[3-4]4-3光的衍射.doc

《沪科教版高中物理选修3-4同步导学》第4章 光的波动性 谢步时编
第4章 光的波动性
4.3 光的衍射
【学习目标】
1．知识与技能：认识光的衍射现象，使学生对光的波动性有进一步的了解，了解光产生明显衍射的条件，及衍射图样与波长、缝宽的定性关系。
2．过程与方法：通过观察实验培养学生观察、表述物理现象，概括规律特征的能力，学生亲自做实验培养学生动手的实践能力。
3．情感态度与价值观：通过对“泊松亮斑”的讲述，使学生认识到任何理论都必须通过实践检验，实验是检验理论是否正确的标准。
【要点导学】
1．光的衍射现象
光的衍射是光在它传播的方向上遇到障碍物时，光绕到障碍物阴影里去的现象。
2．怎样才能观察到光的衍射现象？
（1）产生明显的波的衍射要具备的条件：障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多，或比波长更小。
（2）要观察到光的衍射现象：必须使狭缝、小孔或不透光物体与光的波长相差不多，甚至比光的波长更小。
3．光的的衍射现象的规律
（1）用单色光做单缝衍射实验，波长越长的单色光得到的条纹间距越大（用红光做双缝干涉实验得到的条纹间距最大；用紫光做双缝干涉实验得到的条纹间距最小）。
用白红光做单缝衍射实验时，中央条纹为白色，两侧为彩色条纹。
（2）在单缝衍射图样里，中央条纹最亮、最宽。
（3）在发生明显衍射的条件下，波长一定时，当窄缝变窄（或孔变小）时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗（见课本彩色插页图4-18）。
4．用惠更斯原理解释光的衍射现象
光的衍射与光的干涉一样都是光的叠加的结果。
5．泊松亮斑
用平行光照射一个很小的不透明的圆盘（尺寸小于0.5mm），在圆盘的阴影中心会出现一个亮斑，这也是波的衍射现象。被称为泊松亮斑。
6．身边的衍射现象
7．光的衍射现象进一步证明了光的波动性
【方法举例】
1． 光的的衍射与光的直线传播性并非矛盾
关于光的直线传播性，准确的说法是：光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，因此，光的的衍射与光的直线传播性并非矛盾。
2．区分能否发生衍射和能否发生明显衍射
（1）衍射的波的特性，既然光是属于电磁波，各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，只是有明显与不明显的差异。
（2）对于光产生明显衍射的条件的认识，从一系列衍射实验中发现，虽然单缝、小孔和小圆屏的尺寸比光波大得多，仍能看到极好的衍射现象，只是缝或孔的尺寸越小，衍射现象越明显，即障碍物尺寸是波长几百倍时，对光波来说，仍可认为衍射条件中的“差不多”．
实验证明，对波长为的光波来说，障碍物或孔的尺寸的数量级在103以上时，衍射现象不明显，可按直线传播处理；在102～10时，衍射现象显著，出现明暗相间的花样；在比波长还小时，衍射现象更为明显．
3．双缝干涉和单缝衍射的联系与区别
（1）双缝干涉和单缝衍射的图样都是明暗相间的条纹。但双缝干涉的条纹间距是等宽的，亮度也是均匀的；而单缝衍射的条纹是中央宽，两边窄，亮度分布也是中央亮两边暗。
（2）双缝干涉装置中，入射光从单缝到双缝之间的传播过程中，实际上已经发生了衍射；单缝衍射中的亮、暗纹的形成，可以看成是从单缝不同位置射出的光在光屏处发生干涉，这些干涉条纹叠加后形成的就是单缝衍射的结果。
（3）光的衍射现象与干涉现象根本上讲都是光波的相干叠加．
（4）光的双缝干涉和光的衍射都是光的波动性的例证
例1 关于光的衍射的下列说法中正确的是 ( )
（A）只有当障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或者比光的波长小的时候才能发生衍射
（B）如果障碍物的尺寸比光的波长大得太多，就几乎不能发生光的衍射
（C）隔着高墙和墙另一侧的人说话时“听其声而不见其人”，是因为声波发生了明显衍射，而光波的衍射非常微弱
（D）小孔成像就是由光的衍射形成的
[解析]各种障碍物都能使光发生衍射，只是有明显和不明显的区别,因此A选项错误；B选项中，障碍物的尺寸比光的波长大得太多，不满足发生明显衍射的条件，几乎不能发生光的衍射，因此B选项错；高墙的高度一般是几米，这个尺寸跟声波的波长可以相比，但比光的波长大得多，因此出现“听其声而不见其人”的现象，因此C选项正确；小孔成像的原理是光的直线传播，而不是光的衍射，D选项错误。本题正确选项为（C）。
[说明]由于可见光的波长在10-7m数量级，而一般物体的大小比这个尺度大得多，因此很难看到明显的光的衍射现象。要看到明显的光的衍射现象，必须使光源发出的光射到非常小的必须使狭缝、小孔或不透光物体。一般来讲，当狭缝、小孔或不透光物体尺寸小于0.5mm时，就可以观察到明显的衍射现象。
例2在双缝干涉实验中，如果将双缝中的一条挡住，其它都不改变，那么在光屏上观察到的现象将是 （ ）
（A）仍然是均匀分布的明暗相间的条纹，只是亮纹的亮度变暗了
（B）仍然是均匀分布的明暗相间的条纹，只是由于挡住一条缝，所以光屏上只有一半区域内有干涉条纹，另一半区域内将没有干涉条纹
（C）仍然有明暗相间的条纹，只是条纹的宽窄和亮度分布不再是均匀的了
（D）由于只有单缝，不能形成相干光源，所以不会发生光的干涉现象，光屏上将没有任何条纹出现
[解析] 双缝干涉实验中，光屏上观察到的是均匀分布的明暗相间的条纹，如果将双缝中的一条挡住，其它都不改变，这时发生的是光的单缝衍射，光屏上观察到的是中间宽而亮，两侧窄而暗的明暗相间的条纹。本题正确选项为（C）。
[说明]本题要求区分干涉、衍射发生的条件及现象。

例3 你能解释光学显微镜的放大率为什么会受到限制吗？
[解析]
（1）人眼最小分辨距离约为0.2mm
（2）由于人视网膜宽度有限，为增加放大率就应物镜及目镜的孔径。当孔径小到一定程度可见光将发生衍射，在这种情况下再增大放大率已不能提高清晰度。所示光学显微镜的放大率受到限制，只能达到上千倍。

[说明]为避免上述现象就必须降低光的波长，人眼就无法识别且有害，为解决这一光学应用技术上遇到的困难，必须进行光电转换，这就是光电显微镜。
【基础训练营】
一、选择题
1．如图4-3-1所示，单色光源发出的光经一狭缝，照射到光屏上，则光屏上可观察到的图象是（ ）
图4-3-1

2．下列关于某种单色光的干涉条纹和衍射条纹的说法正确的是 ( )
（A）没有区别
（B）都是明暗相间的
（C）干涉条纹的宽度相同，衍射条纹中央最宽，两侧渐窄
（D）形状不变，但干涉条纹亮度大
3．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板后面的屏上发现圆板阴影中心有一个亮斑，阴影外面有一圈一圈明暗相间的条纹，这是光的 ( )
（A）干涉现象 （B）衍射现象
（C）色散现象 （D）反射现象
4．点光源照射一个障碍物，在屏上所成的阴影的边缘部分模糊不清，产生这样现象的原因是 ( )
（A）光的反射 　　 （B）光的折射
（C）光的干涉 （D）光的衍射
5．下列衍射现象的结果哪些是正确的（ ）
（A）用白光做衍射实验时，得到的亮纹是彩色的
（B）刮胡须的刀片的影子边缘模糊不清
（C）用圆屏作障碍物，影的中心全是暗斑
（D）窄缝衍射图样的中心条纹最亮最宽
图4-3-2
6．在一次观察光的衍射实验中，观察到如图4-3-2所示的清晰的亮暗相间的图样，那么障碍物是下列给出的( )
（A）很小的不透明圆板
（B）很大的中间有大圆孔的不透明挡板
（C）很大的不透明圆板
（D）很大的中间有小圆孔的不透明挡板
7．某同学以线状白炽灯为光源，利用单缝衍射观察衍射条纹，以下结论正确的是( )
（A）若狭缝与灯泡平行，则衍射条纹与狭缝平行
（B）若狭缝与灯泡垂直，则衍射条纹与狭缝垂直
（C）衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关
（D）衍射条纹的疏密程度与光的波长有关
8．关于光的干涉和衍射，下列说法正确的是 ( )
（A）水面上的油层在阳光照射下出现的彩色条纹是光的干涉现象
（B）泊松亮斑是光的衍射现象
（C）激光防伪标志看起来是彩色的，这是光的干涉现象
（D）贝壳呈现出彩色与鸟类的羽毛呈现彩色是光的衍射现象，两者原因是不一样的
9．平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有( )
（A）在小孔衍射图样和泊松亮斑的中心处都是亮斑
（B）泊松亮斑中心亮点，周围的暗环较宽
（C）小孔衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑
（D）小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的
10．如图图4-3-3甲、乙分别是单色光通过同一窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样，
甲 乙
图4-3-3
则 ( )
（A）甲、乙均是干涉条纹
（B）甲、乙均是衍射条纹
（C）甲对应的光的波长较长
（D）乙对应的光的波长较长
图4-3-4
11．抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图4-3-4所示，观察激光束经过细丝时在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化( )
（A）这主要是光的干涉现象
（B）这主要是光的衍射现象
（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、填空题
12．光产生明显衍射的条件是：障碍物或孔或狭缝的尺寸与光的波长______________，或比光的波长___________。
13．一单色光照射到一条狭缝时，当狭缝较宽时，光沿___________传播，在光屏上形成一条宽度跟狭缝宽度___________的亮区；当狭缝较窄时，尽管亮区的___________有所减弱，但___________增大了，这表明光经过较窄的单缝时，并没有沿___________传播，而是绕过了单缝的边缘传播到了更宽的空间，这就是光的衍射现象，且缝的宽度越窄，在光屏上形成的亮区的范围越___________。
【能力提高站】
一、选择题
1．早上太阳从东方升起,人们看到太阳是红色的，这是因为（ ）
（A）红光沿直线传播 （B）红光的波长最长，衍射现象明显
（C）红光传播速度大 （D）红光更容易引起人们的视觉
2．用黄光照射一不透明的圆板时，在圆板的背影中恰能观察到一黄色光斑，若用红色光、绿色光和紫色光照射圆板，能够观察到光斑的是（ ）
（A）只有红色光 （B）只有紫色光
（C）只有红色光和紫色光 （D）三种色光都能
3．图4-3-5所示的4种明暗相间的条纹，是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(灰黑色部分表示亮纹).则在下面的四个图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是（ ）
图4-3-5

（A）红黄蓝紫 （B）红紫蓝黄
（C）蓝紫红黄 （D）蓝黄红紫
4．在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观看远处的日光灯管或线状白炽灯丝(灯管或灯丝都要平行于狭缝)，可以看到 (　 　)
（A）黑白相间的直条纹　　　 （B）黑白相间的弧形条纹
（C）彩色的直条纹　　　　　 （D）彩色的弧形条纹
5．夏日的白天,在大树下乘凉时，经常发现在树阴中间有许多圆形亮斑，关于其原因下列说法正确的是（ ）
（A）大树的缝隙是圆的,所以地面上有许多圆斑
（B）是很多树叶将太阳光反射到地面形成的圆斑
（C）这是经很多不规则的树叶缝隙所形成的太阳的像
（D）这是太阳光经树叶缝隙衍射形成的
6．让太阳光垂直照射到一块遮光板上，板中间有一个可以自由收缩的三角形孔，当此孔慢慢缩小直至闭合的过程中，在孔后的屏上将先后出现 ( )
（A）由大到小的三角形光斑，直到消失
（B）由大到小的三角形光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
（C）由大到小的三角形光斑，明暗相间的黑白条纹，直至条纹消失
（D）由大到小的三角形光斑，小圆形光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
二、填空题
7．生活中我们经常会遇到“不见其人，却闻其声”的现象，试用学过的知识解释这一说法的原因 。
图A
图B
图4-3-6

8．在如图4-3-6中所示,A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而成成的的图像，其中图A是光的 图像，由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径 （填大于或小于）图B所对应的圆孔的孔径。

2-1-5