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4.5 光的衍射
人教版高中物理教材 选择性必修一 第四章《光》第5节
思考1：什么是波的衍射现象？
波在传播的方向上遇到障碍物或孔时，能够绕过障碍物继续传播的现象叫波的衍射。
思考2：发生明显衍射现象的条件是什么？
障碍物或孔的尺寸比波长小或者跟波长差不多就能发生明显的衍射现象。
温故知新
情境导入，问题驱动
情境1：小游戏
问题1：为什么“闻其声不见其人”？
《鹿柴》
唐 王维
“空山不见人，但闻人语响。返景入深林，复照青苔上。”
情境导入，问题驱动
情境2：光的直线传播--影的形成
问题2：为什么仔细观察的话障碍物后形成的影子边缘是模糊的？
情境导入，问题驱动
情境3：小实验：在光束前方放一个不透明圆盘，会在光屏上出现不透明圆盘的影子。
问题3：如果我们将圆盘的直径逐渐减小，是否会在阴影的中心出现一个亮斑？
情境导入，问题驱动
情境4：蒲公英绒毛细物在阳光下的照片
问题4：为什么蒲公英绒毛的细物在阳光下会出现彩色的光晕？
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，光是否也能发生衍射现象？怎样探究？
新课引入
取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，在缝后适当距离处放一个像屏，用平行的单色光照射。
调节狭缝的宽窄，如果能在光屏上观察到比狭缝的宽度宽得多的亮区，就证明了光的衍射现象存在。
【视频：光的单缝衍射】
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。
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。
当缝很窄时,光没有沿直线传播,它绕过了缝的边缘,传播到了障碍物后面的相当宽的地方，这就是光的衍射。
1. 定义：
光离开直线传播路径，能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象。
一、光的衍射
2. 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。
可见光的波长范围为10-6m～10-7m，所以光的衍射现象不易观察。
3. 光沿直线传播只是一种近似的规律，仅当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。
学以致用
问题1：为什么“闻其声不见其人”？
可见光波长范围：400-770nm
光能够发生明显衍射的条件：
障碍物或孔的尺寸在微米级
人耳能听到的声音的波长范围是17mm（0.017m）到17m。
学以致用
情境2：光的直线传播--影的形成
问题2：为什么仔细观察的话障碍物后形成的影子边缘是模糊的？
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---“光的直线传播”是一种近似规律
光在传播过程中遇到障碍物时都会发生衍射现象，区别只是明显与否
二、常见的衍射
红光
缝宽0.08mm
红光
缝宽0.04mm
蓝光
缝宽0.04mm
你能说说其中规律吗？
1.单缝衍射-单色光
单色光单缝衍射条纹的特点
①λ相同，缝宽越小，条纹越宽
②缝宽相同，λ越长，条纹越宽
③中央最亮最宽，两侧依次变暗变窄
一、变力做功
2.单缝衍射——白色光
红光最远离中央亮纹
中央：白色亮纹
两侧：彩色条纹，亮度减弱很快，外红内紫
紫光最靠近中央亮纹
思考：干涉条纹与衍射条纹的区别？
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
例：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（ ）
A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫
B
巩固练习
四、圆孔衍射
2.圆孔衍射
A
S
几乎沿直线传播
圆孔衍射
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
圆孔衍射
3.小孔衍射
4.圆板衍射-泊松斑
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
4.圆盘衍射(泊松斑)
(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
不同点：①圆孔衍射中心亮斑较大,而泊松亮斑较小；
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。
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
一、变力做功
三、衍射光栅
狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越高。
（1）透射光栅：在一块平整玻璃片上刻出一系列等宽等距的平行刻痕，
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。
（2）反射光栅：在高反射率的金属上刻痕。
衍射光栅：由许多等宽狭缝 等距离排列起来形成的光学元件。
新课讲授
用羽毛做光栅衍射实验
三、衍射光栅
学以致用
情境4：蒲公英绒毛细物在阳光下的照片
问题4：为什么蒲公英绒毛的细物在阳光下会出现彩色的光晕？
DNA分子的x射线衍射
衍射现象的弊端
由于衍射，被观察物体上的一个光点经过透镜后不再汇聚成一个光点，而形成一个光斑，这样物体的像就模糊了，进而影响了显微镜的分辨本领。为了减小衍射现象的影响就得采用波长比可见光还短的波，电子显微镜应运而生。
光学显微镜
电子显微镜
课堂小结
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。
衍射图样
单缝衍射
圆孔衍射
泊松亮斑
衍射光栅
当堂巩固
1.[多选]对于光的衍射现象，下列说法正确的是（　　）
A.只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相当，甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象
B.衍射现象是光特有的现象，只有光才会发生衍射
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
解析：光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，在障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象比较明显，只有在光的波长比障碍物或孔的尺寸小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的，所以光的衍射现象和光沿直线传播是不矛盾的，它们是光在不同条件下产生的两种现象，衍射现象是波特有的现象，故正确的选项是A、D。
AD
2.［多选］抽 制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化 （　　）
A.这里应用的是光的衍射现象
B.这里应用的是光的直线传播
C.这里应用的是光的干涉现象
D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的细丝变细
解析：当障碍物的尺寸与光波的波长相当，或小于光波的波长时，会发生明显的衍射，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则说明衍射现象更加明显，可知抽制的细丝变细。故A、D正确。
AD
当堂巩固
3.用单色光照射一障碍物，观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样，那么该障碍物是（　 ）
A.很小的不透明的圆板
B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板
C.很大的不透明圆板
D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板
解析：由题图可知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，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，故D正确；有的同学误选A，要注意很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点，但其周围有一个大的阴影区，在阴影区的边缘有明暗相间的圆环，它与圆孔衍射的图样是不同的。
D
当堂巩固
4.利用图（a）所示装置，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到图（b）中甲和乙两种图样。则（ ）
A．甲、乙都是单缝衍射图样
B．甲、乙都是双缝干涉图样
C．甲是单缝衍射图样，乙是双缝干涉图样
D．甲是双缝干涉图样，乙是单缝衍射图样
C
当堂巩固
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.
祝同学们学习进步
谢谢大家

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