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    光的衍射|泊松亮斑

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    光的衍射

    光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔時,光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面傳播的現象,叫光的衍射。

    光的衍射基本原理

    光也是一種波,光的衍射的基本原理其實就是波的衍射。因此,我們可以借助機械波的衍射來理解光的衍射。下面來簡要復習下機械波的衍射問題。

    機械波衍射的概念:波的衍射指波在傳播過程中,遇到障礙物后,能繞過障礙物;或遇到縫隙時傳播方向發生變化的現象。

    波的衍射與波的干涉都是波的重要特性之一,這是波動與其他運動模式的明顯特征。波的衍射圖像如下:

    波的衍射示意圖

    前文已經提及,光是一種電磁波。因此,光也具有衍射行為。

    wuli.in當一束光通過有孔的屏障以后,其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區內,也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋。

    衍射效應使光通過障礙物后空間的光強分布,既區別于幾何光學給出的光強分布,又區別于光波自由傳播時的光強分布(衍射光強有了一種重新分布)。

    光的衍射典型案例:單縫衍射

    單縫衍射是光在傳播過程中遇到障礙物,光波會繞過障礙物繼續傳播的一種現象。如果波長與縫、孔或障礙物尺寸相當或者更大時,衍射現象最明顯。

    惠更斯原理表明,波源發出的波陣面上的每一點都可視為一個新的子波源。這些子波源發出次級子波,其后任一時刻次級子波的包跡決定新的波陣面。惠更斯原理用光波能確定光波的傳播方向,但不能確定沿不同方向傳播的光振動的振幅。

    光的衍射典型案例:紅光的單縫衍射

    王尚老師輔導書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高,歡迎添加微信teacherws咨詢。紅光的單縫衍射條紋如上圖所示,白光的單縫衍射條紋如下圖所示。紅光單縫衍射條紋是中間寬,兩邊窄的圖樣。由于白光是紅橙黃綠藍靛紫的復合光,因此衍射圖樣比較模糊。這是因為各種光的波長大小不一,各自衍射效果不同,疊加之后的效果。我們用兩根鉛筆的縫隙去看日光燈,就會看到這樣的效果,同學們可以試試。王尚老師新書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高。歡迎咨詢。

    光的衍射典型案例:日光單縫衍射 

    光的衍射典型案例:泊松亮斑

    當單色光照射在寬度小于或等于光源波長的小圓板或圓珠時,會在之后的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋,并且在所有同心圓的圓心處會出現一個極小的亮斑,這個亮斑就被稱為泊松亮斑。具體如圖所示。

    泊松亮斑示意圖

    泊松亮斑的由來

    泊松亮斑是光的波動學說發展的產物。我們來回顧光的本性的發展歷史:

    1678年惠更斯向法國科學院提交了著作《光論》。在書中,惠更斯把光波假設為一橫波,推導和解釋了光的直線傳播、反射和折射定律,書中并未提到關于光譜分解為各種顏色的問題。

    惠更斯的光的波動理論是研究碰撞現象的一個直接結果,他認為光是一種問題沖量,他類似于球與球之間的沖量的傳遞,這一研究代表了光學研究中物理觀念和數學觀念的聯合。

    英國物理學家托馬斯·楊,法國物理學家菲涅耳,都是光的波動學說支持者的中流砥柱。托馬斯·楊于1801年提出干涉理論,并利用干涉觀念成功解釋了牛頓環,同時也成為第一個近似測定波長的人。在1807年出版的《自然哲學和機械工藝講義》中托馬斯·楊對光的干涉再次作了解釋。

    王尚老師輔導書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高,歡迎添加微信teacherws咨詢。菲涅耳設計一個實驗,利用兩個與小孔或不透明障礙物邊緣都無關的小光源,用兩塊彼此接近180°角的平面金屬鏡,避開衍射,由反射光束來產生干涉現象。并運用大量工具進行數學運算,使實驗數據與計算結果一致,被授予優勝獎。菲涅耳用波動說解釋影子的存在和光的直線傳播,并指出光的干涉現象和聲音的干涉現象所以不同,是由于光的波長短得多。

    1818年,法國科學院提出了征文競賽題目:一是利用精確的實驗確定光線的衍射效應;二是根據實驗,用數學歸納法推求出光通過物體附近時的運動情況。在法國物理學家阿拉果與安培的鼓勵和支持下,菲涅耳向科學院提交了應征論文。

    他用半波帶法定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的衍射花紋。菲涅耳把自己的理論和對于實驗的說明提交給評判委員會。參加這個委員會的全是大牛啊,都有誰呢?波動理論的熱心支持者阿拉果;微粒論的支持者拉普拉斯、泊松和比奧;持中立態度的蓋.呂薩克。

    光的衍射

    可想而知的是,菲涅耳的波動理論遭到了光的粒子論者的反對。

    在委員會的會議上泊松指出,根據菲涅耳的理論,應當能看到一種非常奇怪的現象:如果在光束的傳播路徑上,放置一塊不透明的圓板,由于光在圓板邊緣的衍射,在離圓板一定距離的地方,圓板陰影的中央應當出現一個亮斑,在當時來說,這簡直是不可思議的,所以泊松宣稱,他已駁倒了波動理論。

    菲涅耳和阿拉果接受了這個挑戰,立即用實驗檢驗了這個理論預言,非常精彩地證實了這個理論的結論,影子中心的確出現了一個亮斑。

    這一成功,為光的波動說增添了不少光輝。 泊松是光的波動說的反對者,泊松根據菲涅耳的計算結果,得出在一個圓片的陰影中心應當出現一個亮點,這是令人難以相信的,過去也從沒看到過,因此泊松認為這個計算結果足夠證明光的波動說是荒謬的。但是恰巧,菲涅耳和阿拉果在試驗中看到了這個亮斑,這樣,泊松的計算反而支持了光的波動說。過了不久,菲涅耳又用復雜的的理論計算表明,當這個圓片的半徑很小時,這個亮點才比較明顯。經過實驗驗證,果真如此。菲涅耳榮獲了這一屆的科學獎,而后人為紀念泊松的實驗提供了方法(或者說挖苦泊松)就稱這個亮點為泊松亮斑。 菲涅耳開創了光學的新階段。他發展了惠更斯和托馬斯·楊的波動理論,成為“物理光學的締造者”。

    誰首先發現了光的衍射現象?

    誰首先發現了光的衍射現象?意大利物理學家和天文學家F.M.格里馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現象,150年以后,法國物理學家A.-J.菲涅耳于19世紀最早闡明了這一現象。

    典型的光的衍射現象總結

    從高考物理命題角度來看,典型的光的衍射現象包括:單縫衍射(課本單縫衍射圖樣+兩個鉛筆縫看日光燈)、圓孔衍射及泊松亮斑。

    王尚老師物理答疑

    光的衍射學習問題與王尚老師答疑

    學生問題1:光的衍射與光的干涉有何區別?

    王尚老師:最大的區別,就是光的干涉必須出現兩列干涉光,而光的衍射則不需要。光的衍射典型的現象有單縫衍射(課本單縫衍射圖樣+兩個鉛筆縫看日光燈)、圓孔衍射及泊松亮斑。建議同學們利用物理自診斷專題50的典型題與我的視頻講解來深入理解這部分考點。

    學生問題2:典型的光的衍射現象有哪些?

    王尚老師:光的衍射典型的現象有單縫衍射(課本單縫衍射圖樣+兩個鉛筆縫看日光燈)、圓孔衍射及泊松亮斑。建議同學們利用物理自診斷專題50的典型題與我的視頻講解來深入理解這部分考點。

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    作者:王尚,蘇陽。校正:齊思源。版權歸屬高中物理網(www.q6113.com),嚴禁轉載。

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