使用 【仪器用具】 钠光灯 读数显微镜 劈尖装置 【实验原理】 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两玻璃片之间就形成一空气薄层（空气劈）。在单色光束垂直照射下，经劈上、下表面反射后两束反射光是相干的，干涉条纹将是间隔相等且平行于二玻璃交线的明暗交替的条纹。 λλk d =+=?22明纹()21222λ λ+=+=?k d 暗纹 相邻两暗纹（或明纹）对应的空气厚度 λλ k d k =+ 2 2()12 21+=+ +k d k λ 21λ = -+k k d d 则细丝直径D 为 2λ N D = N 为干涉条纹总条纹S L D 2 tan λ αα==≈ 2λ?= S L D
L 为劈尖的长度用游标卡尺测，S 为相邻两暗条纹的间距，用读书显微镜测量（5次测量） Λ 为钠光波长，λ = mm 103.5896-? 已知入射光波长λ，测出0N 和L ,就可计算出细丝（或薄片）的直径D 。 【实验内容】 （1）将细丝（或薄片）夹在劈尖两玻璃板的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。然后置于移测显微镜的载物平台上。 （2）开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场。此时显微镜中的视场由暗变亮。 调节显微镜目镜焦距及叉丝方位和劈尖放置的方位。调显微镜物镜焦距看清干涉条纹，并使显微镜同移动方向与干涉条纹相垂直。 （3）用显微镜测读出叉丝越过条暗条纹时的距离l,可得到单位长度的条纹数0N 。再测出两块玻璃接触处到细丝处的长度L.重复测量五次，根据式)2/(0λL N D =计算细丝直径D 平均值和不确定度。 【数据记录】 实验测量数据 单位（mm ） 错误!未找到引用源。 5 j i S S - S1 S6 S2 S7 S3 S8 S4 S9 S5 S10
在单缝夫琅和费衍射实验中，屏上第三级暗纹对应的单缝处波阵面可划分为 个半波带，若将缝宽缩小一半，原来第三级暗纹处将是 纹。 6 ， 明 纹。 在通常亮度下，人眼瞳孔直径约为3 mm ，若视觉感受最灵敏的光波长为550 nm (1 nm = 10-9 m)，试问： (1) 人眼最小分辨角是多大？ (2) 在教室的黑板上，画的等号的两横线相距2 mm ，坐在距黑板10 m 处的同学能否看清？ （10分） 42.2410R θ-=? 能看清。 在夫琅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。 在单缝夫琅和费衍射中，若单缝两边缘点A 、B 发出的单色平行光到空间某点P 的光程差为λ5.1，则A 、B 间可分为__3 __个半波带，P 点处为__明 ____（填明或暗）条纹。 惠更斯引入___ ___的概念提出了惠更斯原理，菲涅耳再用___ _的思想补充了惠更斯原理，发展成了惠更斯——菲涅耳原理。子波，子波相干 在单缝夫琅和费衍射实验中，设第1级暗纹的衍射角很小。若钠黄光(nm 5891=λ)为入射光，中央明纹宽度为.0mm 4；若以蓝紫光(nm 4422=λ)为入射光，则中央明纹宽度为____3 __mm 。 在单缝夫琅和费衍射中，若单缝两边缘点A 、B 发出的单色平行光到空间某点P 的光程差为λ2，则A 、B 间可分为__4_ __个半波带，P 点处为__暗 _（填明或暗）条纹。 在单缝衍射实验中，缝宽mm 2.0=a ，透镜焦距m 4.0=f ，入射光波长nm 500=λ，则在距离中央亮纹中心位置mm 2处是亮纹还是暗纹？从这个位置看上去可以把单缝分为几个半波带？ ( D ) A 、 亮纹，3个半波带； B 、亮纹，4个半波带； C 、 暗纹，3个半波带； D 、 暗纹，4个半波带。
利用夫琅与费单缝衍射对角宽度的测量 观察衍射现象的实验装置一般就是由光源、衍射屏与接受屏三部分组成。按它们相互间距离的不同情况,通常将衍射分为两类:一类就是衍射屏离光源或接受屏的距离为有限远时的衍射,称为菲涅尔衍射;另一类就是衍射屏与光源与接受屏的距离都就是无穷远的衍射,也就就是照射到衍射屏上的入射光与离开衍射屏的衍射光都就是平行光的衍射,称为夫琅禾费衍射。若衍射屏上有一单狭缝,宽度为a,则在接受屏上将出现一组明暗相间的平行直条纹。 一、实验目的 1、观察单缝衍射现象,了解单缝宽度对衍射条纹的影响。 2、学习测量单缝宽度的一种方法。 二、实验原理 让一束单色平行光通过宽度可调的缝隙,射到其后的接收屏上。,若缝隙的宽度a 足够大,接收屏上将出现亮度均匀的光斑。随着缝隙宽度a 变小,光斑的宽度也相应变小。但当缝隙宽度小到一定程度时, 光斑的区域将变大,并且原来亮度均匀的光斑变成了一系列亮暗相间的条纹。根据惠更斯-菲涅耳原理,接收屏上的这些亮暗条纹,就是由于从同一个波前上发出的子波产生干涉的结果。为满足夫琅禾费衍射的条件,必须将衍射屏放置在两个透镜之间。实验光路图如图17-1所示。 r r 0O X'x k f θ L 1L 2 S 2S 1 图17-1夫琅禾费单缝衍射光路图
下面来推导单缝缝宽的测量公式 。中央亮条纹的宽度可用其两侧暗条纹之间的角距离来表示,由于对称性, 主极大的角宽度为从点O 到第一暗条纹中心的角距离的两倍,所以从点O 到第一暗条纹中心的角距离,称为主极大的半角宽度。主极大的半角宽度就就是第一暗条纹的衍射角θ,近似等于a /λ。中央亮条纹的宽度等于各次极大的两倍,也就就是说,各次极大的角宽度都等于中央亮条纹的半角宽度,并且绝大部分光能都落在了中央亮条纹上。 在远场条件下,即单缝至屏距离a z >>时,各级暗条纹衍射角k θ很小,k k θθ≈sin ,于就是第k 级暗条纹在接收屏上距中心的距离k x 可写为f x k k θ=。而 第k 级暗条纹衍射角k θ满足 a k k λθ= sin (17-1)所以 f x a k k ≈λ (17-2) 于就是,单缝的宽度为 k x f k a λ= (17-3) (17-3)式中k 就是暗条纹级数,f 为单缝与接收屏之间的距离, x k 为第k 级暗条纹距中央主极大中心位置O 的距离。 若已知波长nm 30.589=λ,测出单缝至光屏距离f 、第k 级暗纹离中央亮纹中心之间的距离x k ,便可用公式(17-3)求出缝宽 。 三、实验仪器 狭缝装置,透镜架,二维平移底座,三维平移底座,宽度可调单缝,钠光灯,测微目镜,测微目镜架,升降调节座,透镜(焦距分别为150mm 与300mm)。
测定单缝衍射的光强分布 【教学目的】 １．观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解。 ２．会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。 ３．学会用衍射法测量微小量。 【教学重点】 1.夫琅禾费衍射理论 2.夫琅禾费单缝衍射装置 3.用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布，衍射法测量微小量 【教学难点】 夫琅禾费单缝衍射光路及光强分布规律 【课程讲授】 提问：1. 缝宽的变化对衍射条纹有什么影响 2. 夫琅和费衍射应符合什么条件 一、实验原理 光的衍射现象是光的波动性的重要表现。根据光源及观察衍射图象的屏幕（衍射屏）到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种，前者是光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射；后者则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源至单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均为无限远（或相当于无限远），即要求照射到单缝上的入射光、衍射光都为平行光，屏应放到相当远处，在实验中只用两个透镜即可达到此要求。实验光路如图1所示，
图1 夫琅禾费单缝衍射光路图 与狭缝E 垂直的衍射光束会聚于屏上P 0处，是中央明纹的中心，光强最大，设为I 0，与光轴方向成Ф角的衍射光束会聚于屏上P A 处，P A 的光强由计算可得： 式中，b 为狭缝的宽度，λ为单色光的波长，当0=β时，光强最大，称为主极大，主 极大的强度决定于光强的强度和缝的宽度。 当π βk =，即： 时，出现暗条纹。 除了主极大之外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，由数学计算可得出现这些次极大的位置在β=±π，±π，±π，…，这些次极大的相对光强I/I 0依次为，，，… 图2 夫琅禾费衍射的光强分布 220sin ββI I A =)sin (λ φπβb =b K λφ=sin ） ，，，???±±±=321(K
文章编号：1671-3559 （2005）02-0178-03收稿日期：2004-07-02 作者简介：王少清（1958-），男，黑龙江友谊人，济南大学理学 院教授。 夫琅和费衍射法测量细丝直径的研究 王少清，娄本浊，胡士会 （济南大学理学院，山东济南250022） 摘要：系统分析了夫琅和费衍射法测量细丝直径的各种误 差因素，提出了工作距离D 的标定方法。对4根直径不同的细丝进行了测量，最后，用另外两种测量方法对衍射法测得的结果进行了验证。 关键词：细丝；直径测量；夫琅和费衍射中图分类号：O436.1 文献标识码：A 测量细丝直径的非接触式测量法主要有光学成像法、光学显微镜法、激光扫描法、光学衍射法等 等［1-9］ 。 其中光学衍射法有非接触、无损伤、测量精度高等优点，且容易实现动态在线测量。因此有必要进一步研究用这种方法时，如何确定测量条件及减小测量误差，以便取得较精确的结果。 如图1所示，当用平行光垂直照明宽度为d 的 单缝时，在观察屏上产生的衍射光强分布的极小满 足［10］： d sin θ=k λ k =±1，±2，±3， (1) 图1夫琅和费单缝衍射示意图 当衍射角很小时，有 d =k λ D /x k k =±1，±2，±3，…（2）其中：D 为单缝K 与观察屏 E 间的距离，θ为衍射 角，λ为光的波长， xk 为第k 级极小的位置。据巴比涅定理可知，当将单缝换成同宽度的细丝时，除θ=0处，屏幕上的衍射光强分布与单缝的衍射光强分布相同。因此，只要测得细丝夫琅和费衍射光强的第k 级极小的位置x k ，在已知光源波长和细丝到接收屏距离（以下称为工作距离）D 的条件下，即可由式（2）求得细丝的直径d 。 要利用式（2）求得细丝直径d ，就必须先测得工 作距离D 。D 的标定方法有多种。作者提出一种简单易行的标定方法。由式（2）可得 D =x k d /k λ （3） 可见，只要用一根直径d 为已知的细丝， 让该细丝产生夫琅和费衍射，测得x k 和k ，就可确定工作距 离D 。这种方法不需增加任何仪器，且具有较高的精度。在本实验中，采用最小分度值为10μm 的螺旋测微计测得细丝的平均直径d =0.092mm 。所用氦氖激光器的波长λ=632.8nm 。测得k =10的衍射极小的位置为x k =64.355mm ，将所有数据代入式（3） 得D =935.62mm 。以后测量中保持该值不变。据式（2）可得标定D 的相对误差为：ΔD /D =Δk /k +Δλ/λ+Δx k /x k +Δd /d （4）其中：Δλ/λ和Δk /k 两项可以忽略，Δx x 是测量的步长，为0.1mm ，x k 取可分辨的最高级次极小的位 置，可取50～80mm ，这样Δx k /x k 项一般在0.13%～ 0.20%；Δd 取千分尺的最小分度值的一半，即5μm ，d 为0.092mm ， 这样Δd /d =5.4%。由此可见，标定D 的误差主要来自标准细丝直径的误差。如用精度更高的标准细丝，能进一步减小该误差。 3 夫琅和费衍射法测细丝直径误差分析 第19卷第2期2005年6月 济南大学学报（自然科学版） JOURNAL OF JINAN UNIVERSITY （Sci.&Tech.）Vol.19No.2 Jun. 2005