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第四章 光
第5节 光的衍射
知识点1光的衍射
［生活实例］我们知道有同学在教室里讲话，教室外的同学也能听到，这是声波的衍射现象。光也是一种波，但在生活中我们基本观察不到光的衍射现象，这是为什么呢？
1、光的衍射现象
光通过很小的狭缝时，偏离了直线传播方向，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方，形成明暗相间的条纹或光环，这就是光的衍射现象。
2、产生明显衍射现象的条件
障碍物的尺寸可以跟光的波长相比或比光的波长还要小时能产生明显的衍射现象，对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；相对于某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显。由于波长越长，光的衍射性越好，所以要观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多。
3、单缝衍射图样的四个特点
（1）中央条纹亮而宽。
（2）两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱。
（3）波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，各条纹间距大。
（4）白光的单缝衍射中，中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。
提醒
理解光的衍射现象，应包括产生明显衍射现象的条件、衍射现象的实质、衍射现象是波动性的体现和衍射图样的特点
例题：
1、（多选）对光的衍射现象的定性分析，下列描述中正确的是（　　）
A．只有障碍物尺寸小时，光才会发生衍射现象
B．衍射现象是光波互相叠加的结果
C．光的衍射否定了光的直线传播的结论
D．光的衍射为光的波动说提供了有力的证据
2、在单缝衍射实验中，下列说法不正确的是（　　）
A．将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄
B．若单缝宽度变小，则衍射条纹间距变窄
C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D．当光的波长大于缝的宽度时，能产生明显的衍射现象
知识点2三种衍射的比较
1、单缝衍射
现象：如图所示，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、区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象。
2、圆孔衍射
（1）现象：如图所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图甲所示的情形；
当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现图乙所示的衍射图样，出现亮暗相间的圆环。
（2）圆孔衍射图样的两个特点：
①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外，亮环亮度越低；
②白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。
3、泊松亮斑—障碍物的衍射现象
（1）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。
（2）障碍物的衍射图样特点：
圆形阴影中心有一亮斑，与小孔衍射图样有明显的区别。
［说明］
（1）衍射是波的特有的现象，一切波均能发生衍射现象。
（2）光遇小孔、单缝或障碍物时，衍射现象只有明显不明显之分，没有发生不发生之别。
（3）可见光的波长范围：400nm～760nm，因此光的衍射现象不易观察到。
例题：
1、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，明暗相间的条纹，直至黑白色条纹消失
D．由大变小的三角形光斑，小圆形光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
2、太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色，瀑布在阳光下呈现的彩虹以及通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹，这些现象分别属于（　　）
A．光的干涉、色散和衍射现象
B．光的干涉、衍射和色散现象
C．光的衍射、色散和干涉现象
D．光的衍射、干涉和色散现象
知识点3衍射光栅和衍射的应用
1、定义
由许多等宽的狭缝等距离地排列形成的光学元件，用它更易观察、分析衍射现象。
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、种类
透射光栅、反射光栅。
4、光通过衍射光栅形成的图样
形成明暗相间的衍射条纹且较亮。形成原因是光栅的每一条狭缝都能在接收屏上的对应位置产生单缝衍射图样，由于不同狭缝产生的光是相干的，必定产生干涉，形成明暗相间的条纹。所以，在接收屏上得到的光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。
5、衍射的应用
交通信号灯用红灯作为停止信号。
交通信号停止信号灯之所以选择红色，一方面，是因为我们的眼睛对红色比较敏感，其敏感度超过蓝色或绿色；另一方面主要是因为在可见光中红色光的波长最长，波动性较强，容易发生衍射绕过水雾和烟尘。而其他的光波波长较短，容易受到空气中浮动的粒子扰乱，因此红光比其他各种颜色的光更容易透过空气传到远方。
例题：
（多选）沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄变暗，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
能力拓展 区分衍射条纹与干涉条纹的方法
项目 单缝衍射 双缝干涉
不同点 产生条件 只要障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多，任何光都能发生明显的衍射现象 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，中央条纹最宽 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 中央条纹最亮，两边变暗 条纹清晰，亮度基本相等
相同点 成因 干涉、衍射都有明暗相间的条纹，这些条纹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
例题：
如图所示的4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（白色部分表示亮纹）。则在下面的四个图中从左往右排列，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
易错防范：
在一次观察光衍射的实验中，观察到如图所示的清晰的明暗相间图样那么障碍物应是（黑线为暗纹）（　　）
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．很大的不透明圆板
D．很大的中间有小圆孔的不透明圆板
高考真题：
题型1光的衍射条件的理解
（1）细丝和单缝有相似的衍射图样。在相同条件下，小明用激光束分别垂直照射两种不同直径的细丝Ⅰ和细丝Ⅱ，在光屏上形成的衍射图样如图1中a和b所示。已知细丝Ⅰ的直径为0.605mm，现用螺旋测微器测量细丝Ⅱ的直径，如图2所示，细丝Ⅱ的直径为 mm．图1中的 （填“a”或“b”）是细丝Ⅱ的衍射图样。
（2）小明在做“用双缝干涉测量光的波长”实验时，尝试用单缝和平面镜做类似实验。单缝和平面镜的放置如图3所示，白炽灯发出的光经过滤光片成为波长为λ的单色光照射单缝，能在光屏上观察到明暗相间的干涉条纹。小明测得单缝与镜面延长线的距离为h，与光屏的距离为D，则条纹间距△x= 。随后小明撤去平面镜，在单缝下方A处放置同样的另一单缝，形成双缝结构，则在光屏上 （填“能”或“不能”）观察到干涉条纹。
题型2干涉和衍射图样的区别及产生原因
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
课后训练
1、如图所示的四个图样中哪个是著名的泊松亮斑（　　）
A． B．
C． D．
2、对衍射现象的定性分析，不正确的是（　　）
A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象
B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果
C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据
D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论
3、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
4、某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为0.05mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是（　　）
A． B．
C． D．
5、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。现在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的条纹，只是明条纹比原来暗些
B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而且中央明条纹比两侧的宽些
C．只有一条与缝宽对应的明条纹
D．无条纹，只存在一片红光
6、（多选）下列说法正确的是（　　）
A．增加光栅的狭缝的个数，亮条纹变窄
B．增加光栅的狭缝的个数，亮条纹变宽
C．增加光栅的狭缝的个数，条纹亮度变暗
D．增加光栅的狭缝的个数，条纹亮度变亮
7、（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度的狭缝组成的
B．衍射光栅分为透射光栅和反射光栅两类
C．透射光栅中刻痕的部分相当于透光的狭缝
D．透射光栅中未刻痕的部分相当于透光的狭缝
8、某同学利用图（甲）所示的装置研究光的干涉和衍射，光电传感器可用测量光屏上光强的分布．某次实验时，在电脑屏幕上得到图（乙）所示的光强分布，这位同学在缝屏上安装的是 （选填“单缝”或“双缝”）．当作干涉现象研究时，若要使干涉条纹的间距变大，可选用宽度较 的双缝（选填“宽”或“窄”），或使缝屏与光屏间的距离 （选填“增大”或“减小”）．

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