衍射表面定义

光的衍射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。

光的衍射光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学传播定律的现象。

几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。

但是，光是一种电磁波，当一束光通过有孔的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。

总之，衍射效应使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布，衍射光强有了一种重新分布。

衍射使得一切几何影界失去了明锐的边缘。

意大利物理学家和天文学家F.M.格里马尔迪在17世纪首先精确地描述了光的衍射现象，150年以后，法国物理学家A.-J.菲涅耳于19世纪最早阐明了这一现象。

光的衍射现象的观察和特点衍射是一切波所共有的传播行为。

日常生活中声波的衍射、水波的衍射、广播段无线电波的衍射是随时随地发生的，易为人觉察。

但是，光的衍射现象却不易为人们所觉察，这是因为可见光的波长很短，以及普通光源是非相干的面光源。

当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝、细丝、刀口、直边等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样。

在实验室中，过去用碳弧灯这类强点光源，而目前广泛采用氦氖激光器作光源来显示衍射现象，收到了良好的效果（图1）。

衍射现象具有两个鲜明的特点：①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。

②若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。

理论上表明光孔横向线度ρ与衍射发散角Δθ之间存在反比关系简介光波遇到障碍物光的衍射以后会或多或少地偏离几何光学传播定律的现象。

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[1]。

菲涅耳
被选为英国皇家学会会员。1827年7月14日因肺
（Augustin-Jean Fresnel 1788-1827） 病医治无效而逝世，终年仅39岁。
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。
rk r0 k 2
r0
P
则: 露出部分波面的表面积(球冠)
为Sk 2Rh 2R R(1 cos)
cos R2 (R r0 )2 rk 2
2R(R r0)
将上两式分别微分得：
C’
因此：
sk R
rk R r0
dS 2R2 sin d sin d rk drk
R(R r0 )
一、衍射现象： §2-1 光的衍射现象
1、机械波的衍射
不沿直线传播而绕过障碍物，沿各方向绕射的现象。如声波、水波的衍射。
2、电磁波的衍射
不沿直线传播而绕过障碍物，继续传播的现象。如无线电波（电视、 广播）的衍射。
3、光波的衍射
直线传播
E
A
E
S
B
宽
细 丝
a
S
●
b
缝
A
窄
S
B
E
衍射
a'
衍射
a b
光绕过障碍物的边缘，偏离直线传播而进入 几何阴影区，并在屏上出现光强不均匀分布

解:（1）
（2） 出现缺极情况， 用缺极条件
d k k a 此题：k 3 k 1
（3）在选定了上述 射角
和
之后，求在衍
范围内可能观察到的
全部主级大的级次？
k max
d sin


2 4
实际可能观察到 k=0 +1 -1 +2 –2 （k=+3 -3缺级； k=+4 -4 实际无法 看到 ）
一、光的衍射（ diffraction of light ）
★ 定义 光在传播过程中能够 绕过障碍物的边缘而 偏离直线传播的现象。 ★ 现象示意图 屏幕
缝很小时，衍射现象明显
1. 惠更斯—菲涅尔原理 (Huygens-Fresnel Principle)
① 波前S上各点都可以看作新的发射球面子光 的新光源，在其后任一时刻，这些子波的包 迹形成新的波振面（确定波的传播方向） ② 空间任一点的光振动是所有子光在该点的相 干叠加。（确定衍射图样中的光强分布） 惠更斯：子波的概念 菲涅尔：子波干涉（子波相干叠加）的思想
6 光栅光谱 ① 在垂直入射时，中央是零级明纹。 无光谱。 ② 完整光谱： 没有重叠的清晰光谱
条件：
③ 光栅的分辨本领R R kN
5、光栅光谱 如果复色光投射在光栅上， 在屏上将出现光栅光谱。 复色光 屏 φ f 0 x
三级光谱 二级光谱
一级光谱
汞光的光栅光谱
汞光的光栅光谱
汞光的光栅光谱
2. 衍
射 的 分 类
（近场衍射）
（远场衍射）
P
S
（近场衍射）
有限远
P
S
f
（远场衍射）
f
无限远

光沿直线传播定律与光的衍射
光沿直线传播定律是物理学中的一条基本定律，其定义是：光在任何表面上作直线运动，当光线从一个介质运动到另一介质中时，也以直线的形式运动，当它穿过表面时，也以直线的形式运动。

事实上，光沿着直线传播得到认可，是几百年前光学研究的主要结果。

古典物理学家如爱迪生、艾伦等，以及物理学家如欧姆和亨利等，都研究了这一定律。

光衍射是指光从一种空间传播到另一种空间时，有形地以不同两个方向传播的现象。

光衍射是由于光波射出的物体，受到物体本身的外部力的影响，使其发生变化而产生的。

这使得光波可以在外部空间中以不同的方式平行传播，这种物理现象就叫做光衍射。

光衍射的发现也要追溯到古代科学家的发现和研究，在新的物理知识被开创出来之前，古希腊天文学家、诺福斯等古代数学家也有大量研究，诸多此前研究的影响使得光衍射被最终发现。

事实上，光沿着直线传播定律以及光衍射是两个完全不同的概念，但他们都是物理学中的重要定义，在现代社会中都十分重要。

凭借光的沿着直线传播定律的发现，我们可以完成精准的分析，改进日常生活；通过光衍射，我们可以了解光有形地以不同两个方向传播的现象，以及衍射物体存在这种发生改变。

什么是光的干涉和衍射知识点：光的干涉和衍射光的干涉是指两束或多束光波相互叠加时产生的干涉现象。

当这些光波相遇时，它们的振幅可以相互增强（相长干涉）或相互抵消（相消干涉），从而产生明暗相间的条纹。

光的干涉现象可以用杨氏双缝干涉实验来说明，其中光通过两个非常接近的狭缝后，会在屏幕上形成一系列亮暗相间的条纹。

光的衍射是指光波遇到障碍物或通过狭缝时，光波会向各个方向传播并发生弯曲现象。

衍射现象可以用明显的例子如单缝衍射和圆孔衍射来说明。

在单缝衍射实验中，光通过一个狭缝后，在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹，中心亮条纹最宽最亮。

而在圆孔衍射实验中，光通过一个小圆孔后，在屏幕上形成一系列以圆心为中心的亮环。

光的干涉和衍射都是波动光学的基本现象，它们可以帮助我们了解光的本质和光的传播方式。

这些现象在科学技术中有广泛的应用，如光学显微镜、光学干涉仪、激光技术等。

光的干涉和衍射现象也是物理学中的重要研究领域，对于研究光的波动性和光的本质特性具有重要意义。

习题及方法：1.习题：在杨氏双缝干涉实验中，如果狭缝间的距离为d，入射光的波长为λ，那么在屏幕上形成的干涉条纹的间距是多少？解题方法：根据干涉条纹的间距公式△x = λ(L/d)，其中L是屏幕到狭缝的距离。

将给定的数值代入公式计算即可得到干涉条纹的间距。

答案：干涉条纹的间距为λL/d。

2.习题：在单缝衍射实验中，如果狭缝的宽度为a，入射光的波长为λ，那么在屏幕上形成的衍射条纹的间距是多少？解题方法：根据衍射条纹的间距公式△x = λ(L/a)，其中L是屏幕到狭缝的距离。

将给定的数值代入公式计算即可得到衍射条纹的间距。

答案：衍射条纹的间距为λL/a。

3.习题：在杨氏双缝干涉实验中，如果将入射光的波长从λ1变为λ2（λ1 < λ2），那么干涉条纹的间距会发生什么变化？解题方法：根据干涉条纹的间距公式△x = λ(L/d)，可以看出干涉条纹的间距与波长成正比。

因此，当波长增加时，干涉条纹的间距也会增加。

光的色散与衍射光是一种电磁波，在传播过程中会经历色散和衍射现象。

色散是指光在光密度不均匀介质中传播时，由于不同频率成分的光速不同，导致光的折射角度和色散光谱的现象。

而衍射是指光通过狭缝或物体边缘时，由于光的波动特性，发生弯曲和扩散的现象。

本文将详细介绍光的色散和衍射以及其应用。

一、光的色散光的色散是指光在不同介质中或同一介质中的不同频率光波传播时，由于介质的光密度不均匀性，导致不同频率光波的折射角度不同的现象。

光的色散可以分为正常色散和反常色散两种情况。

1. 正常色散正常色散是指光在光密度增大的介质中，折射角随着光频率增加而减小的现象。

这种现象主要出现在光通过玻璃、水等介质时。

在可见光谱中，蓝光的频率较高，所以在正常色散情况下，蓝光会比红光更容易被折射偏离原来的传播方向。

2. 反常色散反常色散是指光在光密度减小的介质中，折射角随着光频率增加而增加的现象。

这种现象主要出现在光通过玻璃棱镜等材料时。

在可见光谱中，红光的频率较低，所以在反常色散情况下，红光会比蓝光更容易被折射偏离原来的传播方向。

二、光的衍射光的衍射是指光波通过狭缝、边缘等物体时，由于光的波动特性，在光的传播方向上发生弯曲和扩散的现象。

光的衍射可以分为单缝衍射和双缝衍射。

1. 单缝衍射单缝衍射是指光波通过一个狭缝时，在狭缝边缘会发生弯曲和扩散的现象。

当狭缝的宽度接近光波波长的数量级时，衍射效应显著。

单缝衍射的实验可以通过在暗房中利用透光板和狭缝进行观察，并通过屏幕上出现的光斑来观察衍射现象。

单缝衍射的结果会出现一系列明暗相间的光斑，称为夫琅禾费衍射图样。

2. 双缝衍射双缝衍射是指光波通过两个狭缝时，在两个狭缝边缘会发生弯曲和扩散的现象。

双缝衍射实验通常使用的是晶格、狭缝或者光栅等。

在狭缝或光栅上，通过两个或多个狭缝等间距设置，观察光通过后在屏幕上出现的干涉条纹图案。

双缝衍射的结果是在中央为明纹，两侧为暗纹，形成一系列明暗相间、分布呈周期性的条纹。

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。

光的衍射现象
还记得小学课本上《光的衍射》这个物理现象么？光的衍射是光的局部偏离，
让它们沿折射界面的法线分布，由它们给出的惊人的色彩，使原本枯燥乏味的环境若有生气。

光的衍射是一种自然现象，当紫外线、可见光或远红外线经过衍射物体时，入
射光就会通过衍射物体的表面被折射，折射改变了光线方向分布，引起光斑散射，再配合着波长颜色的关系，然后迅速地将折射的光照射到视觉神经末端的视网膜，最终产生了一种美丽的色彩散射现象，使人敬畏之余更具有欣赏和研究的价值。

光的衍射可以应用于多种不同的场合。

比如室内的装饰，只要控制好光源的位
置和对衍射物体的折射角度，然后就可以在墙壁或地面上看到绚丽的光斑，照亮整个室内。

以太阳能电池发电为例，当有衍射物存在时，光线被折射，使得电池表面积拓宽，从而提高了太阳能电池的转换效率。

另外，光的衍射现象还可以用来研究大气的颗粒物和气体的分布情况，比如找
出天气现象发生的原因，充分了解大气污染的分布特点，还可以观测和研究太阳系内其他行星大气层成分组成等等。

综上所述，光的衍射一方面可以制作出美丽的色彩，起到室内装饰美化的作用；另一方面还可以提高太阳能电池的转换效率，甚至还可以用来研究大气分布和天气现象等等。

由此可见，光的衍射现象是一个非常有趣的物理现象，它在我们的日常生活中发挥着重要的作用。

光 的 衍 射（Diffraction of light）江美福 物理科学与技术学院一、 衍射现象、惠更斯——菲涅耳原理1. 光的衍射现象圆孔衍射圆盘衍射（泊松点）正三角形孔正四边形孔正六边形孔正八边形孔不同于双缝干涉，单缝衍射中央亮条纹特别宽， 集中了约90%的光强，近似为原来单缝的像。

缝宽时无衍射单缝衍射 单缝衍射图样衍射屏 S λ a观察屏 Sλ衍射屏 L′ L观察屏*λ ≥ 10 - 3 a*分类:(1) 菲涅耳衍射 近场衍射(2) 夫琅和费衍射 远场衍射定义: 光在传播过程中能绕过障碍物的边缘 而偏离直线传播的现象2. 惠更斯原理任何时刻，波面上的每一个点都可作为新的次波源而发出球面 次波，在以后的任一时刻，所有次波波面的包络就形成整个波动 在该时刻的新波面。

平面波t=0 cτ t=τ t=τ t=0球面波cτ ● ● ● ● ●应用及局限性：可以定性解释直线传播、反射、折射、晶体双折 射等现象不能定量计算和解释干涉、衍射现象。

3. 惠更斯——菲涅耳原理 波传到的任何一点都是子波的波源，各子 波在空间某点的相干叠加，就决定了该点 波的强度。

dSQ S(波前) 设初相为零·θn rdE(p)· pa(Q ) K (θ ) dE( p ) ∝ dS rK(θ ):方向因子 θ = 0, K = K max  θ ↑ → K (θ ) ↓ θ ≥ π , K = 0   2a (Q ) 取决于波前上Q点处的强度dE( p ) a(Q ) ⋅ K (θ ) 2π r = dS ⋅ cos(ω t − ) r λa(Q ) ⋅ K (θ ) 2π r E( p ) = ∫∫s ⋅ cos(ω t − ) ⋅ dS r λ = E 0 ( p ) ⋅ cos(ω t + ϕ p ) ) （P处波的强度2 I p ∝ E 0( p )二、 单缝的夫琅和费衍射、半波带法1.单缝的夫琅和费衍射装置缝平面 透镜L 透镜L′ B θ S θ a f′ A Δ f S: 单色光源 θ : 衍射角 观察屏·p0*AB = a (缝宽)2.条纹特点明暗相间的平行直条纹 条纹的宽度和亮度不同•当时，可将缝分成三个“半波带”λθ23sin =a P 处近似为明纹中心形成暗纹。

A B C
( B ) /2.
( C ) 3 /2. ( D ) 2 .
F
屏
[ A ]
波长为＝480nm的单色光垂直入射到一宽度为 a=0.40mm的单缝上，单缝后透镜的焦距为 f=60cm，当单缝两边缘点A、B射向P点的两条光 线在P点的相位差为p时，P点离透镜焦点O的距 离等于 。

D 分辨本领 R 1.22
1
D R
望远镜： 不可选择，可 D R
显微镜： D不会很大，可 R 电子显微镜l～10-3 nm,最小分辨距离10-1 nm,放大倍数可达几万～几百万倍。
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。
衍射的本质是干涉
三. 分类: (1) 菲涅耳衍射 近场衍射
光源和观察屏(或二者之一)离衍射屏的距离有限远。
衍射屏 观察屏
*
S

a
(2) 夫琅禾费衍射 远场衍射

光源和观察屏都离衍射屏无限远。
S
衍射屏 L
观察屏 L
*
§2 单缝的夫琅禾费衍射 一.装置
缝平面 透镜L 透镜L B S aθ C * f Aδ 观察屏 p · 0
a sin k ，k 1,2,3,
此时k 级主极大缺级
d 干涉明纹缺级级次： k k a k 1,2,3
K级光栅衍射主极大出现缺级现象
I0单
单缝衍射光强曲线
I单
N 4 , d 4a
光 栅 衍 射
-2
-1
0
多光束干涉光强曲线
N2
sin2N/sin2

光学中的干涉和衍射现象光学是研究光的传播和性质的科学领域，而光的干涉和衍射现象则是光学中的两个重要现象。

本文将从干涉和衍射的定义、原理和应用等方面进行论述，以帮助读者更好地理解光学中的这两个现象。

一、干涉现象干涉是指发生在两个或多个波相交的地方，波的振幅会相互叠加或抵消的现象。

这种干涉现象在光学中尤为突出。

干涉分为两类：构造干涉和干涉条纹。

1. 构造干涉构造干涉又称为相干干涉，是指来自同一光源的两束或多束相干光在空间的某一点发生干涉。

当两束光的光程差为波长的整数倍时，相干光会产生增强，形成亮度最大的区域，这被称为亮纹。

而当光程差为半波长的奇数倍时，相干光会产生抵消，形成亮度最小的区域，这被称为暗纹。

2. 干涉条纹干涉条纹是指干涉现象在某一场景上产生的条纹状图案。

这种现象可以通过两束光的干涉或通过干涉仪（如杨氏双缝干涉仪）来观察。

干涉条纹的间距和颜色是由光的波长和光程差决定的。

例如在干涉仪中，两个狭缝之间的干涉条纹间距可由以下公式计算：d*sinθ = mλ，其中d是两个狭缝的间距，θ是入射光和狭缝之间的夹角，m是整数，λ是光的波长。

二、衍射现象衍射是指光通过一个有限大小的孔或物体边缘时，会发生弯曲和扩散的现象。

衍射通常与光的波动性有关，当波长与孔的尺寸或物体的边缘接近甚至相当时，衍射现象会十分显著。

衍射现象可以通过一条直线形状狭缝后方面的光强分布模式来观察。

对于单缝衍射，光的振幅会沿着中央最强的主极大区域逐渐衰减，形成一系列弱极大和极小的明暗条纹。

对于双缝衍射，光通过两个狭缝后形成的干涉图样会在后方的屏幕上出现衍射条纹。

三、干涉和衍射的应用干涉和衍射现象在光学中有着广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：1. 干涉测量干涉测量利用相干光的干涉条纹进行测量，可以实现高精度的测量。

例如使用激光干涉仪测量物体的形状和表面的粗糙度。

2. 干涉显微镜干涉显微镜可以利用干涉图样来观察透明材料的细微结构和形貌，常用于生物医学和材料科学领域。

反射衍射的特性表现一、反射现象1.反射的定义：反射是指光线、声波等波遇到界面时，一部分能量返回原来介质的现象。

2.反射定律：入射角等于反射角，即入射光线与法线的夹角等于反射光线与法线的夹角。

3.反射类型：a)镜面反射：平行光线入射到平滑表面，反射光线仍然平行。

b)漫反射：平行光线入射到粗糙表面，反射光线向各个方向传播。

二、衍射现象1.衍射的定义：衍射是指波遇到障碍物或通过狭缝时，波的传播方向发生改变，形成新的波分布的现象。

2.衍射条件：a)孔径衍射：当障碍物或孔径的尺寸与波长相当或更小，衍射现象明显。

b)障碍物衍射：当波遇到障碍物时，波在障碍物边缘发生衍射。

3.衍射现象的表现：a)单缝衍射：光通过一个狭缝时，形成明暗相间的衍射条纹。

b)双缝衍射：光通过两个狭缝时，形成干涉和衍射现象，形成干涉条纹和衍射条纹。

c)多缝衍射：光通过多个狭缝时，形成干涉和衍射现象，形成干涉条纹和衍射条纹。

三、反射和衍射的特性表现1.反射和衍射都是波的基本现象，所有波都会发生反射和衍射。

2.反射和衍射现象的明显程度与波长、孔径尺寸、障碍物尺寸等因素有关。

3.反射和衍射现象在日常生活和科学研究中都有广泛应用，如光学、声学、电磁学等领域。

4.反射和衍射现象可以解释许多自然现象，如日食、月食、彩虹等。

5.反射和衍射现象是波动学中的重要内容，对于理解波的性质和传播规律具有重要意义。

习题及方法：1.习题：一束平行光垂直照射到一个半圆形障碍物上，观察到明显的衍射现象。

请问，衍射现象最明显的是哪个区域？解题思路：根据衍射条件，当障碍物或孔径的尺寸与波长相当或更小时，衍射现象明显。

在这个问题中，半圆形障碍物的直径与光的波长相近，因此，衍射现象最明显的区域是半圆形障碍物的边缘区域。

答案：衍射现象最明显的区域是半圆形障碍物的边缘区域。

2.习题：一束红光和一束绿光同时照射到一个狭缝上，观察到明显的衍射现象。

请问，哪一束光的衍射条纹更宽？解题思路：根据衍射条件，孔径衍射中，当孔径尺寸与波长相当或更小时，衍射现象明显。

红色激光的圆孔衍射图样从理论上看，夫琅禾费衍射显然是菲涅尔衍射的一种特殊情形，而实际上却更为人 们所重视，这是因为夫琅禾费衍射场的理论计算较为容易、应用价值又很大，而实验上又不难实现。尤其是，在 现代变换光学中傅里叶光学的兴起，赋予经典夫琅禾费衍射以新的现代光学的意义——傅里叶光学是以夫琅禾费 衍射衍射为枝杈生长起来的。
指的是光源-衍射屏、衍射屏-接受屏之间的距离均为有限远，或其中之一为有限远的场合，或者说，球面波 照明时在有限远处接收的是菲涅尔衍射场。例如：圆孔衍射、圆屏衍射菲涅尔衍射、泊松亮斑
单缝夫朗和费衍射指的是衍射屏与两者的距离均是无限远的场合，或者说，平面波照明时在无穷远处接收的 是夫琅禾费衍射场。概略的看，菲涅尔衍射是近场衍射，而夫琅禾费衍射是远场衍射。不过，在成像衍射系统中， 与照明用的点光源相共轭的像面上的衍射场也是夫琅禾费衍射场，此时，衍射屏与点光源或接收屏之距离在现实 空间看，都是很近的。
感谢观看
衍射
波的一种物理现象
01 研究历史
03 几何理论
目录
02 光的
衍射（英语：diffraction）是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。
在经典物理学中，波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。假设将一个障碍 物置放在光源和观察屏之间，则会有光亮区域与阴晦区域出现于观察屏，而且这些区域的边界并不锐利，是一种 明暗相间的复杂图样。这现象称为衍射，当波在其传播路径上遇到障碍物时，都有可能发生这种现象。除此之外， 当光波穿过折射率不均匀的介质时，或当声波穿过声阻抗（acoustic impedance）不均匀的介质时，也会发生类 似的效应。在一定条件下，不仅水波、光波能够产生肉眼可见的衍射现象，其他类型的电磁波（例如X射线和无 线电波等）也能够发生衍射。由于原子尺度的实际物体具有类似波的性质，它们也会表现出衍射现象，可以通过 量子力学进行研究其性质。

波的衍射原理波的衍射原理是物理学中的重要概念，它是为了解释当任何物理介质中的一束波穿过一个可以改变其走向的界面时，经历衍射而发生的变化。

它被广泛用于研究声学、光学、电磁学等不同领域的物理现象，是这些学科研究的基础知识之一。

波的衍射原理是指当一个波接触到一个物理介质界面，其方向会发生改变。

这是因为当物理介质的面上出现一个梁或凹槽时，波的振幅（强度或者是高度）会发生衍射，变为被分散的多个波。

这就是波的衍射原理。

波的衍射原理最早是18th世纪由斯特拉斯伯格发现的，也是第一个提出理论定义上述衍射现象的人。

他研究了声波在梁或凹槽中的衍射，得出了相应的衍射公式。

这些衍射公式描述了衍射波在水的表面的强度，并能够解释折射现象。

随后，许多科学家都对波的衍射原理进行了进一步的研究，这些研究不仅拓展了波的衍射在声学和水的表面的范围，还开始研究了光的衍射。

由于光的衍射比声波的衍射更加复杂，因此他们发现了衍射现象的另一面：衍射系数不能完全用来描述衍射现象，而是需要不同的衍射角度，以及更多的光谱。

在19th世纪，经过许多科学家的努力，波的衍射原理被全面拓展，并被应用到多种领域，包括声学、光学、电磁学等，取得了不小的进展。

在声学方面，波的衍射原理帮助科学家们掌握声波在多种介质中发生衍射的原理，从而可以使用它来研究声波延伸距离、音量、频率和颜色等。

此外，许多发声器也是依靠波的衍射原理来实现声音传播的。

在光学方面，波的衍射原理也发挥了重要作用，在微观尺度上可以获得大量有用的信息，例如光的折射率、折射角、衍射率等，进而可以更好的应用于用光探测物体的结构，或者研究光的折射现象、折射和反射等。

此外，在电磁学方面，波的衍射原理也有着重要的应用，比如可以用它来检测电磁波的发射和接收、计算电磁波发射的功率等，从而帮助科学家们更准确的了解电磁波的传播规律。

总之，波的衍射原理对于研究声学、光学和电磁学中各种现象都有着重要的作用，它不仅为这些学科的研究发展提供了极大的帮助，也为各种技术应用提供了可靠的理论依据。

光的衍射与衍射定律光的衍射是指光通过障碍物或通过小孔时发生偏折和扩散的现象。

这一现象在物理学中具有重要意义，对于我们理解光的性质和特点起着重要的作用。

本文将介绍光的衍射的基本原理以及衍射定律的应用。

一、光的衍射原理光的衍射是由于光的波动性导致的。

当光通过一个孔或绕过一个障碍物时，波的前沿会发生弯曲，这样光在衍射过程中就会发生弯曲和扩散。

根据黑格尔原理，衍射的强度与障碍物的大小和形状有关。

当孔的尺寸接近或小于光的波长时，衍射现象更加明显。

当光通过一个窄缝时，其波前会形成不同的曲线，从而产生衍射图案。

二、衍射定律光的衍射遵循一定的规律，即衍射定律。

根据衍射定律，光的衍射现象可以用一些数学表达式来描述。

下面是一些常见的衍射定律：1. 单缝衍射定律当光通过一个宽度为a的单缝时，衍射图案呈现出中央亮度最高，两侧逐渐减弱的特点。

根据衍射定律，中央亮度最高时，衍射角θ的正弦值等于波长λ与缝宽a的比值的一半，即sinθ = λ/a。

2. 双缝衍射定律当光通过两个间距为d的平行缝时，衍射图案呈现出一系列明暗相间的条纹，即干涉条纹。

根据衍射定律，两个相邻亮纹之间的距离x 满足x = λL/d，其中L为缝到屏幕的距离。

3. 径向衍射定律当光通过一个圆孔或环形孔时，衍射图案呈现出一系列同心圆环，中央亮度最高，逐渐向外变暗。

根据衍射定律，环形衍射的最小角度θmin满足sinθmin = 1.22λ/D，其中D为孔的直径。

三、衍射定律的应用衍射定律的应用广泛，特别是在实际的科学研究和工程应用中。

以下是一些衍射定律的应用实例：1. 衍射光栅衍射光栅是一种利用衍射定律制造而成的光学元件。

通过在平行线上等间距地刻上许多平行狭缝，光线在通过光栅时会产生衍射现象，从而形成一系列干涉条纹。

衍射光栅广泛应用于分光仪、光谱仪等设备中。

2. 显微镜的分辨本领根据衍射定律，光束通过物体表面的细微结构时会发生衍射现象，导致光的扩散和偏折。

这种现象被广泛应用在显微镜中，帮助研究者观察并分析微小的细胞结构和生物分子。

第5节光的衍射[学习目标]1．知道光的衍射现象，知道几种衍射现象的图样．2．理解光产生明显衍射的条件．(重点)3．知道衍射光栅的结构和衍射图样的特点，知道衍射光栅的两种分类．知识点1光的衍射1．定义：光绕过障碍物偏离直线传播的现象．2．产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸接近光的波长或比光的波长还小．3．单缝衍射的条纹特点(1)中央条纹为亮条纹，离中心条纹越远，亮条纹的宽度越窄，亮度越暗．(2)狭缝越窄，中央亮条纹越暗．4．圆盘衍射(泊松亮斑)(1)现象：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．(2)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．[判一判](1)光的衍射说明光不能沿直线传播．()(2)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．()(3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒，是光的干涉现象．()(4)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象．()(5)衍射现象中也有干涉的成分．()提示：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√[想一想]衍射和干涉条纹都是明暗相间的，两种条纹是否完全一样？提示：不一样．衍射条纹是中间最宽、最亮，从中间向两侧逐渐变窄、变暗；干涉条纹是等间距的条纹，宽度和亮度相同．知识点2衍射光栅1．结构有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件．狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越亮．2．衍射图样的特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．3．衍射光栅的种类反射光栅和透射光栅．1．(光明显衍射的条件)(多选)沙尘暴是由土地的沙化引起的一种恶劣的天气现象，发生沙尘暴时能见度只有十几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下()A．只有波长较短的一部分光才能到达地面B．只有波长较长的一部分光才能到达地面C．只有频率较大的一部分光才能到达地面D．只有频率较小的一部分光才能到达地面解析：选BD.据光明显衍射的条件，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分知，到达地面的光是频率较小的部分．光线能到达地面，据λ＝cf2．(光的衍射)下列现象中属于光的衍射现象的是()A．雨后天空美丽的彩虹B．阳光下肥皂膜的彩色条纹C．光通过三棱镜产生的彩色条纹D．对着日光灯从狭缝中看到的彩色条纹解析：选 D.雨后天空出现美丽的彩虹，这是太阳光通过悬浮在空气中细小的水珠折射而成的，白光经水珠折射以后，分成各种彩色光，这种现象叫作光的色散现象，A错误；日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹属于光的干涉，故B错误；一束白光通过三棱镜形成彩色光带属于光的折射现象，故C错误；通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹，属于单缝衍射，故D正确．3．(单缝衍射)(多选)做单缝衍射实验和双缝干涉实验时，用激光比普通光源效果更好，图像更清晰．如图甲所示，如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况．下列说法正确的是()A．做单缝实验时，光强分布图如图乙所示B．做单缝实验时，光强分布图如图丙所示C．做双缝实验时，光强分布图如图乙所示D．做双缝实验时，光强分布图如图丙所示解析：选AD.双缝干涉条纹等间距，单缝衍射条纹一定不等间距，即中央宽、两边窄的明暗相间的条纹．若做单缝实验时，光强分布图如图乙所示，故A正确，B错误；若做双缝实验时，光强分布图如图丙所示，故C错误，D正确．4．(物理光学综合问题)(多选)下列说法正确的是()A．光纤通信利用了全反射的原理B．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的衍射造成的C．障碍物的尺寸比光的波长大得多时，一定不会发生衍射现象D．人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的单缝衍射图样解析：选AD.光纤通信是利用了光的全反射原理制成的，故A正确；水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由油膜的上下表面反射的光相遇后叠加形成的，属于光的干涉，故B错误；障碍物的尺寸比光的波长大得多时，也会发生衍射现象，只不过不明显，故C错误；人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的衍射图样，故D正确．探究一对光的衍射现象的理解【问题导引】如图所示，是用光射到一个不透光的小圆形障碍物上形成的影，影的中心有一个圆形的亮斑，你知道这是怎样形成的吗？提示：光的衍射1．光的衍射(1)产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多．(2)光是一种波光的干涉现象表明光是一种波，由于衍射是波的特点，则光能够发生衍射，因此，光能够绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区而传播，即发生衍射现象．(3)可见光的波长范围是4.0×10－7～7.6×10－7 m，由发生明显衍射现象的条件可知，光的衍射现象不易观察．2．两种不同的衍射现象(1)单缝衍射①单色光的单缝衍射图样是明暗相间、亮度越来越暗且不等距的条纹，中央是亮纹，亮度大，宽度也大；波长越长，条纹间距越大，中央亮纹越宽；②白光的单缝衍射图样中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央亮纹的色光是紫光，最远离中央亮纹的色光的是红光．(2)泊松亮斑——障碍物的衍射现象各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清．若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．【例1】(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝时产生的条纹相同，则下列描述正确的是()A．这是利用光的干涉现象B．这是利用光的衍射现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了[解析]题述现象符合光的衍射产生的条件，故B正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故D也正确．[答案]BD[针对训练1](多选)对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是()A．只有障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性解析：选ABD.光的衍射现象说明了光具有波动性，而小孔成像说明了光沿直线传播，要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的(只有在光的波长比障碍物小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的)，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故C错误，A、B、D正确．探究二单缝衍射与双缝干涉的比较【问题导引】在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中，哪些属于光的单缝衍射图样？哪些属于光的干涉图样？提示：单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉图样，b、d是单缝衍射图样，c是水波的衍射图样．单缝衍射与双缝干涉的比较名称项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多频率、振动方向相同，相位差恒定的两列光波相遇叠加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，越靠外条纹间距越小各相邻条纹等间距亮度中间条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相同相同点成因干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果意义干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波特别提醒：(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列．(2)光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大．(3)复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加．【例2】(多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图．先做操作1：用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ；接着再做操作2：用不透明的挡板挡住b缝．若两块滤光片一块是红色，一块是蓝色，则()A．完成操作1后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是红色条纹，乙是蓝色条纹B．完成操作1后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是蓝色条纹，丁是红色条纹C．完成操作2后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是蓝色条纹，乙是红色条纹D．完成操作2后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹[解析](b)图中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样；(c)图为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹．操作1是双缝干涉实验，故条纹间距相等，光屏上出现(b)图案，由图案知甲的波长大于乙的波长，故甲为红色条纹，乙是蓝色条纹，操作2是单缝衍射，条纹间距不相等，光屏上为(c)图案，再结合波长关系可知丙是红色条纹，丁是蓝色条纹，故A、D正确，B、C错误．[答案]AD[针对训练2]关于甲、乙、丙三个光学现象，下列说法正确的是() 甲：激光束通过双缝产生明暗条纹乙：单色光通过劈尖空气薄膜产生明暗条纹丙：激光束通过细丝产生明暗条纹A．三个现象中产生的明暗条纹均为干涉条纹B．甲中，双缝的间距越大，条纹间距越小C．乙中，若被检查平面上有个凹陷，此处对应条纹会向右凸出D．丙中，如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变细了解析：选B.丙为衍射条纹，故A错误；根据单色光双缝干涉间距公式Δx＝Ldλ知双缝的间距越大，条纹间距越小，故B正确；乙中，若被检查平面上有个凹陷，则此处光程差变大，会提前出现亮条纹，所以条纹会向夹角处弯曲，即此处对应条纹会向左凸出，故C错误；衍射条纹的宽窄与狭缝的宽窄有关，狭缝越窄，条纹越宽，即如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变粗了，故D错误．(建议用时：20分钟)[基础巩固练]1．如图所示的四个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样()解析：选B.由泊松亮斑衍射图样特点可知B正确．2．(多选)关于光的衍射现象，下列说法正确的是()A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B．白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射解析：选AC.红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹，光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮点，是衍射现象，光的衍射现象只有明显与不明显之分，D中大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．3．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，看到的现象是()A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强D．以上现象都不会发生解析：选 A.由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大．本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展，故A正确，B、C、D错误．4．在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观看远处的线状白炽灯丝(灯管或灯丝都要平行于狭缝)，可以看到()A．黑白相间的直条纹B．黑白相间的弧形条纹C．彩色的直条纹D．彩色弧形条纹解析：选 C.白炽灯发出的是复色光，其中各种色光的波长不同，产生的衍射条纹间距不同，各单色光相互叠加，形成彩色直条纹．5．(多选)下列现象中，属于光的衍射现象的是()A．点光源照射一个障碍物时，在后面屏上所成的阴影的边缘模糊不清B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹C．海市蜃楼D．光导纤维解析：选AB.A、B为光的衍射现象；C海市蜃楼为光的折射和全反射现象；D为光的全反射现象．[综合提升练]6．(多选)关于衍射，下列说法正确的是()A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在衍射现象C．一切波都很容易发生明显的衍射现象D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实解析：选AB.衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过两个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射．一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸接近波长．7．(多选)在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是()A．将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽解析：选ACD.当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，若增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，故A、C、D正确．8.某同学自己动手制作如图所示的装置观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，整个装置位于一暗箱中，实验过程如下：(1)该同学用一束太阳光照射A屏时，屏C上没有出现干涉条纹；移去B后，在屏上出现不等间距条纹，此条纹是由____________产生的．(2)移去A后，遮住缝S1或缝S2中的任一个，C上均出现一窄亮斑．出现以上实验结果的主要原因是________________________．解析：(1)移去B后只剩下单缝，故发生单缝衍射形成条纹，故此条纹是由光的衍射产生的．(2)没有出现条纹而只出现一个窄亮斑，说明衍射现象不明显，故主要原因是双缝S1、S2太宽．答案：(1)光的衍射(2)双缝S1、S2太宽。

名词解释光的衍射光的衍射是一种物理现象，它指的是光经过孔隙或者经过物体边缘时发生的偏离直线传播的现象。

光的衍射在我们日常生活中无处不在，然而，对于大多数人来说，它可能只是一种模糊的概念。

在本文中，我们将深入探讨光的衍射的原理、应用以及一些有趣的现象。

首先，让我们来理解光的衍射的原理。

当光线遇到一个孔隙或者物体的边缘时，光的传播方向会发生改变，从而在原来的直线路径上形成一个或多个新的光线。

这是由于光在穿过或绕过物体时，与物体表面发生了相互作用，导致光波的振幅和相位的改变。

这种振幅和相位的改变导致了光的干涉和衍射效应，使光线能够在被遮挡的区域内弯曲和扩散。

光的衍射在日常生活中有许多应用。

其中一个重要的应用是在光学仪器中用于测量和观察微小物体。

例如，显微镜和望远镜使用衍射现象来放大和分辨光学图像。

当光通过望远镜的镜头或者显微镜的物镜时，光会被衍射效应散布，从而形成清晰的图像。

这种衍射效应使得我们能够看到微小物体的细节，并且在科学研究和医学诊断中发挥着重要的作用。

另一个重要的应用是在光的光谱分析中。

光的衍射可以将不同波长的光分离出来，形成谱线。

这种谱线可以用于分析物质的成分和性质。

光谱分析在化学、天文学和物理学等领域都有广泛的应用。

例如，当光通过样品时，不同元素会吸收或发射特定波长的光，因此可以通过分析衍射光的谱线来确定样品中的元素组成。

此外，光的衍射还在日常生活中产生了一些有趣的现象。

例如，当阳光射入室内时，光线会穿过窗户的缝隙，照在墙上。

在墙上形成的光斑就是由光的衍射效应造成的。

这些光斑会呈现出一定的图案和颜色，给人一种美丽而神秘的感觉。

类似地，当我们看到水面上的光斑或者树叶上的光斑时，也是由于光的衍射效应形成的。

光的衍射现象也被广泛应用于激光技术和光纤通信中。

激光束经过光纤时，会发生衍射效应，从而使得信号传输更加稳定和准确。

这种应用为现代通信技术的发展做出了巨大贡献。

此外，在激光技术中，光的衍射以及与物质相互作用的性质被用于制造微细结构和激光光栅。