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第五章 光的干涉、衍射和偏振
3.光的衍射
教学目标
CONTENT
01
02
03
能用衍射知识对生活中的现象进行分析和解释
认识光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件
了解衍射光栅
问题1：什么是波的衍射现象？
问题2：发生明显衍射的条件是什么？
波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象，叫波的衍射
障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或比波长小。
温故知新
新课引入
光的干涉现象反映了光的波动性，而波动性的另一特征是波的衍射现象，光是否具有衍射现象？
如果有衍射现象，为什么在日常生活中我们没有观察到光的衍射现象呢？
资料
现象：①用点光源照射直径较大的圆孔时，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑，这是光沿直线传播的结果。
②用点光源照射直径足够小的圆孔时，在屏上会出现一些明暗相间的圆环
衍射现象
一
知能提升
光的衍射：光能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象。
资料
1.圆孔衍射图样的特点：明暗相间的环状条纹，中央为圆形亮斑。
①单色光的圆孔衍射图样中央亮纹的亮度大，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纹为白色，周围是彩色圆环。
红色激光的圆孔衍射图样
③圆孔直径变化出现的不同现象
只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样。
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：
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。
产生衍射现象时，来自小孔不同位置的光在屏上相遇叠加，有的相互加强，有的相互减弱，形成明暗相间的衍射图样。
激光束
调节狭缝宽窄
像屏
2.单缝衍射
红光 a=0.8mm
红光 a=0.4mm
蓝光 a=0.4mm
二
单缝衍射的条纹特点
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；狭缝越窄，中央亮条纹越宽，但亮度越暗；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，最远离中央的是红光。
白光的单缝衍射条纹
资料
3.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。
泊松亮斑
红色激光的圆孔衍射图样
干涉现象与衍射现象的区别
干涉现象 衍射现象
产生条件
条纹宽度
光强分布
条纹的变化
频率相同的两列
相干光相遇叠加
任何光都能发生衍射
等宽、等距
中央最宽，两侧的亮纹逐渐变窄
从中央明条纹往两侧光强变化很小
光强分布主要集中在中央亮纹，两侧的亮纹逐渐变暗
间距与波长成正比
波长有关，但缝宽影响更大
产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比光波波长小或与光波波长差不多时。可见光的波长范围：10－6m～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。
迷你实验室：
如图所示，让一束光通过剃须刀片，仔细观察，剃须刀片边缘有条纹出现，这就是光在刀片边缘处产生的衍射现象。经研究，不仅小孔、狭缝能使光产生衍射，不同形状的各种障碍物都可能使光产生衍射，并在边缘呈现明暗相间的衍射图样，从而使其影像的轮廓变得模糊不清。
衍射对分辨本领的影响
二
知能提升
光通过足够小的孔时，会因衍射而明显地偏离直线传播方向，并产生衍射图样。这一现象对显微镜、望远镜等精密光学仪器的设计产生了直接影响。
由两个相邻的点光源S1和S2，发出的光，通过小孔后分别在屏上形成两个像I1和I2，这两个像实际上是光源S1和S2的衍射图样。如果换用更小的圆孔，保持S1和S2之间的距离和其他条件都不变，则会发现衍射现象更加明显而使屏上两个衍射图样变得更大。
当圆孔足够小时，屏上的两个衍射图样会出现部分重叠，使两个光源在屏上所成的像变得难以分辨。当一个圆斑像的中心刚好落在另一个圆斑像的边缘上时，我们称这两个像刚好能被分辨。
光学仪器上的透镜相当于一个圆孔。一个光学仪器的分辨本领，就是这个仪器能把彼此靠近的物体的像分离开来的能力。透镜的直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低。
显微镜、望远镜的分辨本领与衍射有关。
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。
透射光栅
衍射光栅
三
知能提升
反射光栅
典例精析
例1. （多选）图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则( 　　 )
A.甲为红光的衍射图样　
B.乙为紫光的干涉图样
C.丙为红光的衍射图样
D.丁为紫光的衍射图样
解析：当单色光通过双缝时形成的干涉图样为等间距的，而通过单缝时的图样是中间宽、两边窄的衍射图样，因此甲、乙为干涉图样，而丙、丁为衍射图样。由于红光的波长较长，干涉图样中相邻条纹间距较大，而紫光的波长较短，干涉图样中相邻条纹间距较小。单缝衍射的条纹特点是波长越长，条纹间距越大，中央亮纹越宽，因此选项B、C、D正确。
BCD
课堂小结
一、衍射现象
二、衍射对分辨本领的影响
三、衍射光栅
跟踪练习
1.对于单缝衍射现象，下列说法正确的是 (　　)
A.缝的宽度d越小，衍射条纹越亮
B.缝的宽度d越小，衍射现象越明显
C.缝的宽度d越小，光的传播路线越接近直线
D.入射光的波长越短，衍射现象越明显
解析：单缝宽度越小，衍射条纹的亮度越小，选项A错；入射光的波长越长，单缝宽度越小，衍射现象越明显，选项B对，选项C、D错。
B
2.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.白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：光的干涉现象和光的衍射现象都是波特有的现象，都是光波叠加的结果，白光的干涉条纹是彩色的，白光的衍射条纹也是彩色的，只是条纹间距特点及亮度特点不同而已。
D
3.观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，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：观察衍射图样发现：狭缝的宽度逐渐变小，衍射现象越来越明显，衍射条纹间距变大。本题是缝宽增大，所以选项A正确。
A　
4.(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图像更清晰。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.当做单缝实验时，光强分布图如乙所示
B.当做单缝实验时，光强分布图如丙所示
C.当做双缝实验时，光强分布图如乙所示
D.当做双缝实验时，光强分布图如丙所示
AD
解析：当做单缝实验时，中间亮条纹最亮，两侧亮条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布如题图乙所示，A项正确，B项错误；当做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布如题图丙所示，C项错误，D项正确。
5.如图所示，a、b、c、d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.a、b是光的干涉图样
B.c、d是光的干涉图样
C.形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长短
D.形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短
A
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