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单缝衍射计算器

· 最后更新:2026-08-29

单缝衍射极小位置 a·sinθ = mλ(m = 1, 2, 3…):中央亮纹宽度 ±θ₁,恰是其余条纹的两倍。工具输出前四级极小角位置,给定屏距时一并给出线位置——与双缝干涉极大图像互为姊妹篇。

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概览

单缝衍射计算器基于波动光学公式 a·sinθ = mλ,用于精确计算单缝衍射中各级暗纹(极小)的角位置及中央亮纹宽度。输入缝宽、入射光波长以及目标级次,还可指定观察屏距离,一键获取前四级极小角与屏上线位置分布。

适用场景

  • 进行大学或高中物理光学实验,需核对单缝衍射暗纹理论角位置与屏上线距离时。
  • 分析激光通过狭缝或光阑时的光束衍射发散角及光斑分布尺寸时。
  • 设计光学系统并评估单缝几何尺寸与波长对夫琅禾费衍射条纹展宽的影响时。

使用方式

  1. 1输入缝宽 a(单位 µm)、入射波长 λ(单位 nm)以及要查询的极小级次 m(1 至 50)。
  2. 2可选用填入从狭缝到观察屏的垂直距离 L(单位 m)。
  3. 3系统依据条件 sinθ = mλ/a 计算指定级次及前四级暗纹的衍射角 θ 与中央极大角宽度(2θ₁)。
  4. 4若提供屏距 L,工具进一步通过 y = L·tanθ 计算对应级次在屏上的实际线性偏离距离。

常见用途

  • 大学物理基础光学实验中验证单缝衍射规律与条纹间距测定。
  • 光学教学演示中直观对比红光(632.8 nm)与绿光(532 nm/550 nm)在不同狭缝下的条纹展宽。
  • 光机装调过程中估算激光束通过机械光阑狭缝时的远场衍射光斑宽度。

示例

1. 绿光照射标准 100 µm 狭缝

物理系实验学生

背景

正在完成夫琅禾费单缝衍射实验,需要理论计算波长 550 nm 绿光通过 100 µm 狭缝在 2 米远屏幕上的暗纹分布。

问题

快速计算中央亮纹宽度及前四级暗纹在屏上的毫米级位置,以便与光电探头测量数据对比。

如何使用

在缝宽中输入 100,波长输入 550,极小级次设为 1,屏距输入 2。

slitWidthUm = 100, wavelengthNm = 550, order = 1, screenM = 2

结果

第一级暗纹位于 θ₁ = 0.315°,在 2 m 屏上的线位置为 11.00 mm,中央明纹总宽度约为 22.00 mm。

2. 氦氖红光与 50 µm 微缝衍射分析

光学工程师

背景

在测试光束整形系统,需评估 632.8 nm 激光通过 50 µm 狭缝后的衍射角发散范围。

问题

确定狭缝减半后衍射角度的展宽倍数及各级暗纹角度。

如何使用

输入缝宽 50,波长 632.8,级次 1,无需填写屏距。

slitWidthUm = 50, wavelengthNm = 632.8, order = 1

结果

第一极小角增至 0.725°,中央明纹总角宽度达到 1.450°,清晰显示缝宽与角展宽的反比关系。

常见问题

为什么单缝衍射的暗纹条件公式是 a·sinθ = mλ?

当缝宽两端光线的光程差为波长的整数倍时,缝内波前可划分为偶数个半波带,各波带两两干涉相消,从而形成衍射暗纹。

中央亮纹的宽度如何计算?

中央明条纹介于第一级左侧暗纹与右侧暗纹之间,其角宽度为 2θ₁(其中 sinθ₁ = λ/a),其角宽度是后续次极大亮纹宽度的两倍。

如果不输入屏距 L 会得到什么结果?

计算器仍会输出各级暗纹的正弦值 sinθ、衍射角 θ(角度制)以及中央明纹角宽度,仅省略屏上的线性位置 y。

极小级次 m 的输入范围是多少?

支持输入 1 到 50 的整数级次,计算器同时会列出前 4 级极小的详细参数。

为什么缝宽越小,衍射斑反而展得越宽?

根据 sinθ = mλ/a,缝宽 a 位于分母,狭缝变窄会导致衍射角 θ 增大,光束扩展更剧烈。

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玻尔模型计算器

氢原子玻尔模型:r_n = n²a₀(玻尔半径 a₀ = 0.052918 nm)、E_n = −13.605693/n² eV、v_n = αc/n、轨道周期 T = 2πr/v。可选指定跃迁目标能级 m,输出跃迁能量与发射/吸收光子波长,并标注所属线系(Lyman/Balmer/Paschen/Brackett/Pfund/Humphreys),如 3→2 即著名的 Hα 656.1 nm 红线。

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德布罗意物质波波长计算器

计算物质波波长 λ = h/p:支持「粒子与速度」(电子/质子/中子/α 粒子或自定义质量,可选相对论修正 p = γmv)、「直接输入动量」以及「电子加速电压」(默认相对论公式,同时给出 h/√(2mE) 经典近似与偏差百分比)。输出以米和适配单位(nm/pm/fm/Å)表示,并标注波长所处尺度(X 射线、原子间距等)。

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双缝干涉计算器

杨氏双缝干涉:程差为整数波长处出现亮纹,屏上条纹间距 Δy = λL/d。工具输出 Δy(mm)、各级亮纹角位置与中缝两侧前 4 条亮纹位置。经典学生实验台(550 nm、0.2 mm、2 m)恰得 5.5 mm 条纹——大到可用直尺测量,波长最初就是这样以纳米计数的。

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氢原子光谱线系计算器

按里德伯公式 1/λ = R∞(1/m² − 1/n²) 列出氢原子光谱线系:Lyman(n→1,紫外)、Balmer(n→2,可见光为主)、Paschen/Brackett/Pfund(n→3/4/5,红外)。给出每条线的真空波长与光子能量,命名前若干条线(Balmer 为 Hα、Hβ…,其他线系为 α、β…)并标注 Balmer 四条可见线的颜色,附线系极限 n → ∞。