高中物理第四章 光5 光的衍射学案

这是一份高中物理第四章 光5 光的衍射学案，共11页。

一、光的衍射
1．用单色平行光照射狭缝，当缝很________时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了____________的地方。这就是光的衍射现象。
2．各种不同形状的障碍物都能使光发生____，致使影的轮廓____________________，出现________________的条纹。
3．发生明显衍射现象的条件：在障碍物或狭缝的尺寸足够____________的时候，衍射现象十分明显。
有同学说：“光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，光不再发生衍射现象”，这种说法对吗？
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三种衍射图样的特点：
1．单缝衍射
(1)单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹。
(2)波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大。
2.圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现明暗相间的圆环。如图所示。
(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。
(2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。
(3)用不同单色光照射圆孔时，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，周围是彩色的同心圆环。
3．圆板衍射(泊松亮斑)
(1)若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。衍射图样如图所示。
(2)中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。( )
(2)只有波长长的光才发生衍射现象。( )
(3)白光的单缝衍射图样是黑白相间的直条纹。( )
例1 (2023·江苏南通市高二期中)太阳光照射一块遮光板，遮光板上有一个大的三角形孔，太阳光透过这个孔，在光屏上形成一个三角形光斑。当遮光板上三角形孔的尺寸不断减小时，光屏上会呈现①圆形光斑；②三角形光斑；③明暗相间的衍射条纹，则( )
A．光屏上先后呈现的图样顺序是①②③
B．光屏上先后呈现的图样顺序是①③②
C．由于光的直线传播产生的图样有①②
D．由于光的直线传播产生的图样有②③
例2 如图所示，甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝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．甲、乙是光的衍射图样
B．丙、丁是光的衍射图样
C．形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短
D．形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短
针对训练 (2022·连云港市高二期末)如图所示，甲、乙、丙、丁四个图是单色光形成的干涉或衍射图样，根据各图样的特点可知( )
A．甲图是光的衍射图样
B．乙图是光的干涉图样
C．丙图是光射到圆孔后的干涉图样
D．丁图是光射到圆板后的衍射图样
单缝衍射与双缝干涉的比较
例3 (2023·江苏淮安市高二期中)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同。观察光束经
过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是( )
A．这里应用的是光的直线传播现象
B．这里应用的是光的干涉现象
C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细
二、衍射光栅
1．构成
衍射光栅是由许多________的狭缝____________地排列起来形成的光学元件。
2．原理
增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变____________，亮度将________。
3．透射光栅和反射光栅
在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了________光栅。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成________光栅。
例4 关于衍射光栅，下列说法正确的是( )
A．衍射光栅是由许多不等宽的狭缝组成的
B．减少狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将会增强
C．透射光栅中有刻痕的部分相当于透光的狭缝
D．当光通过光栅时，每个狭缝均起到单缝衍射的作用
5 光的衍射
[学习目标] 1.知道光的衍射现象，了解产生明显衍射现象的条件(重点)。2.知道衍射条纹的特点，会区分衍射条纹和干涉条纹(重难点)。
一、光的衍射
1．用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，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。这就是光的衍射现象。
2．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。
3．发生明显衍射现象的条件：在障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，衍射现象十分明显。
有同学说：“光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，光不再发生衍射现象”，这种说法对吗？
答案 不对。衍射现象一定会发生，大光斑说明光是沿直线传播的，衍射现象不明显，但大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的。
三种衍射图样的特点：
1．单缝衍射
(1)单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹。
(2)波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大。
2.圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现明暗相间的圆环。如图所示。
(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。
(2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。
(3)用不同单色光照射圆孔时，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，周围是彩色的同心圆环。
3．圆板衍射(泊松亮斑)
(1)若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。衍射图样如图所示。
(2)中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。( × )
(2)只有波长长的光才发生衍射现象。( × )
(3)白光的单缝衍射图样是黑白相间的直条纹。( × )
例1 (2023·江苏南通市高二期中)太阳光照射一块遮光板，遮光板上有一个大的三角形孔，太阳光透过这个孔，在光屏上形成一个三角形光斑。当遮光板上三角形孔的尺寸不断减小时，光屏上会呈现①圆形光斑；②三角形光斑；③明暗相间的衍射条纹，则( )
A．光屏上先后呈现的图样顺序是①②③
B．光屏上先后呈现的图样顺序是①③②
C．由于光的直线传播产生的图样有①②
D．由于光的直线传播产生的图样有②③
答案 C
解析 发生明显衍射现象的条件是：光波传播过程中碰到的障碍物或者小孔要比波长小或者差不多。由于光波波长很短，当遮光板上三角形孔的尺寸不断减小时，由于光在小孔较大的情况下沿直线传播，所以一开始是三角形光斑，当小孔较小时呈圆形光斑；由于光波波长很短，在小孔接近闭合时会出现衍射条纹，故C正确，A、B、D错误。
例2 如图所示，甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝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．甲、乙是光的衍射图样
B．丙、丁是光的衍射图样
C．形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短
D．形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短
答案 B
解析 干涉条纹是等间距的条纹，因此题图甲、乙是干涉图样，题图丙、丁是衍射图样，故B正确，A错误；
由Δx＝eq \f(l,d)λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长长，故C错误；
形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长长，故D错误。
针对训练 (2022·连云港市高二期末)如图所示，甲、乙、丙、丁四个图是单色光形成的干涉或衍射图样，根据各图样的特点可知( )
A．甲图是光的衍射图样
B．乙图是光的干涉图样
C．丙图是光射到圆孔后的干涉图样
D．丁图是光射到圆板后的衍射图样
答案 D
解析 题图甲中条纹间距相等，是光的双缝干涉图样，故A错误；题图乙中中间亮条纹最宽，向外条纹变窄，间距变小，是光的单缝衍射图样，故B错误；题图丙为圆孔衍射图样，故C错误；题图丁是光射到圆板后的衍射图样(泊松亮斑)，故D正确。
单缝衍射与双缝干涉的比较
例3 (2023·江苏淮安市高二期中)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同。观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是( )
A．这里应用的是光的直线传播现象
B．这里应用的是光的干涉现象
C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细
答案 D
解析 当障碍物的尺寸与波的波长相当，或小于波的波长，会发生明显衍射现象，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则纤维细丝变细，故D正确，A、B、C错误。
二、衍射光栅
1．构成
衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
2．原理
增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。
3．透射光栅和反射光栅
在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。
例4 关于衍射光栅，下列说法正确的是( )
A．衍射光栅是由许多不等宽的狭缝组成的
B．减少狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将会增强
C．透射光栅中有刻痕的部分相当于透光的狭缝
D．当光通过光栅时，每个狭缝均起到单缝衍射的作用
答案 D
解析 衍射光栅由一系列等宽的平行刻痕或狭缝组成，刻痕处发生漫反射而不透光，未刻痕的部分相当于透光的狭缝，故A、C错误；减少狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变宽，亮度将会减弱，B错误；当光通过光栅的狭缝时，光线发生衍射现象，D正确。
种类
项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
狭缝足够小(发生明显衍射)
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央条纹最宽
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，越向两侧条纹越暗
各条纹亮度基本相同
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
种类
项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
狭缝足够小(发生明显衍射)
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央条纹最宽
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，越向两侧条纹越暗
各条纹亮度基本相同
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹