第5节　光的衍射 教学设计

第5节光的衍射[学习目标]1．知道光的衍射现象，知道几种衍射现象的图样．2．理解光产生明显衍射的条件．(重点)3．知道衍射光栅的结构和衍射图样的特点，知道衍射光栅的两种分类．知识点1光的衍射1．定义：光绕过障碍物偏离直线传播的现象．2．产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸接近光的波长或比光的波长还小．3．单缝衍射的条纹特点(1)中央条纹为亮条纹，离中心条纹越远，亮条纹的宽度越窄，亮度越暗．(2)狭缝越窄，中央亮条纹越暗．4．圆盘衍射(泊松亮斑)(1)现象：用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑．(2)衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，与小孔衍射图样有明显区别．[判一判](1)光的衍射说明光不能沿直线传播．()(2)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．()(3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒，是光的干涉现象．()(4)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象．()(5)衍射现象中也有干涉的成分．()提示：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√[想一想]衍射和干涉条纹都是明暗相间的，两种条纹是否完全一样？提示：不一样．衍射条纹是中间最宽、最亮，从中间向两侧逐渐变窄、变暗；干涉条纹是等间距的条纹，宽度和亮度相同．知识点2衍射光栅1．结构有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件．狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越亮．2．衍射图样的特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．3．衍射光栅的种类反射光栅和透射光栅．1．(光明显衍射的条件)(多选)沙尘暴是由土地的沙化引起的一种恶劣的天气现象，发生沙尘暴时能见度只有十几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下()A．只有波长较短的一部分光才能到达地面B．只有波长较长的一部分光才能到达地面C．只有频率较大的一部分光才能到达地面D．只有频率较小的一部分光才能到达地面解析：选BD.据光明显衍射的条件，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线能到达地面，据λ＝eq\f(c,f)知，到达地面的光是频率较小的部分．2．(光的衍射)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．对着日光灯从狭缝中看到的彩色条纹解析：选D.雨后天空出现美丽的彩虹，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形成彩色光带属于光的折射现象，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．(单缝衍射)(多选)做单缝衍射实验和双缝干涉实验时，用激光比普通光源效果更好，图像更清晰．如图甲所示，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．下列说法正确的是()A．做单缝实验时，光强分布图如图乙所示B．做单缝实验时，光强分布图如图丙所示C．做双缝实验时，光强分布图如图乙所示D．做双缝实验时，光强分布图如图丙所示解析：选AD.双缝干涉条纹等间距，单缝衍射条纹一定不等间距，即中央宽、两边窄的明暗相间的条纹．若做单缝实验时，光强分布图如图乙所示，故A正确，B错误；若做双缝实验时，光强分布图如图丙所示，故C错误，D正确．4．(物理光学综合问题)(多选)下列说法正确的是()A．光纤通信利用了全反射的原理B．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的衍射造成的C．障碍物的尺寸比光的波长大得多时，一定不会发生衍射现象D．人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的单缝衍射图样解析：选AD.光纤通信是利用了光的全反射原理制成的，故A正确；水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由油膜的上下表面反射的光相遇后叠加形成的，属于光的干涉，故B错误；障碍物的尺寸比光的波长大得多时，也会发生衍射现象，只不过不明显，故C错误；人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的衍射图样，故D正确．探究一对光的衍射现象的理解【问题导引】如图所示，是用光射到一个不透光的小圆形障碍物上形成的影，影的中心有一个圆形的亮斑，你知道这是怎样形成的吗？提示：光的衍射1．光的衍射(1)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．(2)光是一种波光的干涉现象表明光是一种波，由于衍射是波的特点，则光能够发生衍射，因此，光能够绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区而传播，即发生衍射现象．(3)可见光的波长范围是4.0×10－7～7.6×10－7m，由发生明显衍射现象的条件可知，光的衍射现象不易观察．2．两种不同的衍射现象(1)单缝衍射①单色光的单缝衍射图样是明暗相间、亮度越来越暗且不等距的条纹，中央是亮纹，亮度大，宽度也大；波长越长，条纹间距越大，中央亮纹越宽；②白光的单缝衍射图样中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央亮纹的色光是紫光，最远离中央亮纹的色光的是红光．(2)泊松亮斑——障碍物的衍射现象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．若在单色光传播途中，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．【例1】(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝时产生的条纹相同，则下列描述正确的是()A．这是利用光的干涉现象B．这是利用光的衍射现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了[解析]题述现象符合光的衍射产生的条件，故B正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故D也正确．[答案]BD[针对训练1](多选)对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是()A．只有障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性解析：选ABD.光的衍射现象说明了光具有波动性，而小孔成像说明了光沿直线传播，要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的(只有在光的波长比障碍物小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的)，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故C错误，A、B、D正确．探究二单缝衍射与双缝干涉的比较【问题导引】在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中，哪些属于光的单缝衍射图样？哪些属于光的干涉图样？提示：单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉图样，b、d是单缝衍射图样，c是水波的衍射图样．单缝衍射与双缝干涉的比较名称项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多频率、振动方向相同，相位差恒定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，越靠外条纹间距越小各相邻条纹等间距亮度中间条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相同相同点成因干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果意义干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波特别提醒：(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列．(2)光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大．(3)复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加．【例2】(多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图．先做操作1：用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ；接着再做操作2：用不透明的挡板挡住b缝．若两块滤光片一块是红色，一块是蓝色，则()A．完成操作1后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是红色条纹，乙是蓝色条纹B．完成操作1后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是蓝色条纹，丁是红色条纹C．完成操作2后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是蓝色条纹，乙是红色条纹D．完成操作2后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹[解析](b)图中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样；(c)图为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹．操作1是双缝干涉实验，故条纹间距相等，光屏上出现(b)图案，由图案知甲的波长大于乙的波长，故甲为红色条纹，乙是蓝色条纹，操作2是单缝衍射，条纹间距不相等，光屏上为(c)图案，再结合波长关系可知丙是红色条纹，丁是蓝色条纹，故A、D正确，B、C错误．[答案]AD[针对训练2]关于甲、乙、丙三个光学现象，下列说法正确的是()甲：激光束通过双缝产生明暗条纹乙：单色光通过劈尖空气薄膜产生明暗条纹丙：激光束通过细丝产生明暗条纹A．三个现象中产生的明暗条纹均为干涉条纹B．甲中，双缝的间距越大，条纹间距越小C．乙中，若被检查平面上有个凹陷，此处对应条纹会向右凸出D．丙中，如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变细了解析：选B.丙为衍射条纹，故A错误；根据单色光双缝干涉间距公式Δx＝eq\f(L,d)λ知双缝的间距越大，条纹间距越小，故B正确；乙中，若被检查平面上有个凹陷，则此处光程差变大，会提前出现亮条纹，所以条纹会向夹角处弯曲，即此处对应条纹会向左凸出，故C错误；衍射条纹的宽窄与狭缝的宽窄有关，狭缝越窄，条纹越宽，即如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变粗了，故D错误．(建议用时：20分钟)[基础巩固练]1．如图所示的四个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样()解析：选B.由泊松亮斑衍射图样特点可知B正确．2．(多选)关于光的衍射现象，下列说法正确的是()A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B．白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射解析：选AC.红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹，光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮点，是衍射现象，光的衍射现象只有明显与不明显之分，D中大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．3．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2mm逐渐增大到0.8mm，看到的现象是()A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强D．以上现象都不会发生解析：选A.由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大．本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展，故A正确，B、C、D错误．4．在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观看远处的线状白炽灯丝(灯管或灯丝都要平行于狭缝)，可以看到()A．黑白相间的直条纹 B．黑白相间的弧形条纹C．彩色的直条纹 D．彩色弧形条纹解析：选C.白炽灯发出的是复色光，其中各种色光的波长不同，产生的衍射条纹间距不同，各单色光相互叠加，形成彩色直条纹．5．(多选)下列现象中，属于光的衍射现象的是()A．点光源照射一个障碍物时，在后面屏上所成的阴影的边缘模糊不清B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹C．海市蜃楼D．光导纤维解析：选AB.A、B为光的衍射现象；C海市蜃楼为光的折射和全反射现象；D为光的全反射现象．[综合提升练]6．(多选)关于衍射，下列说法正确的是()A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在衍射现象C．一切波都很容易发生明显的衍射现象D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实解析：选AB.衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过两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接近波长．7．(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：选ACD.当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即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，衍射条纹间距越大；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A、C、D正确．8.某同学自己动手制作如图所示的装置观察光的干涉现象，其中A为单