高中物理 第十三章 5 光的衍射教材梳理教案 新人教版選修3-41

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光的衍射 皰丁巧解牛 知識巧學(xué) 一、光的衍射 1.衍射現(xiàn)象 波能夠繞過障礙物而到達(dá)“陰影”區(qū)域的現(xiàn)象. 2.產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件 障礙物或孔的尺寸比波長小或跟波長差不多. 深化升華 一切波在遇到障礙物或孔時，都可以發(fā)生衍射，要注意區(qū)分發(fā)生衍射和產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的區(qū)分. 3.三種不同的衍射現(xiàn)象 （1）單縫衍射 ①單縫衍射：如圖13-5-1所示，點光源S發(fā)出的光經(jīng)過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區(qū)域；若縫足夠窄，則光的傳播不再沿直線傳播，而是傳到幾何陰影區(qū)，在AA′、BB′區(qū)還出現(xiàn)亮暗相間的條紋，即發(fā)生衍射現(xiàn)象. 圖13-5-1 要點提示 衍射是波特有的一種現(xiàn)象，只是有的明顯，有的不明顯而已，“聞其聲不見其人”就是聲波衍射的原因. ②特點：a.縫變窄時，光有了明顯的衍射現(xiàn)象，光所照射的區(qū)域變大，由于通過縫的光能少了，因此條紋的亮度會降低. b.在衍射現(xiàn)象中，中央亮條紋與鄰邊的亮條紋相比有明顯的不同，中央亮條紋不僅亮度大，寬度也大. 要點提示 用單色光照射單縫時，光屏上出現(xiàn)亮、暗相間的衍射條紋，中央條紋寬度大，亮度也大，與干涉條紋有區(qū)別. 深化升華 用白光照射單縫時，中間是白色亮條紋，兩邊是彩色條紋，其中最靠近中央的色光是紫光，最遠(yuǎn)離中央的是紅光. （2）圓孔衍射 如圖13-5-2所示，當(dāng)擋板AB上的圓孔較大時，光屏上出現(xiàn)圖中甲所示的情形，無衍射現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)擋板AB上的圓孔很小時，光屏上出現(xiàn)圖中乙所示的衍射圖樣，出現(xiàn)亮、暗相間的圓環(huán). 圖13-5-2 特點：衍射圖樣中，中央亮圓的亮度大，外面是亮、暗相間的圓環(huán)，但外圍亮環(huán)的亮度小. 深化升華 (1)單色光照射時，中央為亮圓，外面是亮度越來越暗的亮環(huán)； (2)白光照射時，中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán). （3）泊松亮斑——障礙物的衍射現(xiàn)象 在1818年，法國物理學(xué)家菲涅耳提出波動理論時，著名的數(shù)學(xué)家泊松根據(jù)菲涅耳的波動理論推算出圓板后的中央應(yīng)出現(xiàn)一個亮斑，這看起來是一個荒謬的結(jié)論，于是在同年，泊松在巴黎科學(xué)院宣稱他推翻了菲涅耳的波動理論，并把這一結(jié)果當(dāng)作菲涅耳的謬誤提了出來，但有人做了相應(yīng)的實驗，發(fā)現(xiàn)在圓板陰影的中央確實出現(xiàn)了一個亮斑，這充分證明了菲涅耳理論的正確性，后人把這個亮斑就叫泊松亮斑. 各種不同形狀的障礙物也能使光發(fā)生衍射，使影的輪廓模糊不清，若單色光傳播途中，放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑. 辨析比較 白光的衍射和單色光的衍射的區(qū)別 白光的衍射條紋為中央亮而寬外側(cè)暗而窄，靠近光源的外側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近光源的內(nèi)側(cè)為紫色，條紋間距不等.而單色光的衍射條紋為中央亮而寬外側(cè)暗而窄，條紋間距不等.因可見光中紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，各色光的波長不同，在發(fā)生衍射時的條紋間距也各不相同，對同樣的障礙物或孔的尺寸，紅光波長最長，產(chǎn)生的衍射條紋間距最大，紫光波長最小，產(chǎn)生的衍射條紋間距最小，所以紅光在外側(cè)而紫光在內(nèi)側(cè). 4.衍射現(xiàn)象的分析 （1）用單色光照射狹縫，在狹縫較寬時，屏上出現(xiàn)一段亮條紋，且縫越窄，亮條紋也越窄，因為此時狹縫寬度比波長大很多，光是沿直線傳播的；當(dāng)狹縫很窄時，屏中央出現(xiàn)一條比狹縫寬度大很多的亮條紋，兩側(cè)的亮條紋離中央亮條紋更遠(yuǎn)，產(chǎn)生了明顯的衍射現(xiàn)象. （2）用單色光照射小孔，隨著圓孔的減小，屏上先后出現(xiàn)的是： 圓形亮斑→光源倒立的像（小孔成像）→明暗相間的圓環(huán)（衍射圖樣）. （3）衍射條紋的產(chǎn)生，實質(zhì)上是光波發(fā)生干涉的結(jié)果，即相干波疊加的結(jié)果. 當(dāng)光源發(fā)出的光照射到小孔或障礙物上時，小孔處看作有許多點光源，障礙物的邊緣也要看成許多點光源（惠更斯原理）.這些點光源是相干光源，發(fā)出的光相干涉，在光屏上形成亮暗相間的條紋. 5.光的干涉和光的衍射的比較 （1）雙縫干涉和單縫衍射都是波疊加的結(jié)果，只是干涉條紋是有限的幾束光的疊加，而衍射條紋可認(rèn)為是極多且復(fù)雜的相干光的疊加. （2）單縫衍射時，照射光的波長越長，中央亮紋越寬，衍射和干涉都能使白光分色，且中央白光的邊緣均呈紅色. （3）干涉和衍射的圖樣有相似之處，都是亮暗相間的條紋，只是干涉條紋中各條紋寬度和亮紋亮度基本相同，衍射條紋中各條紋寬度和亮紋亮度均不等，中央亮紋最寬最亮. 辨析比較 單縫衍射與雙縫干涉現(xiàn)象都有明暗相間的條紋，它們有以下相同點與不同點： 項目 種類 單縫衍射 雙縫干涉 不同點 條紋寬度 條紋寬度不等，中央最寬 條紋寬度相等 條紋間距 各相鄰條紋間距不等 各相鄰條紋等間距 亮度 中央條紋最亮，兩邊變暗 清晰條紋，亮度基本相等 相同點 干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加干涉、衍射都有明暗相同的條紋 典題熱題 知識點一 光的衍射及發(fā)生明顯衍射的條件 例1在單縫衍射實驗中，下列說法中正確的是（ ） A.將入射光由黃色換成綠色，衍射條紋間距變窄 B.使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄 C.換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變寬 D.增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬 解析：當(dāng)單縫寬度一定時，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠(yuǎn)，條紋間距也越大；當(dāng)光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大；光的波長一定、單縫寬度也一定時，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬.故選項A、C、D正確. 答案：ACD 方法歸納 通過光屏觀察衍射條紋與用眼睛直接觀察衍射條紋的情況是有所不同的.單縫到屏的距離增大時，屏上條紋間距變大，亮度變?nèi)?，條紋數(shù)目不變（屏足夠大）；如果用眼睛直接觀察，眼睛必須靠近單縫，當(dāng)略微增大眼睛與單縫距離時，觀察到的條紋間距也會略大，而條紋數(shù)目將減少，因為眼睛的受光面很?。ㄏ喈?dāng)于光屏很?。?，所以當(dāng)眼睛與單縫的距離過大時，就觀察不到衍射條紋. 例2某同學(xué)把卡尺間的窄縫調(diào)節(jié)到0.5 mm去觀察某一線光源，看到了彩色條紋.他把縫的寬度增加到0.8 mm，再觀察同一光源，看到的現(xiàn)象是 但亮度增大.若他把縫的寬度減小到0.2 mm，則看到的現(xiàn)象是_____________________________________.這說明在衍射現(xiàn)象中，衍射圖樣條紋的寬度及亮度與______________有關(guān)，當(dāng)其_____________時，衍射現(xiàn)象更為明顯. 解析：當(dāng)窄縫寬度變窄時，它和光波的波長越接近，衍射現(xiàn)象越明顯，同時通過窄縫的光能越少，到達(dá)光屏上的寬度越寬，亮度就越弱. 答案：彩色條紋變窄 彩色條紋變寬但亮度減弱 單縫寬度 變窄 知識點二 波的衍射與其他現(xiàn)象的比較研究 例3如圖13-5-3所示，A、B兩幅圖是由單色光分別射到圓孔而形成的圖象，其中圖A是光的_________________（填“干涉”或“衍射”）圖象.由此可以判斷出圖A所對應(yīng)的圓孔的孔徑_________________（填“大于”或“小于”）圖B所對應(yīng)的圓孔的孔徑. 圖13-5-3 解析：A中出現(xiàn)明暗相間的條紋，是衍射現(xiàn)象，只有障礙物或孔的尺寸和光波波長相差不多時，才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象.圖A是光的衍射圖樣，由于光波波長很短，約在10-7的數(shù)量級上，所以圖A對應(yīng)的圓孔的孔徑比圖B所對應(yīng)的圓孔的孔徑小.圖B的形成可以用光的直線傳播解釋. 答案：衍射 小于 巧解提示 光發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是障礙物或孔的尺寸和光波波長相差不多，而當(dāng)障礙物或孔的尺寸比光波波長大得多時，衍射現(xiàn)象不明顯. 例4聲波比光波容易產(chǎn)生明顯的衍射，原因是（ ） A.聲波是縱波，光波是橫波 B.聲波是機械波，光波是電磁波 C.一般障礙物尺寸跟聲波波長相近而比光波波長大得太多 D.聲波必須通過介質(zhì)傳播，而光波可以在真空中傳播 解析：產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物或孔的尺寸能與波長相近，聲波的波長比光波的波長大，與一般障礙物尺寸相近，容易滿足衍射條件，因而容易產(chǎn)生明顯的衍射.正確答案選C項. 答案：C 方法歸納 能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸能跟光的波長相比甚至比光的波長還要小，由于可見光的波長一般為數(shù)千埃，比普通障礙物尺寸小得多，所以光波的衍射現(xiàn)象觀察起來稍難一些. 例5用一單色光源垂直照射帶有圓孔的不透明光屏，下列幾種情況中，在小孔后面的光屏上各看到什么現(xiàn)象？ (1)小孔的直徑為1 cm； (2)小孔的直徑為1 mm； (3)小孔的直徑為0.5 μm. 解析：小孔的直徑大小決定屏上現(xiàn)象.當(dāng)孔的直徑較大，比光的波長大的多，此時光的衍射極不明顯，光沿直線傳播；當(dāng)孔的直徑很小，可以與光波的波長相差不多時，光的衍射現(xiàn)象明顯. 答案：(1)當(dāng)圓孔的直徑為1 cm時，在光屏上只能看到與圓孔形狀相同的亮斑.這是光沿直線傳播的結(jié)果. (2)當(dāng)圓孔的直徑為1 mm時，在光屏上能看到單色光源倒立的像，這是小孔成像，也是光沿直線傳播的結(jié)果. (3)當(dāng)圓孔的直徑為0.5 μm時，在光屏上能看到明暗相間的圓環(huán).這是由于小孔尺寸與光波的波長差不多，光發(fā)生衍射的結(jié)果. 巧解提示 我們在觀察光的衍射實驗時，當(dāng)縫（或孔）的線度逐漸變小時，在光屏上可以看到光斑先逐漸變小進(jìn)而小孔成像，然后又出現(xiàn)明暗相間的條紋（圓環(huán)）.繼續(xù)使縫（或孔）變小，明暗條紋（圓環(huán)）的寬度和間距會隨之變大，從而體現(xiàn)量變引起質(zhì)變的規(guī)律.進(jìn)而認(rèn)識到，任何規(guī)律都有其適用條件.光的直線傳播只是一條近似的規(guī)律，只有在光的波長比障礙物或孔的線度小得多的情況下，才可以看成是沿直線傳播的. 問題探究 設(shè)計實驗探究 問題 當(dāng)光在傳播中遇到孔時，會因為不同大小的孔發(fā)生不同現(xiàn)象嗎？ 探究過程:實驗原理：讓燭光照射到一塊遮光板上，板上有一個可自由收縮的三角形孔，當(dāng)此三角形孔緩慢地由大收縮變小直到閉合時，孔后的屏上將先后出現(xiàn)不同的現(xiàn)象（遮住側(cè)面光）. 實驗器材：蠟燭、遮光板（有一個可自由收縮的三角形孔）、屏. 實驗過程：當(dāng)三角形孔較大時，屏上出現(xiàn)一個三角形光斑，如圖13-5-4甲所示，隨著三角形也緩慢地收縮，光斑逐漸變小；當(dāng)三角形孔小到一定程度時，屏上會出現(xiàn)倒立的燭焰，如圖13-5-4乙所示；繼續(xù)使三角形孔緩慢收縮，可以觀察到小孔衍射圖樣；當(dāng)孔閉合時，屏上就會一片黑暗. 圖13-5-4 探究結(jié)論:隨著三角形孔的縮小，光分別呈現(xiàn)出在不同條件下的傳播特點：直線傳播和發(fā)生衍射.