高中物理 第十三章 5 光的衍射教材梳理教案 新人教版选修3-4(2021年最新整理)

高中物理第十三章5 光的衍射教材梳理教案新人教版选修3-4
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光的衍射
疱丁巧解牛
知识·巧学
一、光的衍射
1。

衍射现象
波能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象.
2。

产生明显衍射现象的条件
障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多。

深化升华一切波在遇到障碍物或孔时,都可以发生衍射,要注意区分发生衍射和产生明显衍射现象的区分。

3.三种不同的衍射现象
（1）单缝衍射
①单缝衍射：如图13-5-1所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域;若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播,而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象。

图13-5—1
要点提示衍射是波特有的一种现象，只是有的明显,有的不明显而已,“闻其声不见其人"就是声波衍射的原因。

②特点：a.缝变窄时，光有了明显的衍射现象,光所照射的区域变大，由于通过缝的光能少了，
因此条纹的亮度会降低.
b。

在衍射现象中，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同,中央亮条纹不仅亮度大,宽度也大。

要点提示用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央条纹宽度大，亮度也大，与干涉条纹有区别。

深化升华用白光照射单缝时,中间是白色亮条纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光。

（2）圆孔衍射
如图13—5-2所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图中甲所示的情形，无衍射现象发生;当挡板AB上的圆孔很小时,光屏上出现图中乙所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环.
图13—5—2
特点:衍射图样中,中央亮圆的亮度大,外面是亮、暗相间的圆环，但外围亮环的亮度小。

深化升华（1)单色光照射时，中央为亮圆，外面是亮度越来越暗的亮环；
（2)白光照射时,中央亮圆为白色，周围是彩色圆环.
(3）泊松亮斑-—障碍物的衍射现象
在1818年，法国物理学家菲涅耳提出波动理论时，著名的数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出圆板后的中央应出现一个亮斑，这看起来是一个荒谬的结论，于是在同年，泊松在巴黎科学院宣称他推翻了菲涅耳的波动理论,并把这一结果当作菲涅耳的谬误提了出来，但有人做了相应的实验，发现在圆板阴影的中央确实出现了一个亮斑，这充分证明了菲涅耳理论的
正确性，后人把这个亮斑就叫泊松亮斑。

各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清，若单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。

辨析比较白光的衍射和单色光的衍射的区别
白光的衍射条纹为中央亮而宽外侧暗而窄，靠近光源的外侧为彩色条纹,且外侧呈红色,靠近光源的内侧为紫色，条纹间距不等.而单色光的衍射条纹为中央亮而宽外侧暗而窄，条纹间距不等。

因可见光中红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,各色光的波长不同，在发生衍射时的条纹间距也各不相同，对同样的障碍物或孔的尺寸，红光波长最长，产生的衍射条纹间距最大，紫光波长最小,产生的衍射条纹间距最小，所以红光在外侧而紫光在内侧.
4。

衍射现象的分析
(1）用单色光照射狭缝，在狭缝较宽时，屏上出现一段亮条纹，且缝越窄，亮条纹也越窄,因为此时狭缝宽度比波长大很多，光是沿直线传播的；当狭缝很窄时,屏中央出现一条比狭缝宽度大很多的亮条纹，两侧的亮条纹离中央亮条纹更远，产生了明显的衍射现象。

（2）用单色光照射小孔，随着圆孔的减小，屏上先后出现的是：
圆形亮斑→光源倒立的像（小孔成像)→明暗相间的圆环(衍射图样）。

（3）衍射条纹的产生,实质上是光波发生干涉的结果，即相干波叠加的结果.
当光源发出的光照射到小孔或障碍物上时，小孔处看作有许多点光源，障碍物的边缘也要看成许多点光源(惠更斯原理）。

这些点光源是相干光源，发出的光相干涉，在光屏上形成亮暗相间的条纹.
5。

光的干涉和光的衍射的比较
（1)双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果，只是干涉条纹是有限的几束光的叠加，而衍射条纹可认为是极多且复杂的相干光的叠加。

（2）单缝衍射时,照射光的波长越长，中央亮纹越宽，衍射和干涉都能使白光分色,且中央白
光的边缘均呈红色。

（3）干涉和衍射的图样有相似之处，都是亮暗相间的条纹，只是干涉条纹中各条纹宽度和亮纹亮度基本相同,衍射条纹中各条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮.
辨析比较单缝衍射与双缝干涉现象都有明暗相间的条纹，它们有以下相同点与不同点：
典题·热题
知识点一光的衍射及发生明显衍射的条件
例1在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是（）
A.将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄
B.使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C。

换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D。

增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽
解析：当单缝宽度一定时,波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大;光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽.故选项A、C、D正确。

答案：ACD
方法归纳通过光屏观察衍射条纹与用眼睛直接观察衍射条纹的情况是有所不同的。

单缝到屏
的距离增大时,屏上条纹间距变大,亮度变弱，条纹数目不变（屏足够大）；如果用眼睛直接观察，眼睛必须靠近单缝，当略微增大眼睛与单缝距离时，观察到的条纹间距也会略大，而条纹数目将减少，因为眼睛的受光面很小(相当于光屏很小)，所以当眼睛与单缝的距离过大时,就观察不到衍射条纹.
例2某同学把卡尺间的窄缝调节到0。

5 mm去观察某一线光源,看到了彩色条纹.他把缝的宽度增加到0。

8 mm，再观察同一光源，看到的现象是但亮度增大.若他把缝的宽度减小到0。

2 mm，则看到的现象是_____________________________________。

这说明在衍射现象中，衍射图样条纹的宽度及亮度与______________有关,当其_____________时，衍射现象更为明显。

解析：当窄缝宽度变窄时,它和光波的波长越接近，衍射现象越明显，同时通过窄缝的光能越少，到达光屏上的宽度越宽，亮度就越弱。

答案：彩色条纹变窄彩色条纹变宽但亮度减弱单缝宽度变窄
知识点二波的衍射与其他现象的比较研究
例3如图13-5-3所示，A、B两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图象,其中图A是光的_________________(填“干涉"或“衍射”）图象。

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。

图13-5—3
解析：A中出现明暗相间的条纹,是衍射现象，只有障碍物或孔的尺寸和光波波长相差不多时,才能发生明显的衍射现象.图A是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10-7的数量级上,所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小。

图B的形成可以用光的直线传播解释.答案:衍射小于
巧解提示光发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸和光波波长相差不多,而当障碍物
或孔的尺寸比光波波长大得多时，衍射现象不明显。

例4声波比光波容易产生明显的衍射，原因是（）
A.声波是纵波,光波是横波
B.声波是机械波，光波是电磁波
C.一般障碍物尺寸跟声波波长相近而比光波波长大得太多
D.声波必须通过介质传播，而光波可以在真空中传播
解析：产生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸能与波长相近，声波的波长比光波的波长大，与一般障碍物尺寸相近，容易满足衍射条件，因而容易产生明显的衍射.正确答案选C 项.
答案：C
方法归纳能观察到明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸能跟光的波长相比甚至比光的波长还要小，由于可见光的波长一般为数千埃，比普通障碍物尺寸小得多，所以光波的衍射现象观察起来稍难一些.
例5用一单色光源垂直照射带有圆孔的不透明光屏,下列几种情况中，在小孔后面的光屏上各看到什么现象？
(1)小孔的直径为1 cm；
（2）小孔的直径为1 mm；
（3）小孔的直径为0。

5 μm。

解析：小孔的直径大小决定屏上现象。

当孔的直径较大，比光的波长大的多，此时光的衍射极不明显，光沿直线传播；当孔的直径很小，可以与光波的波长相差不多时,光的衍射现象明显.答案：（1)当圆孔的直径为1 cm时，在光屏上只能看到与圆孔形状相同的亮斑。

这是光沿直线传播的结果.
(2)当圆孔的直径为1 mm时，在光屏上能看到单色光源倒立的像，这是小孔成像,也是光沿直
线传播的结果。

（3）当圆孔的直径为0。

5 μm时,在光屏上能看到明暗相间的圆环。

这是由于小孔尺寸与光波的波长差不多，光发生衍射的结果.
巧解提示我们在观察光的衍射实验时，当缝（或孔）的线度逐渐变小时，在光屏上可以看到光斑先逐渐变小进而小孔成像，然后又出现明暗相间的条纹（圆环）。

继续使缝（或孔）变小，明暗条纹（圆环）的宽度和间距会随之变大,从而体现量变引起质变的规律.进而认识到，任何规律都有其适用条件.光的直线传播只是一条近似的规律，只有在光的波长比障碍物或孔的线度小得多的情况下,才可以看成是沿直线传播的。

问题·探究
设计实验探究
问题当光在传播中遇到孔时,会因为不同大小的孔发生不同现象吗？
探究过程：实验原理:让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，孔后的屏上将先后出现不同的现象（遮住侧面光）。

实验器材:蜡烛、遮光板（有一个可自由收缩的三角形孔)、屏。

实验过程：当三角形孔较大时,屏上出现一个三角形光斑，如图13-5—4甲所示，随着三角形也缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图13-5-4乙所示;继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时,屏上就会一片黑暗.
图13—5—4
探究结论：随着三角形孔的缩小,光分别呈现出在不同条件下的传播特点:直线传播和发生衍射.。