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新人教版 高中物理 选择性 必修一
第四章　光
第 5 课 光的衍射
导入与思考
既然光也是一种波，为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说“光沿直线传播”呢？
我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射。例如声音能绕过障碍物。
学习目标
知道衍射、衍射光栅在生产生活及科学技术中的应用，了解科学、技术和社会的关系。
01
02
03
了解光的衍射概念及产生明显衍射现象的条件。
通过光的衍射的学习，对光的直线传播现象提出质疑，会从不同角度思考物理问题
知识点 1
光的双缝干涉
在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。
光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射现象。
衍射时产生的明暗条纹叫衍射图样。
缝足够窄时，光不再沿直线传播
光的明显衍射条件：障碍物或孔的尺寸小于波长或者和波长差不多
探究思考
光和声音都能发生衍射，但为什么《红楼梦》里的王熙凤出场时，总是先听见她的声音，却看不到她的人呢？
因为声音的波长比光的波长大的多，更容易发生明显衍射，即更容易绕过障碍物向前传播。
那各种颜色的光波衍射图象一样吗？
单缝衍射
单色光单缝衍射图样的特点：
1.条纹不等间距；
2.中央条纹亮而宽；
3.两侧条纹较暗较窄，对称分布；
4.波长一定时，单缝越窄，现象越明显。
不同波长光的衍射图样：
① 单缝不变，波长越大，衍射越明显，中央亮纹越宽。
②白光的单缝衍射条纹为中央亮，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色．
不同色光的单缝衍射
归纳对比
干涉条纹与衍射条纹的区别
干涉：等距的明暗相间的条纹，亮条纹的亮度向两边减弱较慢。
衍射：中央有一条较宽亮条纹，两边是对称明暗相间的条纹，亮条纹的亮度向两边减弱得很快。
（双缝）干涉图样 （单缝）衍射图样
双缝间距越小，条纹间距越大 单缝宽度越小，条纹间距越大
（单色光）波长越小，条纹间距越小 （单色光）波长越小，条纹间距越小
单色光形成明暗条纹，白光形成彩色条纹 单色光形成明暗条纹，白光形成彩色条纹
例1.（2022·上海·模拟预测）在单缝衍射实验中，仅减小单缝的宽度，则屏上（　　）
A．条纹变宽，光强增强 B．条纹变窄，光强增强
C．条纹变宽，光强减弱 D．条纹变窄，光强减弱
典型例题
【答案】C
【详解】在单缝衍射实验中，单缝的宽度越小，衍谢现象越明显，条纹的间距越大；狭缝的宽度越小，通光量越小，视野的亮度会变暗，光强越弱，故仅减小单缝的宽度，条纹会变宽，光强减弱，故ABD错误，C正确。
故选C。
变 式
1　．（2022·四川省蒲江县蒲江中学高二阶段练习）如图所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、紫光各自通过同一个双缝干涉仪器和同一个单缝衍射仪器后形成的干涉图样和衍射图样（黑色部分表示亮条纹）。关于这4幅图样，下列说法正确的是（　　）
A．图样甲为红光的干涉图样 B．图样乙为紫光的干涉图样
C．图样丙为红光的衍射图样 D．图样丁为紫光的衍射图样
【答案】A
【详解】干涉图样为等间距的，因为红光波长比紫光的长，所以由 ，知紫光的间距较小，所以图样甲为红光的干涉图样，图样丙为紫光的干涉图样。衍射图样为中间宽两侧窄的特点，且波长越长，衍射现象越明显，故图样乙为紫光的衍射图样，图样丁为红光的衍射图样。故选A。
圆孔衍射
孔较大时——屏上出现清晰的光斑
S
孔较小时——屏上出现衍射花样（亮暗相间的不等间距的圆环，这些圆环的范围远远超过了光沿直线传播所能照明的范围）。
S
原因:来自单缝或圆孔上不同位置的光，在屏上叠加的结果.
归纳对比
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．
圆孔衍射现象
探究思考
光遇到不透明的障碍物会出现什么情况呢？是否可以绕过障碍物呢，跑到影子里面去呢？
圆盘衍射
不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，历史上曾有一个著名的衍射图样——泊松亮斑．
实验：在光束中放一个不透明圆盘
现象：在不透明圆盘的阴影后面，出现了一个亮斑。
中心有小亮斑
归纳对比
圆孔衍射
圆盘衍射
圆盘和小圆孔的衍射图样对比
相同点：均是明暗相间的光环,中心均有亮斑
不同点：
①圆孔衍射中心亮斑较大,而泊松亮斑较小；
②圆孔衍射亮环或暗环间距随半径增大而增大,圆盘衍射亮环或暗环间距随半径增大而减小；
③圆孔衍射的背景是黑暗的,而圆盘衍射图样中的背景是明亮的。
光的衍射现象
不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，以至使影的轮廓模糊不清，其原因是光通过物体的边缘而发生衍射的结果．
圆屏衍射
圆孔衍射
钢针的衍射
例2.（2022·全国·高三练习）4.某次光的衍射实验中，观察到如图所示的明暗相间的图样，则障碍物为( )
A. 很小的不透明圆板
B. 中间有较小圆孔的不透明挡板
C. 很大的不透明圆板
D. 中间有较大圆孔的不透明挡板
典型例题
【答案】B
【详解】A、用光照射很小的不透明圆板时后面出现一亮点，即泊松亮斑，故A错误。B、用光照射中间有较小圆孔的不透明挡板时是明暗相间的衍射图样，故B正确。C、很大的不透明圆板时后面是一片阴影，故C错误。D、在做衍射实验中，如果不透明挡板中间的圆孔比较大时，不会发生衍射现象，或者衍射现象不明显，观察不到明暗相间的图样，故D错误。
变 式
2　．（2022·湖北武汉·高二期末）用如图甲所示装置做圆孔衍射实验，在屏上得到的衍射图样如图乙所示，实验发现，光绕过孔的边缘，传播到了相当大的范围。下列说法正确的是（ ）
A．此实验说明了光不沿直线传播且具有粒子性
B．用不同波长的光做实验，衍射图样完全相同
C．若只将圆孔变小，则中央亮斑和亮纹的亮度反而变大
D．若只将圆孔变小，则屏上得到的衍射图样的范围将会变大
【答案】D
【详解】A．此实验说明了光的衍射现象，且光具有波动性，A错误；B．用不同波长的光做实验，衍射图样并不相同，因为波长越长，对同一圆孔而言，衍射现象越明显，B错误；C．圆孔变小，透光强度变小，中央亮斑和亮纹的亮度变弱，C错误；D．圆孔变小，衍射现象更明显，衍射图样的范围反而变大，D正确。故选D。
知识点 2
衍射光栅
1.结构由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．
2.衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．
科 学 漫 步
泊松亮斑趣事
1818 年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。
当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。
但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑
（图 ），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有
意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，也称为阿拉果亮斑。
科 学 漫 步
X 射线衍射与双螺旋
1912 年，德国科学家劳厄观测到了这种衍射现象。在当时人们并不确信 X 射线是一种电磁波，也不确信晶体是由周期性排列的原子组成的。劳厄的观测，同时证实了 X射线的波动性和晶体内部的原子点阵结构，被爱因斯坦誉为物理学中最美的实验。劳厄因
此获得了 1914 年诺贝尔物理学奖。之后，英国物理学家
布拉格父子深入研究了利用 X 射线测量和分析晶体结构
的方法。他们的工作奠定了这一技术的实验和理论基础，
为此，布拉格父子共同获得了 1915 年诺贝尔物理学奖。
科 学 漫 步
X 射线衍射与双螺旋
今天，X 射线衍射已经成为人们探测晶体和大分子结构的标准技术手段之一，被广泛应用于物理学和生物学等许多领域。这一技术所带来的最重要成果之一，就是 DNA 双螺旋结构的发现。
在 20 世纪 50 年代，生物学家已经知道 DNA 是细胞中携带遗传信息的物质，下一步就是要搞清楚 DNA 的结构，从而确定它的化学作用。从 1951 年开始，英国物理学家威尔金斯和富兰克林研究了 DNA 对 X 射线的衍射，获得了一系列 DNA 纤维的X 射线衍射图样（图 ）。英国卡文迪什实验室（主任为小布拉格）的美国生物学家沃森和英国生物学家克里克则根据这些
数据提出了 DNA 的双螺旋结构模型。这是生物学史上划时代的事件。它宣
告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。沃森、克里克
和威尔金斯因此获得了 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖。
1.（2022·甘肃·庆阳第六中学高二期末）下列所示的图片、示意图大都来源于课本，关于这些图的判断，下列说法正确的是（　　）。
A．图1是圆盘衍射的图样，图2为“泊松亮斑”
B．图1为“泊松亮斑”，图2是小孔衍射的图样
C．图3是双缝干涉图样，图4是单缝衍射图样
D．图3是单缝衍射图样，图4是双缝干涉图样
课堂练习
【答案】C
【详解】AB．“泊松亮斑”是“小圆盘”产生的衍射现象，形成的衍射图样是阴影中心有一个“亮斑”，而小孔衍射的图样是中间有“亮斑”，无阴影，故AB错误；CD．丙图很明显是双缝干涉的图样，因干涉图样中的条纹间距是相等的，单缝衍射图样中的条纹间距是不相等的，中间最宽、最亮，丁图是单缝衍射图样，故C正确，D错误。故选C。
2.（2022·陕西西安·高二期末）下列现象中属于衍射现象的是（　　）
A．马路上积水的油膜的彩色 B．肥皂膜上出现的彩色条纹
C．雨后天空出现彩虹 D．对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹
【答案】D
【详解】A．马路上积水的油膜的彩色是光在油膜的上下两个表面分别发生反射，两列反射光在油膜的上表面发生薄膜干涉形成的彩色，是干涉现象，故A错误；B．肥皂膜上出现的彩色条纹是光在肥皂薄膜的里外表面分别发生反射，两列反射光在外表面发生叠加干涉形成彩色条纹，这是光的薄膜干涉现象，故B错误；C．雨后天空出现彩虹是光被小水珠反射后出现的色散现象，故C错误；D．对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹，是光的单衍射现象，故D正确。故选D。
3.（2022·全国·高二课时练习）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（如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
【详解】A．由题意知条纹的形成属单缝衍射，并非运用光的直线传播规律，而是利用光的衍射现象，A错误B．单缝衍射现象，其原理是利用光的衍射现象，B正确；C．由单缝衍射知缝变窄而条纹宽度变宽，故如果屏上条纹变宽，表明细丝变细了，C错误；D．屏上条纹变宽，表明细丝细了，D正确。故选BD。
4.（2022·山西省翼城中学校高二期末）对如图所示的图片、示意图或实验装置图，下列判断正确的是（　　）
A．甲图中的“泊松亮斑”是小孔衍射的结果
B．乙图是利用薄膜干涉来检测玻璃板的平整程度
C．丙图是双缝干涉示意图，若P到s1、s2的路程差是半波长的偶
数倍，则P处出现亮条纹
D．丁图是薄膜干涉现象的实验装置图，在铁丝圈上的肥皂膜上出
现的是竖直条纹
【答案】BC
【详解】A．“泊松亮斑”是小圆盘产生的衍射现象，形成的衍射图样是阴影中心有一个“亮斑”，A错误; B．乙图是薄膜干涉的应用，用来检测平面的平整程度。若干涉条纹是直的干涉条纹则表明平面平整，B正确；C．丙图是双缝干涉示意图，若P到s1、s2的路程差是半波长的偶数倍，则P处出现亮条纹，若P到s1、s2的路程差是半波长的奇数倍，则P处出现暗条纹，C正确；D．丁图是薄膜干涉现象的实验装置图，在铁丝圈上的肥皂膜上出现的是水平干涉条纹，D错误。故选BC。
课堂总结
光的衍射
光的衍射
衍射现象：光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里去的现象。
衍射条件：缝的尺寸接近波长或比波长还要小。
衍射图样
单缝衍射
圆孔衍射
泊松亮斑
衍射光栅

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