2 第2节 光的衍射

第2节光的衍射
1.认识光的衍射现象，理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.（重点＋难点）
2.了解光的衍射条纹与干涉条纹的区别.（重点）
3.知道通过实验观察光的衍射的方法.
4.了解衍射对分辨本领的影响.
5.知道衍射光栅的特点及应用.
一、衍射现象
1.定义：光离开直线路径绕到孔或障碍物的阴影里去的现象叫光的衍射.
2.发生明显衍射现象的条件：当障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不大时，会发生明显的衍射现象.
3.几种不同的衍射现象
（1）圆孔衍射：用点光源照射直径较大的圆孔时，光屏上会出现一个明亮的光斑，这是光沿直线传播的结果；当圆孔直径足够小时，则光屏上会出现一些明暗相间的圆环，这是光发生衍射现象的结果；当孔的直径合适时，圆形亮斑的中心会是黑斑.
（2）单缝衍射：用线光源照射较宽的狭缝时在光屏上会出现一条与狭缝相似的亮条纹；当狭缝足够窄时，在光屏上却出现了明暗相间的条纹，且狭缝越窄，中央亮条纹越宽.
（3）圆盘衍射：用平行光照射一个不透明的圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑，这一亮斑也叫泊松亮斑.
1.为什么会发生闻其声不见其人的现象？
提示：因为声波波长较长，很容易绕过障碍物而发生明显的衍射现象，而光波波长很短，不容易发生明显的衍射现象.
二、衍射对分辨本领的影响
1.一个光学仪器的分辨本领是指将两个相互靠近的物体的像明显分离开来的能力.
2.光学显微镜和望远镜等光学仪器，其透镜就相当于小圆孔，透镜直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低.
2.为什么天文望远镜的口径一般都比较大？
提示：天文望远镜的镜头相当于小圆孔，光通过圆孔后会产生衍射，衍射是来自物体的光叠加的结果，会造成观察模糊，镜片越小衍射越明显，观察越模糊.
三、衍射光栅
1.衍射光栅实际就是在两个螺杆上绷上许多平行的细金属线或在玻璃片上刻上许多均匀细槽做成的光学仪器.
2.种类⎩
⎪⎨⎪⎧透射光栅反射光栅
3.为什么光通过光栅后在光屏上出现的明暗相间的条纹与双缝干涉条纹不同？
提示：双缝干涉条纹是由干涉光源通过双缝后在光屏上叠加产生的.通过光栅后在光屏上叠加的光具有同频及相差恒定的干涉特点，产生多缝干涉，也有单缝衍射，因此其条纹是多缝干涉和单缝衍射条纹共同的结果，不同于双缝干涉条纹.
几种衍射图样的比较
1.单缝衍射图样的特点
（1）中央条纹亮而宽.
（2）两侧亮纹具有对称性，亮纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱.
（3）波长一定时，单缝较窄的中央条纹较宽，各条纹间距较宽；单缝宽度不变时，光波波长较长的中央条纹较宽，各条纹间距较宽.
（4）白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮纹的条纹内侧为紫色.
2.圆孔衍射图样的特点
（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）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，波长越长，
中央圆形亮斑的直径越大.
（3）同一种单色光，圆孔越小，中央亮斑半径越大，同时亮度越弱.
（4）在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）只有当圆孔足够小时，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.障碍物的衍射特点：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.若在单色光（如激光）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.形成泊松亮
斑时，圆形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，亮环或暗环间距随半径的增大而减小，如图所示.
（多选）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]本题考查决定衍射条纹宽度的条件.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，若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
光的干涉与光的衍射的比较
1.光的干涉与光的衍射的比较
（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，都是明暗相间的条纹.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宽纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮.
2.光的干涉与光的衍射的异同
种类
项目
单缝衍射双缝干涉
不
同
点
产生
条件
只要狭缝足够小，任何光都能
发生
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，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等
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如图所示的四幅明暗相间的条纹图样，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）.则下面的四幅图从左到右排列，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]双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹.干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光.同一单缝衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光.
[答案] B
如图所示，甲、乙、丙、丁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.甲、乙是光的干涉图样
B.丙、丁是光的干涉图样
C.形成甲图样的光的波长比形成乙图样光的波长短
D.形成丙图样的光的波长比形成丁图样光的波长短
解析：选A.干涉条纹是等距离的条纹，因此甲、乙图是干涉图样，丙、丁图是衍射图样，故
A 项正确，
B 项错误；由公式Δx ＝L d
λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以甲图样的光的波长比乙图样的光的波长长，故C 项错误；丙图样的光的波长比丁图样的光的波长长，故D 项错误.
规范答题——对衍射现象的理解
如图所示是通过游标卡尺两测量脚间的狭缝观察白炽灯线光源时所拍下的四张照片.
（1）试通过图样分析四张照片对应的两测量脚间的大小关系.
（2）试说明照片丁中中央条纹的颜色及成因.
[解析] （1）从四张照片的单缝衍射图样可以看出，由图甲到图丁，衍射现象越来越明显，说明两测量脚间的狭缝越来越小，因此由图甲到图丁四张照片对应的两测量脚间的宽度越来越小.
（2）图丁中的中央条纹的颜色为白色，因为各种色光在屏中央均为亮条纹，七色光叠加后中央条纹仍为白色.
[答案] （1）由图甲到图丁四张照片对应的两测量脚间的宽度越来越小
（2）图丁中中央条纹的颜色为白色 七色光叠加后中央条纹为白色
让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此
三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，在孔后的屏上将先后出现（ ）
A.由大变小的三角形光斑，直至光斑消失
B.由大变小的三角形光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
C.由大变小的三角形光斑，明暗相间的黑白色条纹，直至条纹消失
D.由大变小的三角形光斑，小圆形的光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
解析：选D.当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着小孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着小孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现了明暗相间的衍射条纹，最后随小孔的闭合而全部消
失，所以只有D是正确的.。