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光的衍射|泊松亮斑

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光的衍射

光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象,叫光的衍射。

光的衍射基本原理

光也是一种波,光的衍射的基本原理其实就是波的衍射。因此,我们可以借助机械波的衍射来理解光的衍射。下面来简要复习下机械波的衍射问题。

机械波衍射的概念:波的衍射指波在传播过程中,遇到障碍物后,能绕过障碍物;或遇到缝隙时传播方向发生变化的现象。

波的衍射与波的干涉都是波的重要特性之一,这是波动与其他运动模式的明显特征。波的衍射图像如下:

波的衍射示意图

前文已经提及,光是一种电磁波。因此,光也具有衍射行为。

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。

衍射效应,使光通过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)。

光的衍射典型案例:单缝衍射

单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物,光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。如果波长与缝、孔或障碍物尺寸相当或者更大时,衍射现象最明显。

惠更斯原理表明,波源发出的波阵面上的每一点都可视为一个新的子波源。这些子波源发出次级子波,其后任一时刻次级子波的包迹决定新的波阵面。惠更斯原理用光波能确定光波的传播方向,但不能确定沿不同方向传播的光振动的振幅。

光的衍射典型案例:红光的单缝衍射

红光的单缝衍射条纹如上图所示,白光的单缝衍射条纹如下图所示。红光单缝衍射条纹是中间宽,两边窄的图样。由于白光是红橙黄绿蓝靛紫的复合光,因此衍射图样比较模糊。这是因为各种光的波长大小不一,各自衍射效果不同,叠加之后的效果。我们用两根铅笔的缝隙去看日光灯,就会看到这样的效果,同学们可以试试。王尚老师新书物理自诊断每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看视频,学习更高效,考试分数更高。欢迎咨询。

光的衍射典型案例:日光单缝衍射 

光的衍射典型案例:泊松亮斑

当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆板或圆珠时,会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹,并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑,这个亮斑就被称为泊松亮斑。具体如图所示。

泊松亮斑示意图

泊松亮斑的由来

泊松亮斑是光的波动学说发展的产物。我们来回顾光的本性的发展历史:

1678年惠更斯向法国科学院提交了著作《光论》。在书中,惠更斯把光波假设为一横波,推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律,书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。

惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果,他认为光是一种问题冲量,他类似于球与球之间的冲量的传递,这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。

英国物理学家托马斯·杨,法国物理学家菲涅耳,都是光的波动学说支持者的中流砥柱。托马斯·杨于1801年提出干涉理论,并利用干涉观念成功解释了牛顿环,同时也成为第一个近似测定波长的人。在1807年出版的《自然哲学和机械工艺讲义》中托马斯·杨对光的干涉再次作了解释。

菲涅耳设计一个实验,利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源,用两块彼此接近180°角的平面金属镜,避开衍射,由反射光束来产生干涉现象。并运用大量工具进行数学运算,使实验数据与计算结果一致,被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子的存在和光的直线传播,并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同,是由于光的波长短得多。

1818年,法国科学院提出了征文竞赛题目:一是利用精确的实验确定光线的衍射效应;二是根据实验,用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下,菲涅耳向科学院提交了应征论文。

他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的全是大牛啊,都有谁呢?波动理论的热心支持者阿拉果;微粒论的支持者拉普拉斯、泊松和比奥;持中立态度的盖.吕萨克。

可想而知的是,菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。

在委员会的会议上泊松指出,根据菲涅耳的理论,应当能看到一种非常奇怪的现象:如果在光束的传播路径上,放置一块不透明的圆板,由于光在圆板边缘的衍射,在离圆板一定距离的地方,圆板阴影的中央应当出现一个亮斑,在当时来说,这简直是不可思议的,所以泊松宣称,他已驳倒了波动理论。

菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战,立即用实验检验了这个理论预言,非常精彩地证实了这个理论的结论,影子中心的确出现了一个亮斑。

这一成功,为光的波动说增添了不少光辉。 泊松是光的波动说的反对者,泊松根据菲涅耳的计算结果,得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点,这是令人难以相信的,过去也从没看到过,因此泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。但是恰巧,菲涅耳和阿拉果在试验中看到了这个亮斑,这样,泊松的计算反而支持了光的波动说。过了不久,菲涅耳又用复杂的的理论计算表明,当这个圆片的半径很小时,这个亮点才比较明显。经过实验验证,果真如此。菲涅耳荣获了这一届的科学奖,而后人为纪念泊松的实验提供了方法(或者说挖苦泊松)就称这个亮点为泊松亮斑。 菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论,成为“物理光学的缔造者”。

谁首先发现了光的衍射现象?

谁首先发现了光的衍射现象?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。

典型的光的衍射现象总结

从高考物理命题角度来看,典型的光的衍射现象包括:单缝衍射(课本单缝衍射图样+两个铅笔缝看日光灯)、圆孔衍射及泊松亮斑。

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