高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第2节 光的衍射知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用） 7页

第2节 光的衍射 ‎ 思维激活 ‎1.动手做一做,然后想一想.‎ 用两支铅笔夹成一条狭缝,将眼睛紧贴着狭缝且让狭缝与日光灯管或其他线状光源平行,你会观察到怎样的现象?试解释这个现象.‎ 提示:可以看到彩色的直条纹,这是光的单缝衍射现象,日光灯发出的白光经狭缝发生明显衍射.‎ ‎2.蜡烛照射到孔可调节大小的挡板上,当孔较大时光沿直线传播的,在光屏上形成形状类似孔的亮斑,当孔变得较小时,则在屏上形成烛焰的像;当孔再变小时,在屏上形成比孔大许多的模糊区域,这是为什么呢?‎ 提示:随着孔的缩小,光分别呈现出在不同条件下的传播特点:直线传播、小孔成像、发生衍射.请自己动手实验一下,在不透明的纸板上分别用刀刻出大小不同的圆孔,观察一下屏上呈现明显不同现象时所用圆孔的尺寸是多大.‎ 自主整理 一、衍射现象 ‎1.在光的衍射实验中,光没有__________,它绕过了__________,传播到了相当宽的地方,这就是光的衍射现象.狭缝越窄,衍射后在屏上产生的中央亮条纹越__________.‎ ‎2.在光的传播过程中,当孔、缝或障碍物的尺寸比光的波长__________的情况下,衍射现象不明显,也可以认为光是沿直线传播的.但是,在障碍物的尺寸可以跟__________相比,甚至比__________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.‎ 二、衍射对分辨本领的影响 微镜、望远镜等光学仪器上用的透镜相当于一个__________.仪器的分辨本领,就是这个仪器能够把______________________________分离开来的能力.透镜的直径越小,产生的衍射现象越__________,分辨本领越__________.‎ 三、衍射光栅 ‎1.衍射光栅种类繁多,最常见的是__________和__________.‎ ‎2.透射光栅的衍射图样__________是__________和的共同结果.多缝干涉的结果使光栅衍射的宽度比单缝衍射时__________,这样,我们就可以在几乎黑暗的背景上看到一系列__________的明条纹.这是光栅衍射的特点.‎ 高手笔记 ‎1.光波发生衍射的条件 光是一种波,光发生衍射无条件,但光发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸接近光的波长,甚至比光的波长还要小.‎ ‎2.对光栅衍射的说明 光栅衍射实际上是多缝衍射,是由多个单缝衍射互相重叠的衍射花样,光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果.‎ ‎3.光的干涉和光的衍射的比较 ‎(1)双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果,只是干涉条纹是有限的几束光的叠加,而衍射条纹可认为是极多且复杂的相干光的叠加.‎ ‎(2)单缝衍射时,照射光的波长越长,中央亮纹越宽,衍射和干涉都能使白光分色,且中央白光的边缘均呈红色.‎ ‎(3)干涉和衍射的图样有相似之处,都是亮暗相间的条纹.只是干涉条纹中各条纹宽度和亮纹亮度基本相同,衍射条纹中各条纹宽度和宽纹亮度均不等,中央亮纹最宽最亮.‎ 小结:干涉与衍射的关系 联系:都是光束的叠加形成的,都说明光具有波动性 名师解惑 ‎1.你是怎样理解“光是沿直线传播的”?‎ 剖析:光的直线传播是一种近似的规律,具体从以下两个方面去理解:‎ ‎(1)多数情况下,光照到较大的障碍物或小孔上时是沿直线传播的,在它们的后面留下阴影或光斑.如果障碍物、缝或小孔都小到与照射光的波长差不多(或更小),光就表现出明显的衍射现象,在它们的后面形成泊松亮斑、明暗相间的条纹或圆环.‎ ‎(2)光是一种波,衍射是它基本的传播方式,但在一般情况下,由于障碍物都比较大(比起光的波长来说),衍射现象很不明显.光的传播可近似地看作是沿直线传播.所以,光的直线传播只是近似规律.‎ ‎2.在发生明显的衍射现象的条件中,障碍物或小孔的尺寸与光的波长相等时现象明显还是比波长小时明显?‎ 剖析:对于这个问题,同学们往往会认为障碍物或孔的尺寸与光的波长相等时现象明显,这是错误的,因为衍射现象本身是光绕过障碍物的现象,显然是障碍物比光的波长小现象会更明显.孔或缝也同样如此.单缝的衍射实验也能证明这一点.‎ 讲练互动 ‎【例题1】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可以跟光波波长相比甚至比波长还要小的时候,才能产生明显的衍射现象 B.光的衍射现象是光波相互叠加的结果 C.光的衍射现象否定了光的直线传播的结论 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地说明了光具有波动性,而小孔成像说明光沿直线传播,而要出现小孔成像,孔不能太小,光的直线传播规律只是近似的,只有在光波长比障碍物小的情况下,光才可以看作是直进的,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,故上述选项中正确的是A、B、D.‎ 答案：ABD 绿色通道 全面认识、理解光的衍射现象的产生机理是解决该类问题的关键.‎ 变式训练 ‎1.沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象,发生沙尘暴时能见度只有几十米,天气变黄发暗,这是由于这种情况下（ ）‎ A.只有波长较短的一部分光才能到达地面 B.只有波长较长的一部分光才能到达地面 C.只有频率较大的一部分光才能到达地面 D.只有频率较小的一部分光才能到达地面 解析:据光明显衍射的条件,发生沙尘暴时,只有波长较长的一部分光线能到达地面,据λ=c/f知,到达地面的光是频率较小的部分.‎ 答案:BD ‎2.声波比光波容易产生明显的衍射,原因是（ ）‎ A.声波是纵波,光波是横波 B.声波是机械波,光波是电磁波 C.一般障碍物尺寸跟声波波长相近而比光波波长大得多 D.声波必须通过介质传播,而光波可以在真空中传播 解析:产生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸能与波长相近,声波的波长比光波的波长大,与一般障碍物尺寸相近,容易满足衍射条件,因而容易产生明显的衍射.正确选项为C.‎ 由于可见光的波长一般为数千埃,比普通障碍物尺寸小得多,所以光波的衍射现象观察起来稍难一些.‎ 答案:C ‎【例题2】(经典回放)在图‎5-2-1‎中,A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像,其中图A是光的___________(填“干涉”或“衍射”)图像.由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径___________(填“大于”或“小于”）图B所对应的圆孔的孔径.‎ 图‎5-2-1‎ 解析：A中出现明暗相间的条纹,是衍射现象,B中出现圆形亮斑.只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象.图A是光的衍射图样,由于光波波长很短，约在10‎-7 m数量级上，所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小.图B的形成可以用光的直线传播解释.‎ 答案：衍射 小于 绿色通道 圆孔衍射图样的特点是:亮暗相间的圆环,中央亮圆的亮度大,外围亮环的亮度小.‎ 变式训练 ‎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,衍射现象越明显,衍射条纹间距变大.本题是缝宽增大,所以选项A正确.‎ 答案:A ‎【例题3】分析以下现象产生的原因:‎ ‎(1)通过盛水的玻璃杯,在适当的角度可以看到彩色光.‎ ‎(2)菜汤上的油花呈现彩色.‎ ‎(3)隔着帐幔看远处的灯,见到灯周围辐射彩色光芒.‎ ‎(4)光线照在花布上,可以看见花布上的图样.‎ 解析：(1)白光通过盛水的玻璃杯发生折射,产生色散,在适当的角度,各色光分离较大,可看到彩色光.‎ ‎(2)光经过菜汤上油膜的前后两个表面发生反射,两列反射光相互叠加,产生干涉条纹,因此菜汤上的油花呈现彩色.‎ ‎(3)远处灯发出的光经过帐幔的缝隙产生衍射,因此可看到灯周围辐射彩色的光芒.‎ ‎(4)光线照在花布上看见花布的图样,是由于光的反射与吸收的结果.花布是由各种颜色的花纹组成的,当白光照在花布上时红色花纹反射红光,吸收其他颜色的光,这样我们在该位置只看到红色.同理可以看到各种花纹反射的颜色.这样我们就可以看到花布的图样.‎ 绿色通道 了解光的反射现象、折射现象、干涉现象、衍射现象的不同成因,是正确作出判断的关键,否则就会被这些“彩色”现象所迷惑.‎ 变式训练 ‎4.下列现象中,是由于衍射产生的是（ ）‎ A.泊松亮斑 B.阳光下,大树下地面上树影中的圆形亮斑 C.小孔成像 D.光照射到细金属丝后在其后面的屏上的阴影中间出现亮线 解析:泊松亮斑是光照射到圆屏上时,在圆屏边缘发生衍射形成的,A对.树影中的圆形亮斑是太阳通过树叶的缝隙形成的像,是光的直线传播形成的,B错.小孔成像的原理也是光沿直线传播形成的,C错.光照射到细金属丝上时发生衍射,在后面屏上的阴影中会出现亮线,D对.‎ 答案:AD 体验探究 ‎【问题】分别用红光和蓝光做光的衍射实验,用哪种光容易看到明显的衍射现象?为什么?‎ 导思:紧扣能够发生明显衍射现象的条件来思考:当障碍物或孔的尺寸与光的波长相近或比光的波长小时,衍射才明显.‎ 探究:用红光做衍射实验时更容易看到明显的衍射现象.光的波长较短,比常见物体的尺度小得多,所以实验中不易看到衍射现象.红光的波长比蓝光的波长大些,相对来说障碍物或孔的尺寸更容易与红光的波长相近,所以同样情况下,红光的衍射现象比蓝光容易观察到.‎ 教材链接 观察课本中第98页的图5-17,试总结单缝衍射图样的特征.‎ 答案:(1)中央条纹亮而宽.‎ ‎(2)两侧亮纹具有对称性,亮纹宽度逐渐变窄,宽度减小.‎ ‎(3)波长一定时,单缝窄的中央条纹宽,各条纹间距大;单缝不变时,光波波长大的中央条纹宽,条纹间距大.‎ ‎(4)白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹,两侧为彩色条纹,且外侧呈红色,靠近白色亮纹的内侧为紫色.‎