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光的直线传播与衍射的关系

理学院A1031班白孟君学号11008030112

内容摘要：实际上，光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。所以，几何光学只是波动光学的近似，是当光波的波长很小时的极限情况。作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以其简便的方法解决光学仪器中的光学技术问题，所以在研究光路问题中仍然被广泛应用

关键词：光的衍射光的直线传播联系与区别

1、 光的直线传播

光源定义：自身能够发光的物体叫做光源。它分为两种，一种是自然光源，如太阳、萤火虫等，另一种是人造光源，如发光的电灯、点燃的蜡烛（烛焰）。

通过对光的长期观察，人们发现了沿着密林树叶间隙射到地面的光线形成射线状的光束，从小窗中进入屋里的日光也是这样。大量的观察事实，使人们认识到光是沿直线传播的。为了证明光的这一性质，大约二千四五百年前我国杰出的科学家墨翟和他的学生作了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原理。虽然他讲的并不是成像而是成影，但是道理是一样的。 在一间黑

暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。为什么会有这奇怪的现象呢？墨家解释说，光穿过小孔如射箭一样，是直线行进的，人的头部遮住了上面的光，成影在下边，人的足部遮住了下面的光，成影在上边，就形成了倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学解释。

光的直线传播是人类对光学进行研究最早的内容之一，也是光的理论最早被完备的部分，光线的传播遵循三条基本定律：光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。基于上述光线传播的基本定律，可以计出光线在光学系统中的传播路径。

光的衍射现象

光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学传播定律的现象。几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。但是，光是一种电磁波，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。总之，衍射效应使得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。衍射使得一切几何影界失去了明锐的边缘。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。 光的衍射现象的观察和特点衍射是一切波所共有的传播行为。日常生活中声波的衍射、水波的衍射、广播段无线电波的衍射是随时随地发生的，易为人觉察。但是，光的衍射现象却不易为人们所觉察，这是因为可见光的波长很短，以及普通光源是非相十的面光源。当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝、细丝、刀口、直边等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样。在实验室中，过去用碳弧灯这类强点光源，而目前广泛采用氦氖激光器作光源来显示衍射现象，收到了良好的效果（图1）。衍射现象具有两个鲜明的特点：①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。②若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。理论上表明光孔横向线度P与衍射发散角^。之间存在反比关系

光的衍射现象是在光的波动说和光的微粒说论战最激烈时产生的，当时由牛顿主张的微粒说占主导地位，波动说濒临死亡，但是光的衍射现象的发现无可争议的说明了光的波动性。光的衍射现象是指光在均匀介质中进行传播时，如果遇到障碍物或者孔，就会绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在接受的屏幕上出现光的强度不均匀的现象。

疑问与解答

从定义上看，光的衍射现象应该是普遍存在的一种现象，但是为什么到了18世纪才被逐渐发现呢？根据波的衍射原理，衍射现象出现与否，主要决定于障碍物的限度和波长大小的对比，只有在障碍物的限度和波长大小可以比拟时，衍射现象才能明显的表现出来，例如声波的衍射现象很容易表现出来是因为声波的波长和大部分常见的障碍物的尺寸差不多，所以声波的衍射现象很容易感觉得到，但是光不同，由于可见光的波长很短，所以很难找到与其波长差不多尺寸的障碍物，所以光的衍射现象到了18世纪才被发现。

联系和区别

实际上，光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从