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新人教版 选择性必修一
第四章 光
第五节 光的衍射
新课引入
通过前面的学习我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射，如水波、声波等。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？
学习任务一：光的衍射
1.实验演示
学习任务一：光的衍射
1.实验演示
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。
一、光的衍射
这表明，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。
学习任务一：光的衍射
2.光的衍射现象
1.波长一定时，单缝越窄,中央条纹越宽，各条纹间距越大．(衍射越明显)
2.单缝不变时，波长大的中央亮纹越宽，条纹间隔越大(衍射越明显)
3.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．
二、单缝衍射条纹
学习任务一：光的衍射
3.单缝衍射图样的规律
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
学习任务一：光的衍射
4.干涉、衍射图样的区别
四、圆孔衍射
学习任务一：光的衍射
5.圆孔衍射实验
新课讲授
学习任务一：光的衍射
5.圆孔衍射实验
孔较大时——屏上出现清晰的光斑
A
S
几乎沿直线传播
学习任务一：光的衍射
6.圆孔衍射现象
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）
原因:来自单缝或圆孔上不同位置的光，在屏上叠加的结果.
以中央最亮的光斑为圆心的逐渐变暗的不等距的同心圆
学习任务一：光的衍射
6.圆孔衍射现象
光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以近似认为光是沿直线传播的。
在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了
学习任务一：光的衍射
7.光明显衍射的条件
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。
泊松亮斑
中心有小亮斑
拓展1：圆盘衍射
拓展1：圆盘衍射
不同点：
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。
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；
圆孔衍射
圆盘衍射
相同点：均是明暗相间的光环,中心均有亮斑
①圆孔衍射中心亮斑较大,而泊松亮斑较小；
拓展2：圆孔衍射与圆盘衍射
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，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
拓展3：光的衍射现象
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，增加条纹个数，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．
六、衍射光栅
学习任务二：光栅
新课讲授
3.用羽毛做光栅衍射实验
学习任务二：光栅
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。
泊松亮斑趣事
科学漫步
晶体中原子的排列是规则的，原子间距与 X 射线波长接近。这使得 X 射线照射在晶体上会发生明显的衍射现象。衍射图样中斑点的强度和位置包含着有关晶体的大量信息。因此，人们可以利用 X 射线衍射探测晶体的结构（图 ）。
X 射线衍射与双螺旋
X 射线晶体衍射实验示意图
科学漫步
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。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。
X 射线衍射与双螺旋
科学漫步
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。
X 射线衍射与双螺旋
科学漫步
1.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
A
当堂达标训练
三、折射率
2.一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,而中央明条纹变宽些
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
B
当堂达标训练
3.用红光、蓝光分别做双缝干涉实验,用黄光、紫光分别做单缝衍射实验,得到的图样如图所示(黑色部分表示亮纹).在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
B
[解析]双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹,所有亮条纹宽度相同且等间距,根据双缝干涉条纹间距Δx=λ可知,波长λ越大,则Δx越大,故左边第一个是红光的,第三个是蓝光的;单缝衍射条纹是中间明亮且宽大,越向两侧宽度越小越暗,且波长越大,则中央亮条纹越粗,选项B正确.
当堂达标训练
4.利用图甲所示的装置,观察光的干涉、衍射现象,在光屏上得到图乙和图丙两种图样.则 (　)
A.乙对应单缝,丙对应双缝
B.乙对应双缝,丙对应单缝
C.都是单缝,乙对应的缝宽较大
D.都是双缝,乙的双缝间距较大
[解析]单缝衍射图样为中央亮纹最宽最亮,往两边变窄,双缝干涉图样是明暗相间的条纹,条纹间距相等,条纹宽度相等,结合图乙、丙可知,乙对应单缝,丙对应双缝,A正确,B、C、D错误.
A
当堂达标训练
5.让太阳光垂直照射一块大的遮光板,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,明暗相间的黑白色条纹,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
D
[解析]三角形孔稍大时,根据光的直线传播规律,可知屏上呈现的是三角形光斑;逐渐减小三角形孔,到一定程度又符合小孔成像原理,屏上呈现小圆形光斑,即太阳的像;再减小三角形孔,至其大小与光的波长可比时,屏上又会呈现出彩色条纹,这是光通过小孔后的衍射图样.D正确.
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