大学物理：6-2 光的衍射

大学物理中的波动光学光的衍射和干涉现象大学物理中的波动光学：光的衍射和干涉现象波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播与干涉、衍射、偏振等现象。

其中，光的衍射和干涉是波动光学中的两个重要现象。

本文将对光的衍射和干涉进行详细讨论和解析，并探讨其在实际应用中的重要性。

一、光的衍射现象光的衍射是指光通过狭缝或障碍物后的传播过程中，光波的干涉和折射产生的现象。

当光波通过一个狭缝时，光波会在狭缝的边缘发生弯曲，进而产生波动的干涉效应。

这个过程称为光的衍射。

光的衍射现象在日常生活中有各种各样的应用。

例如，CD、DVD 和蓝光碟等光盘的读写原理就是基于光的衍射现象。

光的衍射也被广泛应用于显微镜、望远镜和天文学的观测中，使我们能够更清晰地观察微观和宇宙中的远处物体。

二、光的干涉现象光的干涉是指两个或多个光波相互叠加产生干涉的现象。

当两束或多束光波相遇时，它们会发生叠加干涉现象，形成交替出现明暗的干涉条纹。

这种现象称为光的干涉。

光的干涉现象在很多实验中都有应用。

例如，杨氏双缝干涉实验就是利用光的干涉现象来观察和研究波的性质。

干涉技术还被广泛应用于光学测量、图像处理和激光干涉等领域。

干涉技术的应用使得我们可以实现高精度测量、光栅分析和光学干涉计等。

三、衍射与干涉的区别与联系尽管光的衍射和干涉是两个不同的现象，但它们之间有着紧密的联系。

首先，光的衍射和干涉都是由于光波的波动性质而产生的。

其次，它们都是波动光学中干涉和折射效应的体现。

不同之处在于，光的干涉是多个光波相互叠加产生的干涉现象，而光的衍射是光通过狭缝或障碍物后的波动干涉和弯曲现象。

此外，光的干涉通常需要明确的相位差和干涉构成条件，而光的衍射则更多地受到波长、狭缝尺寸和物体形状的影响。

无论是光的衍射还是干涉，在物理学的研究和实际应用中都起着重要的作用。

无论是在光学器件设计、成像技术还是光学测量中，都需要充分理解和应用这些光学现象。

同时，通过对光的干涉和衍射的研究，我们可以更深入地了解光与物质相互作用、光的传播特性和波动性质等问题，有助于推动光学科学和技术的发展。

大学物理中的光的干涉与衍射光的干涉与衍射现象大学物理中的光的干涉与衍射光的干涉与衍射现象是大学物理中一个重要且有趣的研究课题。

这些现象揭示了光的波动性质，以及波动性对光的传播与相互作用的影响。

本文将系统地介绍光的干涉与衍射现象，并探讨其在物理学与现实生活中的应用。

一、光的干涉现象光的干涉是指两列或多列光波相互叠加形成的明暗条纹图案。

常见的干涉现象包括杨氏双缝干涉、杨氏单缝干涉、牛顿环等。

1.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉是光的干涉现象中最典型的实验之一。

它利用一束光通过两狭缝后产生的明暗交替的干涉条纹来说明光的波动性质。

当光线经过两条狭缝时，由于来自不同狭缝的光波具有相位差，它们会相互干涉，形成一系列明暗相间的条纹。

1.2 杨氏单缝干涉杨氏单缝干涉是光的干涉现象中较为简单的一种。

它是通过单个狭缝产生的衍射效应，导致在观察屏幕上出现明暗相间的条纹。

单缝干涉通常用于分析光的波长和狭缝大小之间的关系。

1.3 牛顿环牛顿环是一种非常有趣的干涉现象。

它是由一片凸透镜与平面玻璃片之间的空气薄膜所形成的。

当光线垂直照射到凸透镜与平面玻璃片之间的空气薄膜时，由于空气薄膜的厚度不均匀，光线在不同厚度处产生不同的相位差，从而形成一系列明暗相间的圆环。

二、光的衍射现象光的衍射是指光通过物体的边缘或孔径时发生偏离直线传播的现象。

常见的衍射现象包括夫琅禾费衍射、菲涅耳衍射等。

2.1 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是一种通过窄缝衍射的现象。

当一束平行光通过一个窄缝时，光波会在缝口处发生衍射，形成一系列明暗相间的条纹。

这种衍射现象的强度分布与缝口的大小和光波的波长有关。

2.2 菲涅耳衍射菲涅耳衍射是一种通过物体边缘衍射的现象。

当一束平行光照射到物体的边缘时，光波会在物体边缘发生衍射，从而形成明暗相间的衍射图样。

菲涅耳衍射常用于分析物体的形状和边缘的特性。

三、光的干涉与衍射在应用中的意义光的干涉与衍射现象在科学研究和实际应用中具有重要意义。

课时： 2课时教学目标：1. 知识目标：- 了解光的衍射现象及其基本原理。

- 掌握单缝衍射、小孔衍射和圆孔衍射的基本规律。

- 理解惠更斯-菲涅耳原理及其在光的衍射现象中的应用。

2. 能力目标：- 能够运用所学知识解释和预测光的衍射现象。

- 通过实验观察和分析，提高实验操作能力和数据分析能力。

3. 情感目标：- 培养学生对光学现象的兴趣和探索精神。

- 增强学生的团队合作意识和科学探究精神。

教学内容：1. 光的衍射现象- 光的衍射定义：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，能够绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象。

- 衍射现象的产生条件：障碍物或小孔的尺寸与光的波长相当或更小。

2. 惠更斯-菲涅耳原理- 惠更斯原理：光波阵面上的每个点都可以看作新的子波源，这些子波向各个方向传播，其包络面即为下一时刻的波阵面。

- 菲涅耳原理：从同一波阵面上各个点发出的子波是相干波，衍射时波长各点的强度由各子波在该点相干叠加决定。

3. 光的衍射类型- 单缝衍射：光通过狭缝时，在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹。

- 小孔衍射：光通过小孔时，在屏幕上形成一系列明暗相间的圆环。

- 圆孔衍射：光通过圆孔时，在屏幕上形成一系列明暗相间的同心圆环。

4. 光的衍射规律- 单缝衍射条纹间距公式：$\Delta x = \frac{\lambda L}{a}$- 小孔衍射圆环间距公式：$\Delta r = \frac{\lambda L}{d}$- 圆孔衍射同心圆环间距公式：$\Delta r = \frac{\lambda L}{D}$教学方法：1. 讲授法：讲解光的衍射现象、原理和规律。

2. 实验法：通过实验观察和分析光的衍射现象，验证衍射规律。

3. 案例分析法：结合实际生活中的光学现象，加深对光的衍射现象的理解。

教学过程：第一课时1. 导入：提出问题：“什么是光的衍射现象？衍射现象的产生条件是什么？”2. 讲解：讲解光的衍射现象、原理和规律。

3.5光的衍射一、实验目的（1）观察单缝衍射现象（2）测定单缝衍射的相对光强分布（3）应用单缝衍射的分布规律测定单缝的宽度二、实验仪器GSZ-Ⅱ光学平台（配有光具座、氦氖激光器及电源、狭缝、光电转换器、观察屏、数字式灵敏检流计等）。

三、实验原理（1）光的衍射：光在传播的过程中遇到障碍物会绕过障碍物继续传播，到达沿直线传播所不能到达的区域，并形成明暗条纹。

只有当障碍物的线度和光波的波长可以相比拟时，衍射现象才明显地表现出来。

（2）根据光源和观察屏到障碍物的距离的不同可以把衍射现象分为两大类。

菲涅尔衍射/近场衍射：光源与观察屏之间的距离或光源与障碍物之间的距离是有限的；夫琅禾费衍射/远场衍射：光源到障碍物的距离及观察屏到障碍物之间的距离都为无限大，即平行光入射、平行光出射。

单缝衍射光强分布图四、实验步骤1.观察夫琅禾费单缝衍射现象安排实验光路，调节各光学元件至等高同轴，是激光束垂直照射单缝，调节单缝的宽度和观察屏到单缝的距离使观察屏上出现清晰明显的衍射条纹，然后进行以下操作：（1）改变单缝宽度，观察并记录衍射条纹的变化规律（2）改变单缝到观察屏之间的距离，观察并记录衍射条纹的变化规律（3）移去观察屏，换上光电转换器，是数字是灵敏检流计与之相连。

调节光电转换器的移位螺钉，测出中央极大光强I o和k=∓1,∓2,∓3级的次级大光强=0.047,0.017,0.008。

I k,检验理论结果I kI o（4）观察夫琅禾费圆孔衍射现象。

理论结果表明，夫琅禾费单缝衍射的∓1级次级大光强还不到主极大光强的百分之五。

当数字式灵敏检流计的数字显示为“1”时，表示此时已超出检流计量程，需减小单缝的宽度或者让光电转换器远离单缝。

2.观察菲涅尔单缝衍射现象安排好实验光路，在激光与单缝之间插入一扩束镜使激光束发散后照射单缝产生菲涅尔衍射。

调节单缝宽度和观察屏到单缝的距离使观察屏上出现清晰明显的衍射条纹，然后进行：（1）改变缝宽，观察并记录衍射条纹的变化规律。