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第四章
7
光的衍射
1
知道光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件.
2
知道衍射条纹的特点，会区分衍射条纹和干涉条纹.
重点
重难点
波的衍射：波在它传播的方向上遇到障碍物时，波可以绕过障碍物继续传播的现象.
唐代诗人王维有这样的诗句：“空山不见人 ，但闻人语响”，描述的是声波的衍射现象。
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？
S
光的衍射
1.单缝衍射
(1)当狭缝较宽时能看到什么现象？
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.
(2)当狭缝的宽度调到很窄时能看到什么现象？
亮条纹的亮度有所降低，宽度增大，出现了明暗相间的条纹.
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.
由发生明显衍射现象的条件可知，光的衍射现象不易观察.
激光束
调节狭缝宽窄
狭缝
像屏
明暗相间，条纹不等间距，中央条纹亮而宽，两侧条纹较暗较窄，对称分布.
(3)实验中观察到的衍射条纹有什么特点？
(1)当孔较大时，在光屏上形成类似孔的亮斑，这是光沿直线传播的结果.
(2)当孔变得较小时，在屏上形成烛焰的倒像(小孔成像).
蜡烛照到可调节孔大小的挡板上，光屏上会出现什么图样？这是为什么呢？
2.圆孔衍射
(3)当孔再变小时，在屏上形成明暗相间的圆环，这是光发生衍射的结果.
S
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
在光束中放一个不透明小圆盘，会出现什么现象？
现象：在不透明小圆盘的阴影后面，出现了一个亮斑——泊松亮斑.
泊松亮斑趣事
3.圆板衍射
光的衍射
1.用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方，这就是光的衍射现象.
2.各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹.
钢针的衍射
3.发生明显衍射现象的条件：当狭缝或障碍物的尺寸足够小的时候，衍射现象十分明显.
光经过刀片边缘
4.三种衍射图样的特点
(1)单缝衍射
①单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；
②白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹.
③波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大；
单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大.
红光 单缝宽 0.4mm
蓝光 单缝宽 0.4mm
红光 单缝宽 0.4mm
红光 单缝宽 0.8mm
(2)圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现明暗相间的圆环.
如图所示.
①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同
心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小.
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱.
③用不同单色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大.
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色的同心圆环.
红色激光的圆孔衍射图样
白光的圆孔衍射图样
(3)圆板衍射(泊松亮斑)
①若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑.衍射图样如图所示.
②中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环.
1.光通过狭缝时会产生明显的衍射现象，光通过比较宽的缝隙时我们看到“光沿直线传播”，此时光是不是就不发生衍射了？
不是.当狭缝或障碍物尺寸与光的波长相当或比波长还小时，会有明显衍射，狭缝较宽时，仍有衍射，只是不明显.
2.衍射条纹产生的实质是什么？
当光源发出的光照射到小孔或障碍物时，小孔处或障碍物的边缘可看成许多点光源，这些点光源是相干光源，发出的光相互干涉，形成明暗相间的条纹.所以说衍射中有干涉，干涉中也有衍射.
相同点：均是明暗相间的光环,中心均有亮斑.
圆孔衍射
圆盘衍射
3.圆孔衍射与圆板衍射图样有什么差别？
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，圆板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，而圆板衍射图样中的背景是明亮的.
导练
1.(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
√
√
红光照到单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直条纹，A正确，B错误；
光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，是衍射现象，C正确；
D项屏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，只是不明显，D错误.
2.(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与光的波长相当，甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象
B.光的衍射图样是光波相互叠加的结果
C.光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论
D.光的衍射现象说明了光具有波动性
√
√
√
光的干涉现象和衍射现象说明了光具有波动性，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很多的情况下，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，故选项A、B、D正确.
3.如图所示的四幅明暗相间的条纹，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(黑色部分表示亮条纹).则在下面的四幅图中从左到右排列，亮条纹的颜色依次是
甲　　　　　乙　　　　丙　　 　　　丁
A.红黄蓝紫　　　　B.红紫蓝黄
C.蓝紫红黄　　　　D.蓝黄红紫
√
双缝干涉条纹平行等距，且波长越长，条纹间距越大，而红光波长比蓝光波长长，故题图甲为红光的干涉图样，题图丙为蓝光的干涉图样；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越长，中央亮条纹越宽，由于黄光波长比紫光波长长，故题图丁为黄光的衍射图样，题图乙为紫光的衍射图样，故选B.
甲　　　　　乙　　　　丙　　 　　　丁
总结提升
　　种类 项目 单缝衍射 双缝干涉
图样
不 同 点 产生条件 狭缝足够小(发生明显衍射) 频率相同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 各相邻条纹等间距
亮度 中央条纹最亮，越向两侧条纹越暗 各条纹亮度基本相等
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 单缝衍射与双缝干涉的比较
4.(2021·山东聊城市期中)让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的圆孔，当此圆孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，在孔后的屏上将先后出现的现象是(遮住侧面光)
A.圆形光斑　倒立的烛焰　明暗相间的圆环
B.明暗相间的圆环　圆形光斑　倒立的烛焰
C.倒立的烛焰　圆形光斑　明暗相间的圆环
D.圆形光斑　明暗相间的圆环　倒立的烛焰
√
当圆孔较大时，屏上出现一个圆形光斑，随着圆孔缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当圆孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，即小孔成像；继续使圆孔缓慢收缩，当圆孔的大小与光波波长相差不多时，在屏上可以观察到类似圆孔衍射的图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗.故A正确.
5.(多选)在城市交通中，选用红灯表示禁止通行，其原因是
A.红光容易发生干涉
B.红光照射的距离大
C.红光容易引起人们的视觉反应
D.红光容易发生衍射
√
√
红光在可见光中的波长最长，容易发生衍射，在雾天、雨天、沙尘暴等恶劣天气里，使司机和行人都能看到红灯，避免交通事故的发生；同时红光也容易引起人们的视觉反应，故选C、D.
衍射光栅
1.定义：衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件.
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.
N=1
N=2
N=3
N=4
衍射光栅
透射光栅
反射光栅
3.透射光栅和反射光栅
在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅.如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅.
导练
6.(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
√
√
√
对于透射光栅来说，当光照射到刻痕上时，光发生漫反射而不能透过，故选项C错误.
光的衍射
目标一：光的衍射
1.发生明显衍射的条件
目标二：衍射光栅
1．透射光栅
2．反射光栅
当狭缝或障碍物的尺寸足够小的时候
单缝衍射
2．三种衍射
圆孔衍射
圆板衍射
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，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。

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