物理课件：光的衍射

第3节光的衍射必备知识·素养奠基一、衍射现象【思考】

如图甲、乙所示是单色光通过窄缝后形成明暗相间的两种条纹图样,哪个图为单缝衍射的图样?提示:甲图,甲图中的条纹宽度不等,中央宽,两侧窄,应为单缝衍射图样。乙图中的条纹等宽等距,应为双缝干涉图样。1.光的衍射:如图所示,用点光源照射开有圆孔的不透光的板,当圆孔足够小时,从屏上观察到,在亮斑之外出现了_________的圆环,说明光的传播已经绕到原来应该是阴影的范围之内,这种现象称为光的衍射。明暗相间2.光的明显衍射的条件:当障碍物或孔的尺寸接近光的_____时,衍射才是明显的。3.光的衍射与光的直线传播的关系:(1)只有当孔、缝或障碍物的大小比_____大很多时,光才是近似沿直线传播。(2)当障碍物尺寸与光的_____相近时,衍射现象十分明显,这时就不能说光沿直线传播了。波长波长波长二、衍射对分辨本领的影响1.一个光学仪器的分辨率本领,就是这个仪器能够把彼此靠近的_________分离开来的能力。2.光学仪器上用的透镜就相当于一个圆孔。透镜的_____越小,产生的衍射现象越明显,分辨本领就越低。物体的像直径三、衍射光栅1.结构:在两个螺杆上绷上许多_____的细金属线,或者在玻璃上刻上许多__________。2.种类:种类繁多,最常见的是_____光栅和_____光栅。3.衍射图样的特点:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度_____,亮度_____。平行均匀细槽透射反射变窄增加关键能力·素养形成一三种衍射图样的比较1.单缝衍射图样:(1)中央条纹最亮,越向两边越暗;条纹间距不等,越靠外,条纹间距越小。(2)缝变窄,则通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮纹的亮度降低。(3)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关,入射光波长越大,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。(4)用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,两边是彩色条纹,中央亮条纹仍然最宽最亮。2.圆孔衍射图样:(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)圆孔越小,中央亮斑的直径越大,同时亮度越弱。(3)用不同色光照射圆孔时,得到的衍射图样的大小不同,波长越大,中央圆形亮斑的直径越大。(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)圆孔由大到小时图样变化: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的现象——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.不透明的小圆板衍射图样:(1)中心为亮斑(泊松亮斑),周围分布着明暗相间的同心圆环。与圆孔衍射相比,泊松亮斑较小。(2)圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小,而圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大。(3)不透明小圆板衍射图样的外侧是明亮的,而圆孔衍射图样的外侧是黑暗的。【思考·讨论】取3块不透光的板,在每块板的中间各开1个圆孔,3块板所开的圆孔大小不一。先用点光源照射圆孔最大的那块板,在屏上会出现一个明亮的圆形光斑,如图(a);再换上圆孔中等的那块板,在屏上会出现图(b);最后用圆孔最小(直径约为1mm)的那块板,在屏上会出现图(c)。 (物理观念)(1)屏上图(b)产生了什么现象?(2)比较屏上图(b)和图(c),说明了什么?提示:(1)衍射现象。(2)孔越小,衍射现象越明显。【典例示范】在一次观察光的衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样,那么障碍物应是(黑线为暗线) (

)A.很小的不透明的圆板B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C.很大的不透明的圆板D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板【解析】选D。图样为清晰的衍射图样,故B错;图样中心为小亮斑,有明暗相间的衍射图样,图样外侧是黑暗的,说明障碍物为D,故D正确,A错误;若为C,则图样为大暗斑,只是边缘稍模糊,故C错误。【误区警示】小圆板衍射与圆孔衍射的比较(1)小圆板衍射与圆孔衍射均是明暗相间的圆形条纹,中心均有亮斑。(2)圆孔衍射图样中心亮斑较大,而泊松亮斑较小。(3)圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大,小圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小。(4)圆孔衍射图样的外侧是黑暗的,而小圆板衍射图样的外侧是明亮的。【素养训练】1.(多选)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,观察激光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化(

)A.这里应用的是光的衍射现象B.这里应用的是光的直线传播性C.这里应用的是光的干涉现象D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细【解析】选A、D。当障碍物的尺寸与波的波长相当,或小于波的波长,会发生明显的衍射,该装置的原理是运用光的衍射现象,如果屏上条纹变宽,则说明衍射现象更加明显,可知金属丝变细。故B、C错误,A、D正确。2.(多选)在观察光的衍射实验中,分别观察到如图甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样,图中黑线为暗纹。那么障碍物应是 (

)A.乙图对应的是很小的不透明圆板B.甲图对应的是很大的不透明圆板C.乙图对应的是很大的中间有大圆孔的不透明挡板D.甲图对应的是很大的中间有小圆孔的不透明挡板【解析】选A、D。比较两图,它们的背景明显不同,甲图的背景为黑色阴影,说明障碍物应是很大的不透明挡板,中间有透光并且带有衍射图样的花纹,说明挡板的中间有小圆孔,D项正确;乙图的背景为白色,说明周围没有障碍物,中间有不透光圆形阴影,并且带有衍射图样的花纹,说明中间存在很小的不透明圆板,乙图正中央的小亮点是泊松亮斑,A项正确。【补偿训练】关于光的衍射现象,下列说法中正确的是 (

)A.只有当光的波长等于障碍物或小孔的尺寸时,才会产生光的衍射现象B.当光的波长大于障碍物尺寸时,完全不产生衍射现象C.发生小孔衍射时,若减小小孔直径,条纹变亮D.发生小孔衍射时,若略微增大小孔直径,条纹变亮【解析】选D。光离开直线传播的路线绕到障碍物的阴影里去的现象叫作光的衍射。任何障碍物都可以使光产生衍射,但当障碍物或孔的尺寸跟光的波长相差不多或小于光的波长时,将产生明显的衍射现象,故选项A、B均错;当发生小孔衍射时,孔的直径越小,衍射现象越明显,但由于通过孔的光的能量少,故条纹将变暗,故选项C错,选项D正确。二光的单缝衍射和双缝干涉的比较1.单缝衍射和双缝干涉的相同点:(1)都是波特有的现象,表明光是一种波。(2)都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果。2.单缝衍射和双缝干涉的不同点:名称项目单缝衍射双缝干涉产生条件只要狭缝足够小,任何光都能发生频率相同,振动方向一致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,两边逐渐变暗条纹清晰,亮度基本相等【思考·讨论】在太阳光照射下肥皂膜呈现彩色,通过狭缝观察发光的日光灯时看到彩色条纹。这两种现象分别属于光的何种现象? (科学探究)提示:在太阳光照射下肥皂膜呈现彩色是薄膜干涉;通过狭缝观察发光的日光灯时看到彩色条纹是光的衍射。【典例示范】关于光的干涉和衍射现象,下列说法正确的是 (

)A.光的干涉现象遵循波的叠加原理,衍射现象不遵循波的叠加原理B.光的干涉条纹是彩色的,衍射条纹是黑白相间的C.光的干涉现象说明光具有波动性,光的衍射现象不能说明这一点D.光的干涉和衍射现象都是光波叠加的结果【解析】选D。从成因分析,光的干涉现象、衍射现象都是光波叠加的结果,两者都表明光是一种波,故A错误,D正确;从条纹特点看,虽然条纹宽度、间距方面两者有所区别,但单色光的干涉条纹、衍射条纹都是明(由单色光的颜色决定)暗相间的,白光的干涉条纹、衍射条纹都是彩色的,故B错误;干涉与衍射都是波特有的现象,所以光的衍射与干涉都说明光具有波动性,故C错误;故选D。【规律方法】区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法(1)根据条纹的宽度区分:双缝干涉的条纹是等宽的,条纹间的距离也是相等的,而单缝衍射的条纹,中央亮条纹最宽,两侧的亮条纹逐渐变窄。(2)根据亮条纹的亮度区分:双缝干涉条纹,从中央亮纹往两侧亮度变化很小,而单缝衍射条纹中央亮纹最亮,而两侧的亮纹逐渐变暗。【素养训练】1.(2019·北京高考)利用图1所示的装置(示意图),观察光的干涉、衍射现象,在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是 (

)A.甲对应单缝,乙对应双缝B.甲对应双缝,乙对应单缝C.都是单缝,甲对应的缝宽较大D.都是双缝,甲对应的双缝间距较大【解析】选A。单缝衍射图样为中央亮条纹最宽最亮,往两边变窄,双缝干涉图样是明暗相间的条纹,条纹间距相等,条纹宽度相等,结合图2甲、乙可知,甲对应单缝,乙对应双缝,故A正确,B、C、D错误。2.(多选)用单色光做双缝干涉实验和单缝衍射实验,比较屏上的条纹,下列说法中正确的是 (

)A.双缝干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹B.单缝衍射条纹是中央宽、两边窄的明暗相间的条纹C.双缝干涉条纹是中央宽、两边窄的彩色条纹D.单缝衍射和双缝干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹【解析】选A、B。双缝干涉条纹是明暗相间的等间距条纹,A项符合题意;单缝衍射条纹是中央最宽、两侧逐渐变窄的明暗相间的条纹,B项符合题意;双缝干涉中单色光形成明暗相间的等间距条纹,白光形成彩色条纹,C项不符合题意;单缝衍射条纹不是等间距的明暗相间的条纹,选项D不符合题意。【补偿训练】

1.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.形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长短D.形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长短【解析】选A。由图样可得甲和乙是等间距的,丙和丁是不等间距的且中间最宽,所以甲和乙是干涉条纹,丙和丁是衍射条纹,A正确,B错误;其中甲比乙的条纹间距大,故形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长,C项错;丙比丁的条纹间距大,形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长,D项错。2.下列属于光的衍射现象的是 (

)【解析】选A。通过一个狭缝观察单色光可看到明暗相间的条纹,属于单缝衍射,故A正确;用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的干涉现象,故B错误;发现肥皂薄膜上出现明暗相间条纹,属于光的干涉,故C错误;光通过三棱镜是光的折射现象,故D错误。【拓展例题】考查内容:光的衍射在生活中的应用

【典例】点光源照在一个剃须刀片上,在屏上形成了它的影子,其边缘较为模糊,原因是 (

)A.光的反射 B.光强太小C.光的干涉 D.光的衍射【解析】选D。光绕过障碍物偏离直线传播的现象叫衍射,点光源照在一个剃须刀片上,在屏上形成了它的影子,其边缘较为模糊,是光的衍射现象。故选项D正确。【课堂回眸】课堂检测·素养达标1.医生诊病时用一种俗称“B超”的仪器探测人体内脏的位置,发现可能的病变。这种仪器通过它的探头不断向人体发出短促的超声波(频率很高,人耳听不到的声波)脉冲,超声波遇到人体不同组织的分界面时会反射回来,又被探头接收。这些信号经电子电路处理后可以合成体内脏器的像,医生分析这些影像,做出医学诊断。这样的仪器使用超声波而不用普通的声波的原因是 (

)A.因为超声波波长更小,不容易发生衍射B.因为超声波波长更小,更容易发生衍射C.因为超声波波长更大,不容易发生衍射D.因为超声波波长更大,更容易发生衍射【解析】选A。因为超声波频率很高,所以波长比较小,在遇到障碍物时不容易发生衍射,使得影像比较清楚,故A对,B、C、D错;故选A。2.如图甲,让激光束通过一个狭缝,观察到光屏上出现单色条纹图样。现保持激光器与狭缝的距离不变,将光屏向狭缝处适当移动,下面关于本实验说法正确的是 (

)A.将会观察到乙图样B.光屏上条纹更宽C.移动后,条纹变得模糊D.该现象说明光具有波动性【解析】选D。让激光束通过一个狭缝,观察到光屏上出现单色条纹图样是光的衍射图样,衍射条纹的中央亮条纹的宽度最大,将会观察到丙图样;当保持激光器与狭缝的距离不变,将光屏向狭缝处适当移动,光屏上条纹更窄,条纹变得清晰;光的衍射现象说明光具有波动性,故选项D正确,A、B、C错误。3.用单色光分别通过小圆板与小圆孔做衍射实验时,在光屏上得到衍射图样,它们的特点是 (

)A.用前者做实验时中央是暗的,用后者做实验时中央是亮的B.用前者做实验时中央是亮的,用后者做实验时中央是暗的C.中央均为亮点的同心圆形条纹D.中央均为暗点的同心圆形条纹【解析】选C。前者为障碍物小圆板的衍射,障碍物后的阴影中央是一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,是光绕过小圆板的边缘后在中央叠加后形成的,在亮斑的周围有一个大的阴影区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆