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第四章 光
选择性必修一 人教版
5.光的衍射
我们生活在一个充满光的世界。人类渴望光明，生物需要阳光，人类的感觉器官接收到的信息中，有90%的是通过眼睛。现在光学已经成为物理学的重要组成部分，在生活、生产和科学技术中有广泛的应用，光学是现代高科技领域中最前沿的科学之一。
导入新课
右边视频中光盘就相当于光栅，你为什么会看到这种炫目的动感光带，光不是沿直线传播吗，这是怎么回事呢？
物理观念 了解光发生明显衍射现象的条件，知道衍射条纹与干涉条纹的区别；
科学思维 通过观看演示图片，思考光发生衍射现象的本质，用科学类比的方法研究光的衍射现象与光的干涉现象异同；
科学探究 结合演示实验及演示视频学生分组探究光发生明显干涉现象的条件，并探究单缝衍射、小孔衍射、以及圆盘衍射图样的特征。
科学态度 与责任 能够将所学的知识应用在生活中，在生活中发现物理现象，用所学的物理知识解释生活中的物理现象，在科学研究中必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度。
学习目标
重点难点
重点 光的衍射条纹特点及发生明显的光的衍射现象的条件。
难点 光的干涉条纹和衍射条纹的比较。
一、光的衍射
既然光是一种波,为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象,而常常看到的是光沿着直线传播的呢
一、光的衍射
一、光的衍射
一、光的衍射
（三）单缝衍射
单色光单缝衍射图样的特点
①条纹不等间距；
②中央条纹亮而宽；
③两侧条纹较暗较窄，对称分布。
④波长一定时，单缝越窄，现象越明显，中央亮纹越宽越暗
不同缝宽的单缝衍射
一、光的衍射
各种颜色的光波衍射图象一样吗？
不同色光或不同宽度单缝衍射条纹的特征
①波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大．
②单缝不变时，光波波长的（红光）中央亮纹越宽，条纹间隔越大．
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．
一、光的衍射
种类 项目　　 单缝衍射 双缝干涉
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 各条纹亮度基本相同
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
一、光的衍射
如何解释引入实验中“光不沿直线传播”的现象？
光经过圆盘发生衍射现象，绕过圆盘，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
一、光的衍射
如何解释以下视频中的实验现象？
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）
一、光的衍射
圆盘和小圆孔的衍射图样有何不同？
相同点：均是明暗相间的光环,中心均有亮斑
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,圆盘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,而圆盘衍射图样中的背景是明亮的。
二、衍射光栅
二、衍射光栅
实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的。它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。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（图 ）。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。
透射光栅
二、衍射光栅
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 射线晶体衍射实验示意图
二、衍射光栅
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。
二、衍射光栅
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。
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
四、练习与应用
B
例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　缝的宽度d越小,衍射现象越明显,入射光的波长越长,衍射现象越明显,B正确。
解析　缝的宽度d越小,衍射现象越明显,入射光的波长越长,衍射现象越明显,B正确。
四、练习与应用
四、练习与应用
D
2 (2025·广东惠州高二期中)在光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后,分别得到如下四幅图样,哪一个可能是由小圆板实验得到的泊松亮斑图案(　　)
四、练习与应用
解析　“泊松亮斑”是光通过小圆板衍射形成的,在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑,这就是泊松亮斑,故D正确。
五、提升训练
B
1.(2025·广东江门期末)某同学拿一张不透光的卡片,用剪刀剪一条零点几毫米的细缝,再用激光笔发射激光照射细缝,他在对面的墙上看到,中央有一条较宽的明条纹,两侧还有一系列明暗相间的条纹。产生这种现象的原因是(　　)
A.光的干涉 B.光的衍射
C.光的折射 D.光的偏振
五、提升训练
解析　单缝衍射图像的特点:中央有一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,且明条纹的强度向两边逐渐减弱,所以产生这种现象的原因是光的衍射,故B正确。
五、提升训练
B
2.(2025·广东江门期末)某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后,分别得到如图甲、乙所示的图样,则下列说法错误的是(　　)
A.甲图属于圆孔衍射
B.乙图的亮斑是“泊松亮斑”,最早由泊松先推算出这
个亮斑,后来泊松发现圆板中心的确有这个亮斑
C.不管是圆孔衍射还是圆盘衍射,影像的边缘轮廓都是
模糊不清的
D.发生圆孔衍射时,圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径,即光绕到障碍物的影子里
五、提升训练
解析　单色光在光程差相同的位置干涉连成的线会形成条纹,当
肥皂液膜竖直放置时,单色光垂直照射肥皂液膜,在前、后两面反
射形成干涉条纹,若将该装置放在地球上观察,由于重力作用,在
高度相等的位置的光程差相同,故可看到水平直条纹,故A错误;
若将该装置放在空间站观察,由于处于完全失重状态,肥皂液膜
厚度均匀,所以观察不到干涉条纹,故B错误;因为地球表面的重
力加速度大于月球表面的重力加速度,该装置在地球表面薄膜上下厚度相差更大,该装置在地球表面观察到的水平条纹间距为Δx1,在月球表面观察到的水平直条纹间距为Δx2,则Δx1<Δx2,故C正确;若将红色光源换为蓝色光源,因为波长变短,所以在地球表面观察,可看到水平直条纹的间距将减小,故D错误。

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