波长为546nm的平行光束,通过宽为0.437mm的单缝,缝后有一焦距为40cm的凸透镜,在透镜焦平面上中央亮纹的宽度是:A. 0.75mmB. 0.50mmC. 1mmD. 0.25mm
A. 0.75mm
B. 0.50mm
C. 1mm
D. 0.25mm
题目解答
答案
解析
本题考查单缝衍射中中央亮纹宽度的计算,解题思路是先根据单缝衍射暗纹公式求出中央亮纹边缘暗纹的位置,再计算中央亮纹的宽度。
步骤一:明确单缝衍射暗纹公式
单缝衍射暗纹公式为$a\sin\theta = \pm k\lambda$($k = 1, 2, 3, \cdots$),其中$a$为单缝宽度,$\theta$为衍射角,$\lambda$为波长,$k$为暗纹级数。
步骤二:求出中央亮纹边缘暗纹的位置
对于中央亮纹,其边缘为一级暗纹,即$k = 1$。
由$a\sin\theta = \pm k\lambda$可得$\sin\theta = \pm\frac{\lambda}{a}$。
已知$\lambda = 546nm = 546\times10^{-9}m$,$a = 0.437mm = 0.437\times10^{-3}m$,则$\sin\theta = \pm\frac{546\times10^{-9}}{0.437\times10^{-3}}$。
由于$\theta$很小,$\sin\theta\approx\tan\theta$,而$\tan\theta = \frac{x}{f}$($x$为暗纹到中央亮纹中心的距离,$f$为凸透镜焦距)。
所以$x = \pm f\sin\theta = \pm f\frac{\lambda}{a}$。
步骤三:计算中央亮纹的宽度
中央亮纹的宽度$\Delta x$等于一级暗纹到中央亮纹中心距离的$2$倍,即$\Delta x = 2x = 2f\frac{\lambda}{a}$。
已知$f = 40cm = 0.4m$,$\lambda = 546\times10^{-9}m$,$a = 0.437\times10^{-3}m$,代入可得:
$\Delta x = 2\times0.4\times\frac{546\times10^{-9}}{0.437\times10^{-3}}$
$= 0.8\times\frac{546\times10^{-9}}{0.437\times10^{-3}}$
$=\frac{0.8\times546\times10^{-9}}{0.437\times10^{-3}}$
$=\frac{436.8\times10^{-9}}{0.437\times10^{-3}}$
$\approx 1\times10^{-3}m = 1mm$