Transcript 典型多媒体课件3：狭缝衍射的研究

提高型物理实验
狭缝衍射的研究
制作：仲志国
一.实验背景
衍射（Diffraction）
光在传播中遇到障碍物时，偏离原来传播方向进入障
碍物的几何阴影区的现象.衍射是光波动性的表现，是影
响光学成像系统性能的主要因素之一.
生活中的现象：树荫中的太阳透射光的光斑、夜晚看远处
的灯光等等。
现场验证：将两支铅笔平行紧靠在一起，透过
小缝看灯光，看到的现象。
荧光灯衍射现象
一.实验背景
光的衍射现象的分类
按
照
障
碍
物
的
形
状
分
圆孔衍射
单缝衍射
直边衍射
细丝衍射
(剃须刀边缘衍射——直边衍射)
一.实验背景
按照光源与障碍物的距离及障碍物与观察屏的距离分
夫琅和费衍射：两个距离均为无限远。（远场衍射）
菲涅耳衍射：两个距离之一或两个距离均为有限远。
（近场衍射）
光源
衍射屏
观察屏
一.实验背景
夫琅和费:德国物理学家，1787年3月生于
斯特劳宾，父亲是玻璃工匠。夫琅和费幼年当学
徒，后来自学了数学和光学。1806年他在巴伐利
亚的贝内迪克特博伊伦的光学工场当了工匠。
1818年任经理，1823年担任慕尼黑科学院物理
陈列馆馆长和慕尼黑大学教授，后来德国埃朗根
大学和英国、丹麦都赠予他荣誉称号。 1821年，
他发表了平行光单缝衍射的研究结果（后人称平
行光衍射为夫琅和费衍射）。
二.实验目的
1
加深对单缝衍射原理的理解，观察夫琅和费单缝。
2
掌握用GSZF—1型衍射光强自动记录仪测量相对
光强分布的方法。
3
锻炼学生独立学习计算机控制软件控制实验和采
集数据，处理数据的能力。
4
鼓励学生使用计算机语言参与简单光学实验仿真过程
，提高对物理现象的认识和对计算机运用的能力。
三.实验仪器
GSZF-1型衍射光强自动记录 ，氦氖激光器 ，可调狭缝
GSZF-1型衍射光强自动记录系统由光源、衍射板组、接
收单元、计算机、A/D转换器、工作软件组成。在本实
验系统用光电传感器测量光强，用高精度的位移传感
器——光栅尺测量位移，因而可定量的精确测出衍射光
强的分布。全部数据采集和处理由计算机控制，所得测
量结果可与理论公式对比。
三.实验仪器
仪器实物图
仪器组成
1.光源系统：
He-Ne 激光器
可调狭缝
2.信号采集系统：
自动光强记录仪
3.数据记录显示系统：
电子计算机
四.实验原理
如图1中，只要满足光源S与
衍射体D之间的距离u与D至观察
屏P之间的距离V均远大于u就能
观察到夫琅禾费衍射现象。其中a
为衍射物的孔径，λ为光源的波长。
如图2所示，a为单缝的宽度，D、
P间的距离为v，θ为衍射角，观察
屏上的某点位置为X，X离屏中心
O的距离，光源的波长为λ。
四.实验原理
单缝夫琅禾费衍射的光强公式为：
（1）
I   I 0 ( Sin /  ) 2
   aSin / 
（2）
式中是零级斑中心处的光强，与缝宽a成
正比。
图3是单缝衍射的相对光强曲线，中心为
主极强，相对强度为1。
除主极强外，次级强出现在，
  (k  1 / 2)
k=1,2,3…. （3）
次极强的强度为：
I1  4.7%I 0 ，I 2  1.7%I 0 ，I 3  0.8%（4）
I0
由式（3）可知，次极强的强度较主极强
弱得多，如考虑到倾斜因素，其实际
强度较（4）所得的数值还要小些。光
强为零的位置出现于处 sin   0
四.实验原理
相对光强曲线
中央主极大
中央亮条纹
角宽度或半角宽度
线宽度
第一个暗条纹
第一个次极大

-2 /b - /b
 /b
2 /b
sin
五.实验步骤
1．调整光路，使激光器，狭缝，衍射光强自动记录系统的接
受窗口等高，且在一条直线上；
2. 打开系统，等待系统初始化的完成；
3. 打开激光器电源，调整狭缝，使通过狭缝的激光产生明显
的衍射现象；
4. 选择系统的开始扫描键，系统开始逐点扫描，并自动记录
相对光强；
5. 采集数据，通过电脑把寄存器中的数据拷贝出来，并打印
自动记录系统生成衍射相对光强图像。
六.实验思考题
1．当缝宽增大时，衍射花样的强度和条纹的宽度怎样变化？
2．如何从多缝衍射相对强度分布图上判断缝的条数、缝宽与
缝的间距关系？
七. 扩展性实验
1．多缝衍射的图像应该怎样？
2. 如果用MATLAB或其他计算机语言仿真单缝与多缝衍射，
情况怎样？
七. 扩展性实验
Matlab是美国MathWorks公司开发的一套高性能的数值计
算和可视化软件，其应用范围涵盖了当今几乎所有的工业应用
与科学研究领域，他集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形
显示于一体，其丰富的库函数和各种专用工具箱，将使用者从
繁琐的底层编程中解放出来；他对科学计算结果迅捷而准确的
可视化能力，有助于使用者化抽象思维为形象思维，更好地理
解概念、发现规律。教学中利用Matlab语言，使学生能直观地
领会和理解课程的内容和实时处理结果。
七. 扩展性实验
程序基本流程图
七. 扩展性实验
单缝衍射时光强公式为：
七.扩展性实验
多缝衍射图像及单缝和多缝衍射仿真图像