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(共35张PPT)
4.5 光的衍射
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
4.5 光的衍射
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.观察光的衍射现象,认识衍射条纹的特点。 2.知道光产生明显衍射的条件。 3.知道光沿直线传播是一种近似规律 能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析
4.5 光的衍射
导入与思考
光的干涉现象反映了光的波动性，说明光是一种波，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。
【回顾】波发生明显衍射现象的条件
条件：狭缝、障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长差不多
提问：为什么我们一般都说光沿直线传播呢？
原因：狭缝、障碍物的尺寸相比于光的波长太大了
思考：你觉得怎样才能观察到光的衍射？
1.用平行光照射狭缝，当狭缝较宽时，在光屏上会分别看 现象，说明了光沿 传播 。
实验现象：
一个光点
直线
2.用平行光照射狭缝，当狭缝较窄时，在光屏上会分别看 现象，说明了光发生了 现象 。狭缝越窄，现象越 。
明暗相间的条纹
衍射
明显
（但亮度将有所降低）
2.单缝衍射条纹特征
②中央 纹 而 。
③两侧条纹具有 性，亮纹较 、较 。
新课讲授
一、光的衍射
光离开直线路径绕过障碍物阴影里去的现象。
1.光的衍射：
① 的条纹；
④间距 。
明暗相间
亮
宽
亮
对称
窄
暗
不相等
波长一定时，单缝越窄，现象越 ，中央条纹越 ，各条纹间距越 。
明显
宽
大
红光波长：0.65mm
不同宽度单缝衍射条纹的特征
不同色光单缝衍射条纹的特征
单缝不变时，波长越 的（ 光）衍射现象越明显，中央亮纹越宽，条纹间隔越大．
长
红
白光的单缝衍射条纹为中央 色亮条纹，两侧为 色条纹，且外侧呈 色，靠近光源的内侧为 色．
白
彩
红
紫
3.明显衍射的条件：
障碍物或狭缝的尺寸比波长小或者跟波长相差不多。
红光波长：0.65mm
不同宽度单缝衍射条纹的特征
光的直线传播的条件:
只有在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，光才可以看作是沿直线传播的。
光的干涉和衍射图样比较
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 . 单缝宽度越小，
条纹间距越 .
（单色光）波长越小，条纹间距越 . （单色光）波长越小，条纹间距越 .
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.
大
大
小
小
单缝衍射和双缝干涉的比较
名称 项目 单缝衍射 双缝干涉
不同点 产生 条件
条纹 宽度
条纹 间距
亮度
相同点 成因 意义 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
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
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
中间条纹最亮，两边变暗
清晰条纹，亮度基本相等
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
干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波
一、光的衍射
① 圆孔衍射图样
② 圆孔衍射图样特点
中央为圆形较亮的亮斑，
外面是明暗相间的不等距的圆环，越向外，亮环亮度越低；
红色激光的圆孔衍射图样
圆环达到的范围远远超过根据光的直线传播所应照明的面积。
只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样。
4.圆孔衍射
【思考】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现象？
1. 圆形亮斑(光的直线传播)、（如果孔是三角形，则是三角形的像）
2. 光源的像(小孔成像)、
3. 明暗相间的圆环(衍射图样)、
4. 完全黑暗
4.圆孔衍射
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。
泊松亮斑趣事
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。
泊松亮斑
5、圆盘衍射
(1)实验：光经一个不透明圆盘。
(2)现象：在不透明圆盘的阴影后面，出现了一个亮斑。
--泊松亮斑
5、圆盘衍射
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圆形阴影
中心有一亮斑，与圆孔衍射图样有明显区别。
泊松亮斑
① 圆盘衍射图样
② 圆盘衍射图样特点
红色激光的圆孔衍射图样
白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环．
5、圆盘衍射
归纳对比
圆 衍射
圆 衍射
圆盘和小圆孔的衍射图样对比
相同点：
均是 的光环,中心均有 .
不同点：
①圆孔衍射中心亮斑较 ,而泊松亮斑较 ；
②圆孔衍射亮环或暗环间距随半径增大而 ,
圆盘衍射亮环或暗环间距随半径增大而 ；
③圆孔衍射的背景是 的,而圆盘衍射图样中的背景是 的。
大
小
增大
减小
黑暗
明亮
明暗相间
亮斑
孔
盘
衍射现象
针尖
狭缝
圆孔
圆屏
衍射屏(障碍物)
入射光波
衍射图样
观察屏
衍射现象
5、圆盘衍射
各种不同形状的障碍物都能是光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。
二、衍射光栅
阅读课本第105页回答如下问题：
新课讲授
(1)什么是衍射光栅？
(2)光栅衍射图样特点与单缝衍射相比有怎样的变化？
有许多 的狭缝 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 ，亮度越 。
衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变 ，亮度 。
窄
增加
等宽
等距离
窄
亮
(3)衍射光栅的种类: 光栅和 光栅。
反射
透射
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。
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
例1.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
【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。
C
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、乙是光的干涉图样
B．丙、丁是光的干涉图样
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
A
变式练习1　．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
【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。
A
例3.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
【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。
B
练习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到完全闭合时，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，圆心光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
D
课堂练习
【详解】当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏首先出现的是三角形光斑，之后随着小孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑．随着小孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现了明暗相间的衍射条纹，最后随小孔的闭合而全部消失， D正确
练习2. 某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后,分别得到如图所示的衍射图样,据此可以判断出(　 　)
A.甲、乙图都是光线射到圆孔后的衍射图样,甲图中孔的直径较大
B.甲、乙图都是光线射到圆板后的衍射图样,乙图中板的直径较大
C.甲图是光线射到圆孔后的衍射图样,乙图是光线射到圆板后的衍射图样
D.乙图是光线射到圆孔后的衍射图样,甲图是光线射到圆板后的衍射图样
C
用激光束照射圆孔和不透明圆板后,圆孔后面形成明暗相间的、不等亮、不等间距的圆环,不透明圆板背后阴影中心有一个亮斑,则知甲是光线射到圆孔后的衍射图样,乙是光线射到圆板后的衍射图样,故C正确,
A、B、D错误。
练习3.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
【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。
C
练习4.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
【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。
D
练习5.（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（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
【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，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。
BD
练习6.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】【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。
BC

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