物理實(shí)驗(yàn)論文-2

[鍵入公司名稱]棱鏡折射與光柵衍射的區(qū)別與聯(lián)系電子信息工程學(xué)院2011年10月28日[在此處鍵入文檔摘要。摘要通常為文檔內(nèi)容的簡短概括。在此處鍵入文檔摘要。摘要通常為文檔內(nèi)容的簡短概括。]

棱鏡折射與光柵衍射的區(qū)別與聯(lián)系摘要：棱鏡折射與光柵衍射都是物理學(xué)中常見的兩個(gè)光學(xué)現(xiàn)象，是研究光學(xué)的基礎(chǔ)。從本質(zhì)上區(qū)分，前者屬于折射，后者是單縫衍射與多縫干涉的疊加，而衍射又是一種折射現(xiàn)象；從光學(xué)器件上認(rèn)知，棱鏡與光柵都是應(yīng)用廣泛的光譜儀器；從原理上比較，棱鏡的折射原理即光的折射定律，衍射光柵是基于夫瑯禾費(fèi)多縫衍射效應(yīng)工作的；從光譜的角度來分析，二者都能將復(fù)色光分解為單色光，光柵光譜依據(jù)夫瑯禾費(fèi)多縫衍射d(sinα+sinβ)=kλ(k=0，士1，士2,...)，棱鏡光譜根據(jù)不同波長的光在玻璃中的折射率不同產(chǎn)生色散。關(guān)鍵詞：折射定律夫瑯禾費(fèi)多縫衍射效應(yīng)惠更斯原理光的色散光譜棱鏡和光柵是都重要的光學(xué)元件，棱鏡折射與光柵衍射的研究一直是人們所感興趣的重要課題，其相關(guān)原理和運(yùn)用是深入研究光學(xué)的必備知識(shí)。掌握好棱鏡折射與光柵衍射的基礎(chǔ)知識(shí)，明確二者之間的區(qū)別與聯(lián)系，有助于我們更加深入的探索神秘多彩的光學(xué)世界。在為期三周的光學(xué)衍射專題試驗(yàn)中，我通過自主學(xué)習(xí)、查閱資料、實(shí)驗(yàn)操作的過程，對棱鏡折射與光柵衍射有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，下面我從本質(zhì)現(xiàn)象、光學(xué)器件、基本原理、色散光譜這四個(gè)方面闡述棱鏡折射與光柵衍射的區(qū)別與聯(lián)系。棱鏡折射屬于折射現(xiàn)象。光從一種透明介質(zhì)（如空氣）斜射入另一種透明介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫光的折射。折射，又名屈折，指光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，或者在同一種介質(zhì)中折射率不同的部分運(yùn)行時(shí)，由于波速的差異，使光的運(yùn)行方向改變的現(xiàn)象。折射率取決于光在介質(zhì)中的速率，間接取決于光的頻率。光的頻率越大，波長越小，在介質(zhì)中的衰減的速率越大，在介質(zhì)中的速率越小，折射率就越大。光折射時(shí),折射光線，入射光線,法線在同一平面內(nèi),折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)，入射角的正弦值與折射角的正弦值成正比。光柵衍射是單縫衍射與多縫干涉的疊加，衍射強(qiáng)度是單縫衍射與多縫干涉強(qiáng)度的乘積。光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物或者小孔（窄縫），繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。衍射時(shí)產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射圖樣。衍射分為兩種，菲涅爾衍射和夫瑯和費(fèi)衍射：光源和觀察點(diǎn)距障礙物為有限遠(yuǎn)的衍射稱為菲涅爾衍射；光源和觀察點(diǎn)距障礙物為無限遠(yuǎn)，即平行光的衍射為夫瑯和費(fèi)衍射，其中又包括單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑。二者在本質(zhì)上也有密切的聯(lián)系，因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象是一種折射現(xiàn)象，折射屬于直射的范疇。根據(jù)衍射的定義，光在傳播路徑中，遇到障礙物或者小孔（窄縫），產(chǎn)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射，即衍射作用發(fā)生在狹縫（小孔）里，光不經(jīng)過障礙物或者小孔的時(shí)候，不發(fā)生衍射。衍射現(xiàn)象中，光只偏折一次，而不是偏折很多次。偏折很多次才能形成波，偏折一次不能形成波。這一次偏折，使直線運(yùn)動(dòng)軌跡變成了折線，而沒有變成波線，所以，光經(jīng)過小孔和狹縫，發(fā)生的是一次“折射”，不是發(fā)生了“波射”。既然衍射現(xiàn)象也是光線發(fā)生‘偏折’的現(xiàn)象，也應(yīng)該稱為折射。這樣，折射現(xiàn)象就有兩種情況：一種是光經(jīng)過物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的偏折，一種是光經(jīng)過物質(zhì)表面（內(nèi)表面或者外表面）發(fā)生的偏折，光子經(jīng)過物質(zhì)內(nèi)部和內(nèi)表面，都有折射現(xiàn)象發(fā)生。二．兩種光學(xué)器件的簡介——棱鏡與光柵棱鏡是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面體一種，是由兩兩相交但彼此均不平行的平面圍成的透明物體，用以分光或使光束發(fā)生色散。在光學(xué)儀器中應(yīng)用很廣。棱鏡按其性質(zhì)和用途可分為若干種。例如，在光譜儀器中把復(fù)合光分解為光譜的“色散棱鏡”，較常用的是等邊三棱鏡；在潛望鏡、雙目望遠(yuǎn)鏡等儀器中改變光的進(jìn)行方向，從而調(diào)整其成像位置的稱“全反射棱鏡”，一般都采用直角棱鏡。光柵是一種由密集、等間距平行刻線構(gòu)成的非常重要的光學(xué)器件，分為反射和透射兩大類。它利用多縫衍射和干涉作用，將射到光柵上的光束按波長的不同進(jìn)行色散，再經(jīng)成像鏡聚焦而形成光譜。衍射光柵的精度要求極高，很難制造，但其性能穩(wěn)定，分辨率高，以衍射光柵為原理的太陽攝譜儀角色散高而且隨波長的變化小，所以在各種光譜儀器中得到廣泛應(yīng)用。衍射光柵的精度要求極高，很難制造，但其性能穩(wěn)定，分辨率高，以衍射光柵為原理的太陽攝譜儀角色散高而且隨波長的變化小，所以在各種光譜儀器中得到廣泛應(yīng)用。三．原理的比較棱鏡的折射原理即光的折射定律：入射角的正弦正比于折射角的正弦，比例系數(shù)為折射率。不同頻率的光光對于同一介質(zhì)的折射率不同，所以一束光進(jìn)入三棱鏡后，發(fā)生偏轉(zhuǎn)角度不同的折射，所以原本一個(gè)方向前進(jìn)的光束就會(huì)被分解成按偏轉(zhuǎn)角度順序排列的光帶了。衍射光柵是基于夫瑯禾費(fèi)多縫衍射效應(yīng)工作的。波在傳播時(shí)，波陣面上的每個(gè)點(diǎn)都可以被認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的次波源；這些次波源再發(fā)出球面次波，則以后某一時(shí)刻的波陣面，就是該時(shí)刻這些球面次波的包跡面（惠更斯原理）。一個(gè)理想的衍射光柵可以認(rèn)為由一組等間距的無限長無限窄狹縫組成，狹縫之間的間距為d，稱為光柵常數(shù)。當(dāng)波長為λ的平面波垂直入射于光柵時(shí)，每條狹縫上的點(diǎn)都扮演了次波源的角色；從這些次波源發(fā)出的光線沿所有方向傳播（即球面波）。由于狹縫為無限長，可以只考慮與狹縫垂直的平面上的情況，即把狹縫簡化為該平面上的一排點(diǎn)。則在該平面上沿某一特定方向的光場是由從每條狹縫出射的光相干疊加而成的。在發(fā)生干涉時(shí)，由于從每條狹縫出射的光的在干涉點(diǎn)的相位都不同，它們之間會(huì)部分或全部抵消。然而，當(dāng)從相鄰兩條狹縫出射的光線到達(dá)干涉點(diǎn)的光程差是光的波長的整數(shù)倍時(shí)，兩束光線相位相同，就會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)現(xiàn)象。以公式來描述，當(dāng)衍射角θm滿足關(guān)系dsinθm/λ=|m|時(shí)發(fā)生干涉加強(qiáng)現(xiàn)象，這里d為狹縫間距，即光柵常數(shù)，m是一個(gè)整數(shù)，取值為0，±1，±2，……。這種干涉加強(qiáng)點(diǎn)稱為衍射極大。因此，衍射光將在衍射角為θm時(shí)取得極大，即：上式即為光柵方程。當(dāng)平面波以入射角θi入射時(shí)，光柵方程為：四．光柵光譜和棱鏡光譜的異同讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡折射以后就在另一側(cè)面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙、黃、綠、藍(lán)、靛，這樣的光帶就是棱鏡光譜。如果入射光為一束復(fù)色光垂直入射，經(jīng)光柵后，在k=0處，各色光迭加在一起呈原色，稱中央明條紋。在中央明條紋的兩側(cè)，且為同一級(jí)次k的光按短波長向長波長散開而形成彩色譜線稱為該入射光光柵衍射譜線。如果已知光柵常數(shù)d,用分光計(jì)測出第k級(jí)譜線中某一明條紋的衍射角φk，可計(jì)算出該明條紋所對應(yīng)的單色光的波長。相同之處：(1)它們都是光的色散元件，將復(fù)色光分解為單色光。(2)在衍射角大時(shí)都為非正比光譜排列。不同之處：光柵光譜和棱鏡光譜采用不同的分光器件——衍射光柵和三棱鏡得到的。光柵光譜依據(jù)光柵方程d(sinα+sinβ)=kλ(k=0，士1，士2,...)；棱鏡光譜根據(jù)不同波長的光在玻璃中的折射率不同產(chǎn)生色散。光柵光譜有一系列的級(jí)次，每一級(jí)次都有正負(fù)兩套光譜，零級(jí)光譜因波長重合而不能分光；而棱鏡光譜只有一套零級(jí)光譜，相對強(qiáng)度大。低級(jí)次的光柵光譜波長與衍射角近似有正比關(guān)系，稱為勻排光譜；而棱鏡光譜的波長與角度為非線性關(guān)系，不是勻排光譜。在光柵光譜中，對于同一衍射級(jí)次k,波長越大衍射角也越大，即紅光偏轉(zhuǎn)最大；在棱