波的衍射

《波的衍射》专题实验论文

摘要：波的衍射专题实验共包括三个实验，光栅衍射实验、单缝衍射光强度的测量及光敏器件的应用和微波布拉格衍射。这三个实验虽然都和衍射相关，但是三个实验又各有不同，其中单缝衍射主要是对衍射进行观察并学会利用光敏器件测量光强分布；光栅衍射则是通过衍射现象去了解光栅的特性，而微波布拉格衍射实验则是通过实验学习微波布拉格衍射理论以及学会一种测量波长的方法。

关键词：衍射、微波布拉格衍射、光栅衍射

正文：

背景：波的衍射是直播在其传播路径上如果遇到障碍物它能绕过障碍物的边缘而进入几何阴影内传播的现象，作为电磁波，光也能产生衍射现象。衍射现象已公费为两类，一类是光源和观察屏（或二者之一）离开衍射孔或缝的距离有限，这种衍射称为菲涅耳衍射（进场衍射）；另一类是光源和观察屏都在离衍射孔或缝无限远处，这种衍射称为夫琅禾费衍射（远场衍射）。夫琅禾费衍射其实是菲涅耳衍射的一种极限情形。惠更斯原理：介质中的任一波阵面上的各点，都可以看作是发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面。用惠更斯原理很容易解释波的衍射现象。所谓波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，能绕过障碍物的边缘继续前进的现象。当波遇到狭缝或小孔时，这些开口处的各点都可以看作是发射子波的波源，做出这些子波的包迹面，就得出新的波阵面，这样就形成了衍射现象。

论述:

一、单缝衍射:

实验方法：一、手动测量（1）调整光路，打开激光器取狭缝与光敏探测器之间距离为90cm 左右，透镜和狭缝的光敏探测器的距离为80cm，并调节仪器使它们同轴等高。（2）观察记录单缝衍射现象。（3）测量单缝衍射的光强分布及缝宽，转动调节光电池位置的旋柄，是光敏探测器狭缝对准衍射图纹，仔细确定光强度为极大值时狭缝的位置，并记录。然后向一侧稍微移动一点狭缝，这样使峰值包含在内，然后测量出光强直到第二级暗纹处为止。（4）取下单缝，用读数显微镜测量缝宽；二、自动测量（1）调好光路，检查光强，使衍射条纹清晰。（2）采集信号、并记录数据。

实验现象：光强成对称分布；中间明条纹的宽度最宽，约为其他明条纹宽度的两倍;缝越窄，衍射越显著，缝越宽，衍射越不明显。

实验结果：根据实验所得数据画出单缝衍射光强分布曲线图，由公式a sinφ=+kλ计算出缝宽。

二、光栅衍射：

实验方法：（1）调节分光计，然后在载物台上放置光栅，调节光栅位置是光栅刻痕与分光计转轴平行。（2）转动望远镜，观察光栅衍射特性。（3）测量光栅中央亮条纹的角度及中央亮条纹两侧正负1级各条谱线相对中央亮条纹的偏角。

实验现象：可以从望远镜中观察到光栅衍射条纹，中间为一条明亮条纹，在他左右两侧各有紫、绿和两条黄色光条纹。

实验结果：根据所测得的数据计算出各种光的波长，并且用两条黄光计算出光栅的叫色散率。

三、微波布拉格衍射：

实验方法：一、测量微波波长（1）调节微波分光计，使两个喇叭同轴等高，且通过分光计中心，接通电源。（2）调节晶体管检波器与微波传播导管的匹配。（3）测量微波波长；二、验证布拉格公式（1）对于100晶面族的衍射，晶面间距d=4cm，在衍射角

20°到70°之间每隔1°读一次微安表读数I（衍射强度），读数过程中，两个喇叭对被测晶体面有良好的对称性，既符合入射角等于反射角。

实验结果:根据所测出来的数据，在坐标纸上画出I-θ关系图像，找出衍射强度的两个极大值对应的掠射角，并与计算的进行比较。（2）做110面的I-θ图，找出衍射强度极大值对应的掠射角，求出晶面间距d。

扩展：波不但具有衍射的性质还具有像干涉、折射等一系列的性质，当然除了单缝衍射、光栅衍射、微波布拉格衍射外，还有很多很多的衍射现象，例如：X射线衍射、泊松亮斑等。还有就是波的衍射这一特性也在很多领域得与应用，例如：采用X光透镜替代单色仪双聚焦镜应用于生物蛋白大分子晶体衍射分析,照射晶体样品的光强提高1-2个量级,衍射强度的提高远大于5倍,大大缩短了测试时间,分辨能力改善；以单色标量波衍射理论为基础，研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论，同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响，建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式，小孔为硬边小孔。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。

总结：

通过这三个实验我对波的衍射性质有了更加深刻地认识，知道了波的衍射是所用的波所共有的又是波所特有的性质，不但普通的机械波具有衍射特性，像电磁波、微波等都具有衍射特性。而且波的衍射特性还有许多的应用，想可以利用它来测量微波波长、光波波长。并且在做实验的过程中更加明白了，现在的我们只懂的书本的知识，却缺乏实际动手操作能力，虽然每次实验前都能写好实验预习报告，明白应该如何去完成实验，但是每次真正的操作时，又会感到力不从心，很多地方明明知道应该怎么做，但是就是不能达到预期的结果，所以我们应该经常动手，在实践中检验自己的知识。

（2291字）参考文献

张三慧《大学物理学》清华大学出版社

杨长生高等函授学报（自然科学版）2004年01期

颜一鸣,罗萍《核技术》1999年第12期（网上资料）

成正维《大学物理实验》高等教育出版社

吴柳《大学物理学（下）》高能高等教育出版社