高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射学案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射学案设计，共8页。

教材研习
教材原句
要点 光的衍射
光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是 光的衍射①现象。
在障碍物的尺寸与光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显。
自主思考
①（1）白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹有什么共同特点？
（2）衍射和干涉条纹都是明暗相间的，两种条纹是否完全一样？
（3）光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象可能发生，也可能不发生，这种说法对吗？
答案：（1）都是中央为白色条纹，两侧为彩色条纹。
（2）不一样。衍射条纹是中间最宽、最亮，从中间向两侧逐渐变窄、变暗；干涉条纹是等间距的条纹，宽度和亮度相同。
（3）不对。光遇到小孔、单缝或障碍物时，一定发生衍射现象，只是有明显与不明显之分，无发生与不发生之别。
名师点睛
1.单缝衍射的条纹特点：中央条纹为亮条纹，离中心条纹越远，亮条纹的宽度越窄，亮度越暗；狭缝越窄，中央亮条纹越暗。
2.圆盘衍射（泊松亮斑）现象：用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑；衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，与圆孔衍射图样有明显区别。
互动探究·关键能力
探究点 光的折射
情境探究
1.在十字路口为什么用红色灯作为停止的信号灯呢？
答案：提示 停止信号灯之所以选择红色，一方面是由于我们的眼睛对红色比较敏感，敏感度超过黄色或绿色；另一方面是由于在可见光中红光的波长最长，容易穿透空气中的水雾和烟尘，即波动性较强，靠衍射现象绕过水雾和烟尘。而其他的光波长较短，容易受到空气中浮动的粒子扰乱，因此红光比其他各种颜色的光更容易透过空气传到远方。
这种能从远方看见停止信号的情形，对交通来说极为重要，因为驾驶员为了使车能安全地停止，在很远的地方就可以开始刹车。
探究归纳
1.对光的衍射的理解
（1）衍射现象和衍射条纹
①衍射现象：光通过很窄的缝或很小的孔时，光没有沿直线传播，而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象。
②衍射条纹特点：衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央条纹最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低。
（2）光产生明显衍射现象的条件
障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或跟波长相差不多。
2.三种衍射图样的比较
（1）单缝衍射图样
①中央条纹最亮，越向两边越暗，条纹间距不等。越靠外，条纹间距越小。
②缝变窄，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低。
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
④用白光做单缝衍射实验时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽、最亮（如图b）。
（2）圆孔衍射图样
①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。如图所示。
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。
③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大。
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环。
⑤只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑（光的直线传播）、光源的像（小孔成像）、明暗相间的圆环（衍射图样）、完全黑暗。
（3）不透光的圆盘的衍射图样
①中央是亮斑（泊松亮斑）。
②周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
3.单缝衍射与双缝干涉的比较
4.衍射光栅
（1）衍射光栅的结构：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
（2）衍射图样的特点：与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。
（3）衍射光栅的种类：反射光栅、透射光栅。
探究应用
例（多选）关于光的衍射现象，下列说法正确的是( )
A.光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射
B.白光的单缝衍射图样是黑白相间的直条纹
C.双缝干涉中也存在衍射现象
D.双缝干涉图样与单缝衍射图样中的条纹宽度都是均匀的，只是亮度规律不同
答案：A ; C
解析：光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现亮斑，是衍射现象，A 正确；白光的单缝衍射图样中央是白色条纹，两侧是彩色条纹，B 错误；双缝干涉中也存在单缝衍射现象，C 正确；双缝干涉图样中的条纹宽度是均匀的，单缝衍射图样中的条纹宽度是不均匀的，D 错误。
方法探究
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
（1）根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹逐渐变窄。
（2）根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹从中央亮条纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗。
迁移应用
1.一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到( )
A.与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些
B.与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的明条纹
D.无条纹，只存在一片红光
答案：B
解析：光产生了干涉现象，说明两缝都很窄，能够满足使红光发生明显衍射的条件，挡住一缝后，在屏上得到的是单缝衍射图样。
2.如图所示，a 、b 、c 、d 四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )
A.a 、b 是光的衍射图样
B.c 、d 是光的衍射图样
C.形成a 图样的光的波长比形成b图样的光的波长短
D.形成c 图样的光的波长比形成d 图样的光的波长短
答案：B
解析：双缝干涉图样的条纹等间距，单缝衍射图样的条纹中央亮条纹最宽，两侧亮条纹逐渐变窄，A 错误，B 正确；无论是双缝干涉还是单缝衍射，形成的图样中，条纹间距大的波长长，C 、D 错误。
评价检测·素养提升
课堂检测
1.（多选）（2021浙江金华期中）沙尘暴是由土地沙漠化引起的一种恶劣的天气现象，发生沙尘暴时能见度只有十几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下( )
A.只有波长较短的一部分光才能到达地面
B.只有波长较长的一部分光才能到达地面
C.只有频率较大的一部分光才能到达地面
D.只有频率较小的一部分光才能到达地面
答案：B ; D
解析：据光发生衍射的条件，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线能到达地面，据λ=cf 知，到达地面的光是频率较小的部分。
2.关于下列四幅图中所涉及的物理知识的论述中，正确的是( )
A.甲图是光的干涉图样
B.乙图是光的衍射图样
C.丙图是光的折射原理
D.丁图是光导纤维利用光的全反射原理，其内芯折射率小于外套的折射率
答案：C
解析：甲图是光的衍射图样，乙图是光的干涉图样，A 、B 错误；丙图是光的折射原理，C 正确；丁图中光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率，D 错误。
3.（多选）做单缝衍射实验和双缝干涉实验时，用激光比普通光源效果更好，图像更清晰。如图甲所示，如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况。下 列说法正确的是( )
A.做单缝实验时，光强分布图如图乙所示
B.做单缝实验时，光强分布图如图丙所示
C.做双缝实验时，光强分布图如图乙所示
D.做双缝实验时，光强分布图如图丙所示
答案：A ; D
解析：双缝干涉条纹等间距，单缝衍射条纹一定不等间距，即中央宽、两边窄的明暗相间的条纹。
4.（多选）下列说法正确的是( )
A.光纤通信利用了全反射的原理
B.水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是光的衍射造成的
C.障碍物的尺寸比光的波长大得多时，一定不会发生衍射现象
D.人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的单缝衍射图样
答案：A ; D
解析：光纤通信是利用了光的全反射原理，故A 正确；水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是油膜的上、下表面对光的干涉形成的，故B 错误；障碍物的尺寸比光的波长大得多时，也会发生衍射现象，只不过不明显，故C 错误；人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的衍射图样，故D 正确。课标解读
课标要求
素养要求
1.观察光的衍射现象。
2.了解明显衍射产生的条件，知道其在生产生活中的应用。
1.物理观念:知道光的衍射现象，知道几种衍射现象的图样。
⒉科学思维:理解光产生明显衍射的条件，知道衍射光栅的结构和衍射图样的特点，知道衍射光栅的两种分类。
项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
任何光都能发生
频率相同、相位相同、振动方向相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮，两边最暗
条纹清晰，亮度基本相等
相同点
成因
都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象，表明光是一种波