《导学案》2021版高中物理(人教版选修3-4)教师用书：13.5-光的衍射-讲义-Word版含答案.docx

课时13.5　光 的 衍 射

　　1.观看光的衍射现象,知道什么是光的衍射及产生明显衍射现象的条件。
2.能用衍射学问对生活中的现象进行分析和解释。
3.初步了解衍射光栅。

重点难点:衍射试验现象的观看以及产生明显衍射现象的条件和衍射条纹与干涉条纹的区分。
教学建议:光的衍射进一步证明白光具有波动性。教学中,要让同学思考一般状况下不简洁观看到光的衍射现象的缘由,而后再观看衍射试验,来说明衍射现象以及发生衍射现象的条件。教学过程中,可以通过复习机械波衍射的学问,来加深对光的衍射的理解。还可以借助多媒体技术把衍射现象呈现给同学,引发同学的爱好和思考。
导入新课:蜡烛照到可调整孔大小的挡板上,当孔较大时间沿直线传播,在光屏上形成类似孔的亮斑;当孔变得较小时,则屏上形成烛焰的像;当孔再变小时,在屏上形成比孔大很多的模糊区域,这是为什么呢?你能解释吗?

1.光的衍射
(1)衍射现象:用单色平行光照射狭缝,当缝比较宽时,光沿着①直线通过狭缝,在狭缝后光屏上产生一条与缝宽②相当的亮条纹;当将缝调到很窄时,尽管亮条纹的③亮度有所降低,但是④宽度反而增大了,这表明光经过较窄的单缝时,并没有沿⑤直线传播,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。
(2)常见的几种衍射:⑥单缝衍射、⑦圆孔衍射和泊松亮斑(圆屏衍射)。
(3)产生明显衍射的条件:障碍物、孔或狭缝的尺寸与光的波长⑧差不多,或比光的波长⑨小。
2.衍射光栅
(1)定义:由很多⑩等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件叫衍射光栅。
(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)分类:衍射光栅通常分为透射光栅和反射光栅两种。

1.光的衍射是不是说明光不能沿直线传播?
解答:光的衍射与直线传播是在不同条件下的表现,都是正确的。
2.光的衍射能证明光的哪种学说是正确的?
解答:波动说。
3.衍射现象中,假如增加狭缝的个数有什么现象?
解答:衍射条纹的宽度将变窄,亮度将增加。

主题1:光的衍射与直线传播的关系
情景:与机械波一样,光在同种均匀介质中沿直线匀速传播,参照教材内容回答下列问题。
问题:(1)光的衍射现象说明光在传播过程中偏离了直线传播的路径,这与光的直线传播冲突吗?
(2)光在什么状况下沿直线传播,什么状况下不沿直线传播?
解答:(1)光的直线传播与衍射并不冲突,关键是光在什么样的环境中传播,障碍物的尺寸与光的波长有怎样的关系。
(2)光在传播过程中,在没有障碍物的均匀介质中沿直线传播;当障碍物的尺寸比波长大得多的状况下,衍射不明显,可以认为光沿直线传播。
当障碍物的尺寸与波长相差不多,或比波长小时,衍射现象明显,光就不再沿直线传播了。
学问链接:光在没有障碍物的均匀介质中沿直线传播。在障碍物的尺寸跟光的波长差不多,甚至比光的波长还小时,衍射现象格外明显。
　　主题2:单缝衍射条纹的特征
问题:(1)比较课本图13.5-2(单缝衍射产生的图样)中缝宽为0.4 mm和0.8 mm时红光的单缝衍射条纹,并阅读“衍射光栅”部分的第一段,结合课本图13.5-3[光经过大头针尖(左)和针帽(右)时的衍射照片],你能概括出单缝衍射的特点吗?假如能,请总结出来。
(2)单缝衍射条纹与双缝干涉条纹有哪些异同点?
解答:(1)单缝衍射条纹的特征是①中心亮条纹的宽度比两侧的亮条纹宽;②中心亮条纹的亮度比两侧亮条纹的亮度亮;③入射光波长确定时,单缝越窄,中心亮条纹越宽。
(2)不同点:双缝干涉条纹中心亮条纹与两侧的亮条纹等宽度、等亮度;单缝衍射条纹中心亮条纹最宽、最亮,而中心亮条纹两侧的亮条纹宽度变窄,亮度变小。
相同点:入射光为单色光时,无论是双缝干涉条纹还是单缝衍射条纹,亮条纹的颜色与入射光的颜色相同,暗条纹都是黑色。
学问链接:衍射条纹的宽度不等,中心亮条纹最宽;中心亮条纹最亮,两侧亮条纹的亮度依次减弱。
　　主题3:泊松亮斑
问题:(1)假如把单缝衍射试验中的缝换成小圆孔或小圆板,还能不能观看到光的衍射现象?假如能的话,小圆孔和小圆板形成的衍射图样一样吗 ?
(2)泊松亮斑是不是由泊松预言并发觉的?
解答:(1)小圆孔和小圆板的尺寸小到确定程度时,能观看到光的衍射现象。
小圆孔和小圆板形成的衍射图样不一样,圆孔衍射时,屏上对应孔中心位置有一亮斑;圆板衍射时,屏上中心有一较大的黑斑,黑斑中心有一亮斑(泊松亮斑)。
(2)不是,泊松在驳斥光的波动说时计算出了亮斑,后来阿拉果通过试验发觉了这个亮斑。
学问链接:泊松依据菲涅耳论文中的理论,通过计算发觉光在圆盘上的影的中心会毁灭一个亮斑。

1.(考查光的衍射现象)关于光的衍射现象,下列说法正确的是(　　)。
A.衍射条纹是光波相互叠加的结果
B.光的衍射现象是光在传播过程中偏离直线传播绕到障碍物阴影里传播的现象
C.光的衍射现象完全否定了光沿直线传播的结论
D.光的衍射现象为光的波动说供应了有力的证据
【解析】衍射与干涉一样,都是光波叠加产生的,只不过干涉是两个相干光源发出的光进行叠加,而衍射是同一个光源的不同部分发出的光进行叠加,所以选项A正确。选项B实际上就是衍射现象的概念,明显正确。光的衍射现象并没有否定光的直线传播,光的直线传播就是明显衍射条件不能满足时的状况,选项C错误。衍射是波所特有的现象,而光的衍射现象正好证明光是一种波,选项D正确。
【答案】ABD
【点评】衍射是波特有的现象。光的衍射并不能否定光的直线传播。
2.(考查产生明显衍射现象的条件)在用单色平行光照射单缝观看衍射现象的试验中,下列说法正确的是(　　)。
A.缝越窄,衍射现象越显著
B.缝越宽,衍射现象越显著
C.障碍物确定的状况下照射光的波长越长,衍射现象越显著
D.障碍物确定的状况下照射光的频率越高,衍射现象越显著
【解析】要观看到明显的衍射现象,必需让孔或障碍物的尺寸足够小,能与光的波长接近或比光的波长更小,由于光的波长极短,所以要求孔或缝的尺寸格外小。光的波长越长,相当于缝越窄,而频率越高,波长越短,相当于缝越宽。故A、C正确。
【答案】AC
【点评】缝越窄,衍射现象越明显,但条纹的亮度也减小。
3.(考查衍射条纹的特征)在光的单缝衍射试验中可观看到清楚的明暗相间的条纹,下列三幅图片中可能属于光的单缝衍射图样的是(　　)。

A.a　　　　B.b　　　　C.c　　　　D.a、b、c都是
【解析】由于a中亮条纹是等宽度的,可能是双缝干涉条纹,也可能是光栅的衍射条纹,但不是单缝衍射条纹。图b中心亮条纹宽,越往两边越窄,符合单缝衍射图样特点。图c是水波的单缝衍射条纹。
【答案】B
【点评】单缝衍射中心条纹较两侧宽。
4.(考查产生干涉、明显衍射的条件的对比)以下说法正确的是(　　)。
A.只有频率相同、相位差恒定的两束光才能产生明显的衍射现象
B.两只完全相同的灯泡发出的两束光能产生稳定的干涉现象
C.假如光的波长与障碍物的尺寸相差不多,则能产生明显的衍射现象
D.假如光的波长比孔的尺寸大,则能产生稳定的干涉现象
【解析】频率相同、相位差恒定是光发生干涉的条件,不是发生明显衍射的条件,选项A错误。即使是同一光源上不同部分发出的光,也不愿定能发生稳定的干涉,更不用说是两个独立的灯泡发出的光了,选项B错误。发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸与光的波长相差不太大,或者比光的波长小,当光的波长比障碍物或孔的尺寸大时,衍射会更明显,但这不是发生稳定的干涉的条件,因此选项C正确,选项D错误。
【答案】C
【点评】要留意光的干涉条件与发生明显衍射条件的区分。

拓展一:单色光衍射图样
1.用单色光照射一个缝宽可以调整的单缝,当缝宽由1.5 mm渐渐调整到0.7 mm、0.4 mm、0.2 mm、0.1 mm时,在缝后的光屏上观看到了如图所示的现象。请解释屏上亮条纹形成的缘由。

【分析】单缝宽度渐渐变小的过程中会依次看到亮斑、光源倒立的像、明暗条纹。亮斑和光源倒立的像都是光沿直线传播的结果,而明暗条纹是光的衍射现象。
【解析】①在缝较宽时,屏上毁灭的亮斑是缝的外形,阴影区和亮区边界清楚,这是光沿直线传播的结果,如图甲所示。
②在缝窄到确定程度时,会毁灭光源倒立的像,这便是小孔成像,是光沿直线传播的结果。小孔成的像是倒立的实像,如图乙所示。
③在缝较窄时,光发生了衍射现象,其边缘偏离了光直线传播的边界,如图丙所示。
④在缝很窄时,光发生了明显衍射现象,光明区域比缝宽大很多,如图丁所示。
⑤使缝进一步变窄时,光的衍射现象更加明显,中心亮条纹更宽,且中心亮条纹两侧毁灭了明暗相间的衍射条纹,如图戊所示。
【答案】见解析
【点拨】这五幅图依次向我们呈现了光由直线传播到衍射、再到明显衍射的全过程。在依据这五幅图分析形成的缘由时,要明确光的直线传播与衍射的关系,紧扣发生明显衍射的条件,抓住单缝衍射条纹的特征。
　　拓展二:光的干涉与衍射的综合应用
2.一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。现将其中一条窄缝拦住,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,只是亮条纹比原来暗些
B与原来不相同的明暗相间的条纹,而中心亮条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的亮条纹
D.无条纹,只存在一片红光
【分析】干涉与衍射经常是紧密联系在一起的。例如,双缝干涉现象中,前面单缝的光能到达双缝这是衍射;衍射现象中有明暗条纹产生也是叠加的结果。
【解析】本题一开头告知我们产生了干涉现象,说明两缝都很窄,能够满足使红光发生明显衍射的条件,即拦住一缝后,在屏上得到的是单缝衍射图样。衍射图样和干涉图样的异同点:中心都毁灭亮条纹,但衍射图样中心亮条纹较宽;两侧都毁灭明暗相间的条纹,干涉图样两侧为等间距的明暗相间的条纹,而衍射图样两侧为不等间距的明暗相间的条纹,且亮条纹的亮度减弱。
【答案B
【点拨】用双缝干涉测量光的波长试验中,在光源之后加一个单缝和双缝,其作用是供应相干光源。同时,通过单缝的光之所以能散开而入射到双缝上,其实是由于已经发生了明显的衍射现象。

一、物理百科
信　号　灯
在十字路口为什么用红色灯作为停止的信号灯呢?
停止信号灯之所以选择红色,一方面是我们的眼睛对红色比较敏感,其敏感度超过蓝色或绿色;另一方面主要是在可见光中红色光的波长最长,简洁透射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。而其他的光波波长较短,简洁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简洁透过空气传到远方。我们知道,太阳发出的光包含红橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光,而在早晨日出时,我们看到红红的太阳,主要是由于七种色光中,红光的波长最长,简洁透射大气层,而其他的各种色光由于波长较短,均被不同程度地散射掉,这就是之所以我们所看到的太阳是红色的,而天空是蓝色的。
这种能从远方观看停止信号的情形,对交通来说极为重要,由于驾驶员为了使车能平安地停止,在很远的地方就可以开头刹车。
二、备用试题
1.关于衍射,下列说法正确的是(　　 )。
A.光的衍射现象中条纹的毁灭是光叠加后产生的结果
B.双缝干涉中也存在衍射现象
C.一切波都很简洁发生明显的衍射现象
D.影的存在是一个与衍射现象相冲突的客观事实
【解析】光的衍射图样是简洁的光波的叠加现象,双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象,一般现象中既有干涉又有衍射。一切波都能发生衍射,但要发生明显的衍射,需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件。
【答案】AB
2.图示的四种明暗相间的条纹,分别是红光、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(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(　　 )。

A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄
C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫
【解析】从图样可以看出从左数1、3为干涉图样,由Δx=λ可知,左数第1个为红光的干涉图样,第3个为蓝光的干涉图样,2、4为衍射图样,但第4图衍射明显,故4应为黄光的衍射图样,应选B。
【答案】B
3.如图所示的四个图形中,出名的泊松亮斑的衍射图样是(　　 )。

　　【解析】泊松亮斑是光入射到不透亮     的圆盘上产生的衍射现象,衍射条纹的特点是在中心毁灭一个亮斑,但亮斑较小,亮斑外侧的暗条纹较宽,即在较大阴影中心有一亮点,B选项正确。
【答案】B
4.如图所示,甲、乙两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像,其中图甲是光的　　　　　(填“干涉”或“衍射”)图像。由此可以推断出图甲所对应的圆孔的孔径　　　　　(填“大于”或“小于”)图乙所对应的圆孔的孔径。 

【解析】甲图是圆孔衍射图样,乙图是光沿直线传播通过圆孔形成的亮斑。
【答案】衍射　小于