波长为 600(nm) 的单色光垂直照射宽度为 0.2(mm) 的狭缝,狭缝后用焦距为 50(cm) 的凸透镜将衍射光汇聚于屏幕上,则下列说法错误的是()A. 第一级暗条纹的衍射角为 0.003(rad)B. 中央明条纹的线宽度为 3(mm)C. 第一级明条纹所对应的狭缝处波阵面可分为 2 个半波带D. 一级明条纹的宽度为 1.5(mm)
波长为 $600\text{nm}$ 的单色光垂直照射宽度为 $0.2\text{mm}$ 的狭缝,狭缝后用焦距为 $50\text{cm}$ 的凸透镜将衍射光汇聚于屏幕上,则下列说法错误的是()
A. 第一级暗条纹的衍射角为 $0.003\text{rad}$
B. 中央明条纹的线宽度为 $3\text{mm}$
C. 第一级明条纹所对应的狭缝处波阵面可分为 2 个半波带
D. 一级明条纹的宽度为 $1.5\text{mm}$
题目解答
答案
这是一道关于单缝衍射的物理题。我们需要根据单缝衍射的相关公式和原理来逐一分析选项。
已知条件:
- 单色光波长 $\lambda = 600\text{ nm} = 600 \times 10^{-9}\text{ m} = 6 \times 10^{-7}\text{ m}$
- 狭缝宽度 $a = 0.2\text{ mm} = 0.2 \times 10^{-3}\text{ m} = 2 \times 10^{-4}\text{ m}$
- 凸透镜焦距 $f = 50\text{ cm} = 0.5\text{ m}$ (透镜将衍射光汇聚于屏幕上,屏幕位于透镜焦平面处)
推导与分析过程:
1. 分析选项 A:第一级暗条纹的衍射角
单缝衍射暗条纹满足的条件公式为:
$a \sin\theta = k\lambda \quad (k = \pm 1, \pm 2, \dots)$
对于第一级暗条纹,$k = 1$。
由于衍射角 $\theta$ 通常很小,可以近似认为 $\sin\theta \approx \theta$ (弧度制)。
代入数据:
$\theta = \frac{k\lambda}{a} = \frac{1 \times 6 \times 10^{-7}\text{ m}}{2 \times 10^{-4}\text{ m}} = 3 \times 10^{-3}\text{ rad} = 0.003\text{ rad}$
计算结果与选项 A 一致,因此选项 A 说法正确。
2. 分析选项 B:中央明条纹的线宽度
中央明条纹位于第一级暗条纹($k=1$ 和 $k=-1$)之间。
第一级暗条纹在屏幕上的位置坐标为 $x_1 = f \tan\theta \approx f\theta$。
$x_1 = 0.5\text{ m} \times 0.003\text{ rad} = 1.5 \times 10^{-3}\text{ m} = 1.5\text{ mm}$
中央明条纹的线宽度 $\Delta x_0$ 是两侧第一级暗条纹之间的距离:
$\Delta x_0 = 2x_1 = 2 \times 1.5\text{ mm} = 3\text{ mm}$
计算结果与选项 B 一致,因此选项 B 说法正确。
3. 分析选项 C:第一级明条纹所对应的狭缝处波阵面可分的半波带数
单缝衍射明条纹(次极大)满足的条件公式为:
$a \sin\theta = \left(k + \frac{1}{2}\right)\lambda \quad (k = \pm 1, \pm 2, \dots)$
对于第一级明条纹,$k = 1$。
代入公式得:
$a \sin\theta = \left(1 + \frac{1}{2}\right)\lambda = \frac{3}{2}\lambda = 1.5\lambda$
这意味着狭缝处的波阵面被分成了 $2 \times 1.5 = 3$ 个半波带(奇数个半波带,其中两两抵消,剩下一个形成明条纹)。
选项 C 称其可分为 2 个半波带,这与推导结果不符,因此选项 C 说法错误。
4. 分析选项 D:一级明条纹的宽度
一级明条纹位于第一级暗条纹($k=1$)和第二级暗条纹($k=2$)之间。
第二级暗条纹的衍射角 $\theta_2$ 满足 $a \sin\theta_2 = 2\lambda$。
$\theta_2 = \frac{2\lambda}{a} = 2 \times \frac{6 \times 10^{-7}}{2 \times 10^{-4}} = 0.006\text{ rad}$
第二级暗条纹在屏幕上的位置坐标 $x_2$:
$x_2 = f\theta_2 = 0.5\text{ m} \times 0.006\text{ rad} = 3 \times 10^{-3}\text{ m} = 3\text{ mm}$
第一级明条纹的宽度 $\Delta x_1$ 为 $x_2 - x_1$:
$\Delta x_1 = 3\text{ mm} - 1.5\text{ mm} = 1.5\text{ mm}$
计算结果与选项 D 一致,因此选项 D 说法正确。
综上所述,说法错误的是选项 C。
正确答案:C