人教版高中物理新教材同步讲义 选择性必修第一册 第4章 5　光的衍射（含解析）

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。衍射现象是一定会发生，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让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的圆孔，当此圆孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，在孔后的屏上将先后出现的现象是(遮住侧面光)()A．圆形光斑倒立的烛焰明暗相间的圆环B．明暗相间的圆环圆形光斑倒立的烛焰C．倒立的烛焰圆形光斑明暗相间的圆环D．圆形光斑明暗相间的圆环倒立的烛焰答案A解析当圆孔较大时，屏上出现一个圆形光斑，随着圆孔缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当圆孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，即小孔成像；继续使圆孔缓慢收缩，当圆孔的大小与光波波长相差不多时，在屏上可以观察到明暗相间的圆环，即圆孔衍射的图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗，故A正确。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，现将其中一条窄缝挡住，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条纹，只是亮条纹比原来暗些B．与原来不相同的明暗相间条纹，而中央亮条纹变宽些C．只有一条与缝宽对应的亮条纹D．无条纹，只存在一片红光答案B解析挡住一缝后，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：中央都出现亮条纹，两侧都出现明暗相间的条纹，干涉图样为等间距的明暗相同的条纹，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，且衍射图样中央亮条纹较宽，故选B。单缝衍射与双缝干涉的比较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例3(多选)在抽制很细的金属丝的过程中，可以用激光随时监测抽丝的粗细情况。其装置如图甲所示，在抽丝机的细丝出口附近，用一束激光沿与细丝垂直的方向照射细丝，在细丝的另一侧用光屏接收激光。工作人员通过观察光屏上明暗相间亮斑的情况(图乙所示为沿激光传播方向看到的光屏情况)，便可知道抽制出的细丝是否合格。对于这种监控抽丝机的装置，下列说法中正确的是()A．这是利用光的直线传播规律B．这是利用光的衍射现象C．如果屏上条纹变宽，表明细丝粗了D．如果屏上条纹变宽，表明细丝细了答案BD解析由题意知明暗相间亮斑的形成是单缝衍射现象，故A错误，B正确；缝变窄，则条纹宽度变宽，如果屏上条纹变宽，表明细丝变细，故C错误，D正确。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(多选)关于衍射光栅，下列说法正确的是()A．衍射光栅是由许多等宽的狭缝组成的B．增加狭缝的个数，因衍射条纹的宽度将变宽，所以亮度将会增加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AD解析衍射光栅由一系列等距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C错误，A正确；增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将会增加，B错误；当光通过光栅的狭缝时，光线发生衍射现象，D正确。课时对点练考点一光的衍射1．关于光的衍射现象，下列说法不正确的是()A．衍射条纹是光波的相互叠加的结果B．光的衍射现象是光在传播过程中偏离直线绕过障碍物继续传播的现象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提供了有力的证据答案C2．(2022·枣庄市检测)下列现象中属于光的衍射现象的是()A．雨后天空美丽的彩虹B．阳光下肥皂膜的彩色条纹C．光通过三棱镜产生的彩色条纹D．对着日光灯从两铅笔缝中看到的彩色条纹答案D解析雨后天空美丽的彩虹，这是太阳光通过悬浮在空气中细小的水珠折射而成的，白光经水珠折射以后，分成各种彩色光，这种现象叫作光的色散现象，A错误；日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹属于光的干涉，故B错误；一束白光通过三棱镜产生的彩色条纹属于光的折射现象，故C错误；通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹，属于单缝衍射，故D正确。3.某同学使用激光器做光源，在不透光的挡板上开一条宽度为0.05mm的窄缝(水平)，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是()答案D解析单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，故衍射条纹也是水平的，D对。4．(2022·重庆八中高二月考)在大山后面的屋舍听广播(信号波长为1～100m)要比看电视(信号波长为1～3m)的效果好，这是由于()A．广播信号更容易发生明显的衍射现象B．电视信号更容易发生明显的衍射现象C．广播信号更容易发生明显的干涉现象D．电视信号更容易发生明显的干涉现象答案A解析听广播效果好，是因为广播信号的波长比电视信号的波长长，更容易发生明显的衍射现象，绕到大山后面，故选A。考点二单缝衍射和双缝干涉的比较5．(2022·南通市高二期中)下列光现象中，光学原理与其他各项不同的是()答案A解析A中图像是由于光的干涉形成的，B、C、D中的图像是由于光的衍射形成的。6．下列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和同一单缝衍射仪器形成的图样(黑色部分表示亮纹，保持缝到屏距离不变)。其中属于蓝光的衍射图样的是()答案B解析双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，所以A、C选项中的图样为干涉图样。单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，红光的波长大于蓝光的波长，所以B项为蓝光的衍射图样。7．在一束单色光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，在光屏上得到如下四幅图样，关于光屏前传播方向上放置的装置，以下说法正确的是()A．甲是单缝、乙是双缝B．乙是双缝、丙是小圆孔C．丙是小圆孔、丁是小圆板D．甲是双缝、丁是小圆孔答案C解析衍射图样中间是亮条纹，越向两侧条纹宽度越小，干涉图样的明暗条纹宽度相等，可知题图甲是双缝干涉条纹，题图乙是单缝衍射条纹；根据圆孔衍射与圆盘衍射的区别可知，圆孔衍射的图样中央较大的区域内是亮的，周围是明暗相间的圆环，圆盘衍射的图样中间较大的区域是暗的，在暗区域中心存在一亮斑，可知题图丙是圆孔衍射图样，题图丁是圆板衍射图样，所以C正确。8．关于光的特性，下列描述正确的是()A．一束自然光通过两个相互垂直的偏振片后没有光了，说明光是纵波B．雨后路面上的油膜形成彩色的条纹，是光的衍射现象C．光照射到不透明的小圆盘上，在小圆盘背后阴影区出现泊松亮斑是光的衍射现象D．分别用单色红光和单色绿光通过同一双缝干涉装置，后者条纹间距较宽答案C解析一束自然光通过两个相互垂直的偏振片后没有光了，说明光是横波，A错误；雨后路面上的油膜形成彩色的条纹，是光的薄膜干涉现象，B错误；光照射到不透明的小圆盘上，在小圆盘背后阴影区出现泊松亮斑是光的衍射现象，C正确；红光波长较长，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，红光的条纹间距较宽，D错误。9．(多选)(2023·忻州一中期中)中国女科学家屠呦呦因发现青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖，屠呦呦也成为首位获得该奖的中国人。在研究青蒿素化学结构时，研究人员用X射线衍射的方法最终确定了其化学结构。X射线的波长比可见光的短，在做单缝衍射实验时，下列说法正确的是()A．将入射光由可见光换成X射线，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，衍射条纹间距变窄答案AC解析将入射光由可见光换成X射线，波长变小，衍射条纹间距变窄，故A正确；使单缝宽度变小，则衍射条纹间距变宽，故B错误；换用波长较长的光照射，则衍射条纹间距变宽，故C正确；增大单缝到屏的距离，则衍射条纹间距变宽，故D错误。10．关于甲、乙、丙、丁四个实验，以下说法正确的是()甲：单色光通过劈尖产生明暗条纹乙：单色光通过牛顿环产生明暗条纹丙：单色光通过双缝产生明暗条纹丁：单色光通过单缝产生明暗条纹A．四个实验产生的条纹均为干涉条纹B．甲、乙两实验产生的条纹均为等距条纹C．丙实验中，产生的条纹间距越大，该光的频率越大D．丁实验中，产生的明暗条纹为光的衍射条纹答案D解析丁实验中，单色光通过单缝产生的明暗条纹为光的衍射条纹，其他三个均为光的干涉条纹，选项A错误，D正确；牛顿环产生明暗条纹是不等距的，选项B错误；丙实验中，产生的条纹间距越大，该光的波长越大，频率越小，选项C错误。11．(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图样更清晰。如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况(如图所示)。下列说法正确的是()A．当做单缝实验时，光强分布图为乙图B．当做单缝实验时，光强分布图为丙图C．当做双缝实验时，光强分布图为乙图D．当做双缝实验时，光强分布图为丙图答案AD解析当做单缝实验时，中央是亮条纹，往两侧条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布图为题图乙，A项正确，B项错误；当做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布图为题图丙，C项错误，D项正确。12．(2022·如皋市调研)如图甲所示，每年夏季，我国多地会出现日晕现象，日晕是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射形成的。如图乙所示为一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图，a、b为其折射出的光线中的两种单色光，下列说法正确的是()A．在冰晶中，b光的传播速度较大B．用同一装置做单缝衍射实验，b光中央亮条纹更