2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第2節(jié)光的衍射教學(xué)案魯科版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第2節(jié)光的衍射教學(xué)案魯科版選修3-4 　　　　　　　　　　　　　　　 1．光通過很窄的障礙物、縫或很小的孔時，不再沿直線傳播，即發(fā)生了衍射現(xiàn)象。 2．當小孔或障礙物的尺寸比光的波長小或跟波長差不多時，會產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象。 3．光學(xué)儀器上用的透鏡相當于一個圓孔，透鏡直徑越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)越低。 衍射現(xiàn)象 [自讀教材抓基礎(chǔ)] 1．衍射現(xiàn)象 光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光不再沿直線傳播，而是繞到原來應(yīng)該是陰影的范圍之內(nèi)；當小孔的直徑取某些特定值時，在圓形亮斑的中心還會出現(xiàn)一個黑斑。這種現(xiàn)象稱為光的衍射。 2．明顯衍射條件 在障礙物或小孔的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯。 [跟隨名師解疑難] 　　 1.單縫衍射的圖樣有哪些特點？ (1)中央條紋亮而寬。如圖521所示。 (2)兩側(cè)亮紋具有對稱性，亮紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱。 (3)波長一定時，單縫較窄的中央條紋較寬，各條紋間距較寬；單縫寬度不變時，光波波長較長的中央條紋較寬，各條紋間距較寬。 (4)白光的單縫衍射條紋是中央為白色亮紋，兩側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近白色亮紋的條紋內(nèi)側(cè)為紫色。 圖521 2．圓孔衍射的圖樣有哪些特點？ (1)中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布 著明暗相間的同心圓環(huán)，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越小。如圖522所示。 圖522 (2)用不同色光照射圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越長，中央圓形亮斑的直徑越大。 (3)同一種單色光，圓孔越小，中央亮斑半徑越大，同時亮度越弱。 (4)白光的圓孔衍射圖樣中，中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色同心圓環(huán)。 (5)只有當圓孔足夠小時，才能得到明顯的衍射圖樣，在圓孔由較大直徑逐漸減小的過程中，光屏依次得到幾種不同現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)、完全黑暗。 3．圓盤衍射的圖樣又有哪些特點？ (1)圓盤衍射圖樣的中央有個亮斑——泊松亮斑，外側(cè)為明、暗相間的同心圓，且亮度越來越暗，亮環(huán)或暗環(huán)間的距離隨著半徑的增大而減小，如圖523所示。 圖523 (2)多數(shù)情況下，光照到較大的障礙物或孔上時是按照直線傳播的規(guī)律傳播的，在它們的后面留下陰影或光斑。如果障礙物、縫或小孔都小到與照射光的波長差不多(或更小)，光就表現(xiàn)出明顯的衍射現(xiàn)象，在它們的后面形成泊松亮斑、明暗相間的條紋或圓環(huán)。 [特別提醒]　光遇小孔、單縫或障礙物時，衍射現(xiàn)象只有明顯不明顯之分，無發(fā)生不發(fā)生之別。 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 下列說法不正確的是(　　) A．當光的波長比圓孔的直徑大時，可以產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象 B．衍射現(xiàn)象的研究表明“光沿直線傳播”只是一種近似規(guī)律 C．用平行的單色光垂直照射不透明的小圓板，在圓板的后面發(fā)現(xiàn)圓板陰影中心處有一亮斑，這是光的干涉現(xiàn)象 D．隔著帳幔看遠處的燈，見到燈周圍隔射彩色的光芒，這是光的衍射現(xiàn)象 解析：選C　產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是光波的波長與障礙物的尺寸相近，而一般物體的尺寸比光波的波長大得多，所以A、B正確；用平行的單色光垂直照射不透明的小圓板，在圓板的后面發(fā)現(xiàn)圓板陰影中心處有一亮斑，這是著名的泊松亮斑，是光的衍射現(xiàn)象，C錯誤；遠處燈發(fā)出的光經(jīng)過帳幔的縫隙產(chǎn)生衍射，因此可見燈周圍輻射彩色的光芒，D正確。 衍射對分辨本領(lǐng)的影響 1.一個光學(xué)儀器的分辨率本領(lǐng)是指將兩個相互靠近的物體的像分離開來的能力。 2．光學(xué)顯微鏡和望遠鏡等光學(xué)儀器，其透鏡就相當于圓孔，透鏡直徑越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低。 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 障礙物或孔的尺寸不同，光的一些行為有所不同，光的波長不同，發(fā)生的一些光行為也不同，下列說法中正確的是(　　) A．波長越長的光，越容易發(fā)生衍射，因此要提高光學(xué)儀器的分辨率應(yīng)盡量使用波長大的光或口徑小的透鏡 B．波長越短的光，衍射越不明顯，越容易沿直線傳播，因此遙感衛(wèi)星應(yīng)盡可能利用波長短的光 C．小孔成像的原理是光的直線傳播，小孔衍射的原理也是光的直線傳播 D．小孔成像遵守光路可逆原理，單縫衍射和雙縫干涉不遵守光路可逆 解析：選D　提高光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)應(yīng)減少衍射影響，所以要利用波長短的光或口徑大的透鏡，故A錯；衛(wèi)星遙感要克服大氣層對光的遮擋作用，因此應(yīng)使用波長長的紅外線，故B錯；小孔衍射是一種衍射現(xiàn)象，不遵守光的直線傳播規(guī)律，也不遵守光路可逆原理，故C錯，D對。 衍射光柵 1.結(jié)構(gòu) 有許多等寬的狹縫等距離排列起來形成光學(xué)元件。狹縫的個數(shù)越多，衍射條紋的寬度越窄，亮度越高。 2．衍射圖樣的特點 與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加。 3．衍射光柵的種類 反射光柵和透射光柵。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 孔雀開屏?xí)r羽毛上形成閃爍絢麗的色彩，瀑布在陽光下呈現(xiàn)的彩虹以及通過狹縫觀察發(fā)光的日光燈時看到的彩色條紋，這些現(xiàn)象分別屬于(　　) A．光的干涉、色散和衍射現(xiàn)象 B．光的干涉、衍射和色散現(xiàn)象 C．光的衍射、色散和干涉現(xiàn)象 D．光的衍射、干涉和色散現(xiàn)象 解析：選A　孔雀細密的羽毛就像有規(guī)律地排列在一起的反射光柵，使多束反射光相互干涉。瀑布濺起的小水滴相當于棱鏡，在陽光下呈現(xiàn)的彩虹是色散現(xiàn)象。通過狹縫觀察發(fā)光的日光燈時看到的彩色條紋是光的衍射現(xiàn)象，故A正確。 對衍射圖樣的考查 [典題例析] 1.在一次觀察光的衍射的實驗中，觀察到如圖524所示的清晰的明暗相間的圖樣，那么障礙物應(yīng)是(黑線為暗線)(　　) 圖524 A．很小的不透明的圓板 B．很大的中間有大圓孔的不透明的圓板 C．很大的不透明的圓板 D．很大的中間有小圓孔的不透明的圓板 [思路點撥] (1)知道圓孔衍射和圓板衍射的圖樣特點。 (2)能夠分辨兩種衍射圖樣。 解析：圖樣為清晰的衍射圖樣，故B錯；圖樣中心為亮斑，說明障礙物為D；若為A，則中央有一個小亮點，亮點外為大暗環(huán)；若為C，則圖樣為大暗斑，只是邊緣稍模糊。 答案：D [探規(guī)尋律] 區(qū)分圓孔衍射和不透光圓盤衍射的圖樣 中心圓心處為小亮斑(即泊松亮斑)且中心圓環(huán)為較寬的暗環(huán)時為圓盤衍射；若中心為大的圓形亮斑，中心圓環(huán)為細而窄的暗紋時為圓孔衍射。 [跟蹤演練] 某同學(xué)使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條縫寬為0.05 mm的窄縫，進行光的衍射實驗，如圖525所示，則他在光屏上看到的條紋是(　　) 圖525 圖526 解析：選B　單縫衍射條紋中間寬，兩側(cè)越來越窄，又由于單縫是水平的，衍射條紋也是水平的，故B對。 單縫衍射與雙縫干涉 [典題例析] 2．如圖527所示是4幅明暗相間的條紋圖樣，分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)。則下面的四幅圖從左到右排列，亮條紋的顏色依次是(　　) 圖527 A．紅　黃　藍　紫　　　　 　B．紅　紫　藍　黃 C．藍　紫　紅　黃 D．藍　黃　紅　紫 [思路點撥]看條紋寬度―→確定是干涉還是衍射―→條紋間距―→ 解析：雙縫干涉條紋是等間距的條紋，單縫衍射條紋是中間最寬、兩邊越來越窄的條紋，因此1、3是干涉條紋，2、4是衍射條紋。干涉條紋中，光的波長越長，條紋越寬，因此1是紅光，3是藍光。同一單縫衍射中，波長越長，條紋越寬，因此2是紫光，4是黃光。 答案：B [探規(guī)尋律] 單縫衍射與雙縫干涉的比較 單縫衍射 雙縫干涉 不同點 產(chǎn)生條件 只要狹縫足夠小，任何光都能發(fā)生 頻率相同的兩列光波相遇疊加 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，兩邊最暗 條紋清晰，亮度基本相等 相同點 成因 明暗相間的條紋，都是光波疊加時加強或削弱的結(jié)果 意義 都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波 [跟蹤演練] (上海高考)如圖528為紅光或紫光通過雙縫或單縫所呈現(xiàn)的圖樣，則(　　) 圖528 A．甲為紫光的干涉圖樣 B．乙為紫光的干涉圖樣 C．丙為紅光的干涉圖樣 D．丁為紅光的干涉圖樣 解析：選B　對于干涉條紋，明條紋和暗條紋在比較多的條數(shù)之內(nèi)都保持寬度相等，且波長越大，條紋越寬；對于衍射條紋，條紋寬度中間大，兩邊逐漸減小。由于紅光波長大于紫光波長，故紅光條紋比紫光條紋寬，因此甲是紅光干涉圖樣，乙是紫光干涉圖樣，丙是紅光衍射圖樣，丁是紫光衍射圖樣，故選項B對，A、C、D錯。 [課堂雙基落實] 1．關(guān)于衍射，下列說法錯誤的是(　　) A．衍射現(xiàn)象中條紋的出現(xiàn)是光疊加后產(chǎn)生的結(jié)果 B．雙縫干涉中也存在衍射現(xiàn)象 C．一切波都能發(fā)生衍射現(xiàn)象 D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實 解析：選D　衍射圖樣是很復(fù)雜的光波疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過三個狹縫時均發(fā)生衍射現(xiàn)象，一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射。一切波都能發(fā)生衍射，但要發(fā)生明顯的衍射，需要滿足障礙物的尺寸小于或相當于波長的條件。 2．春季我國沙塵天氣較多，沙塵暴是由于土地沙化引起的一種惡劣的氣象現(xiàn)象。發(fā)生沙塵暴時能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于在這種情況下(　　) A．只有波長較短的一部分光才能到達地面 B．只有波長較長的一部分光才能到達地面 C．只有頻率較大的一部分光才能到達地面 D．沒有光能夠到達地面 解析：選B　發(fā)生沙塵暴時，由于沙塵懸浮在空中，只有波長較長的一部分光通過衍射才能到達地面。故選項B正確。 3．單色光源發(fā)出的光經(jīng)一狹縫，照射到光屏上，在圖529中可觀察到的圖象是(　　) 圖529 解析：選A　光的雙縫干涉條紋是等間距、等寬度的明暗相間的條紋，而在光的單縫衍射圖樣中，中間是寬度最大最亮的亮條紋，在中央條紋兩邊的亮條紋寬度越來越小，亮度也越來越低，故A正確。 4．如圖5210所示，A、B兩幅圖是由單色光分別入射到圓孔而形成的圖樣，其中圖A是光的________(填“干涉”或“衍射”)圖樣。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5210 解析：題圖A中出現(xiàn)明暗相間的條紋，是衍射現(xiàn)象，題圖B中出現(xiàn)圓形亮斑。只有障礙物或孔的尺寸比光波的波長小或跟波長相差不多時，才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。題圖A是光的衍射圖樣，由于光波波長很短，約在10－7 m數(shù)量級上，所以題圖A對應(yīng)的圓孔的孔徑比題圖B所對應(yīng)的圓孔的孔徑小。題圖B的形成可以用光的直線傳播解釋。 答案：衍射　小于 [課下綜合檢測] (時間：30分鐘　滿分：60分) 一、選擇題(共8小題，每小題5分，共40分，每小題只有一個選項正確。) 1．(大綱版全國卷)下列現(xiàn)象中，屬于光的衍射的是(　　) A．雨后天空出現(xiàn)彩虹 B．通過一個狹縫觀察日光燈可看到彩色條紋 C．海市蜃樓現(xiàn)象 D．日光照射在肥皂膜上出現(xiàn)彩色條紋 解析：選B　本題考查光的衍射現(xiàn)象，意在考查考生對衍射現(xiàn)象的基本理解。雨后的彩虹是光的色散，則A錯誤；通過一個狹縫觀察到的彩色條紋屬于光的衍射，則B正確；海市蜃樓是全反射和折射，則C錯誤；日光下的肥皂膜出現(xiàn)的彩色條紋是薄膜干涉現(xiàn)象，則D錯誤。 2．用單色光分別通過小圓盤與小圓孔做衍射實驗時，在光屏上得到衍射圖樣，它們的特點是(　　) A．用前者做實驗時中央是暗的，用后者做實驗時中央是亮的 B．用前者做實驗時中央是亮的，用后者做實驗時中央是暗的 C．中央均為亮點的同心圓形條紋 D．中央均為暗點的同心圓形條紋 解析：選C　小孔衍射和圓盤衍射，圖樣中央均為加強點，故中央均為亮點，周圍是以亮點為圓心的圓形條紋，故C正確，A、B、D均錯誤。 3．觀察單縫衍射現(xiàn)象時，把縫寬由0.2 mm逐漸增大到0.8 mm，看到的現(xiàn)象是(　　) A．衍射條紋的間距逐漸變小，衍射現(xiàn)象逐漸不明顯 B．衍射條紋的間距逐漸變大，衍射現(xiàn)象越來越明顯 C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增強 D．以上現(xiàn)象都不會發(fā)生 解析：選A　觀察衍射圖樣發(fā)現(xiàn)：狹縫的寬度逐漸變小，衍射現(xiàn)象越明顯，衍射條紋間距變大。本題是縫寬增大，所以選項A正確。 4．在光的單縫衍射實驗中可觀察到清晰的亮暗相間的圖樣，下列四幅圖片中屬于光的單縫衍射圖樣的是(　　) 圖1 A．a(chǎn)、c　　　　　　　 　B．b、c C．a(chǎn)、d D．b、d 解析：選D　單縫衍射條紋的特點是中央亮條紋最寬、最亮，雙縫干涉條紋是等間距的條紋，所以a是干涉條紋，b、d是單縫衍射條紋，c是小孔衍射圖樣。 5．在一個發(fā)光的小電珠和光屏之間放一個大小可以調(diào)節(jié)的圓形孔屏，在圓孔從較大調(diào)至完全閉合的過程中，在屏上看到的現(xiàn)象是(　　) A．先是圓形亮區(qū)，最后完全黑暗 B．先是圓形亮區(qū)，再是圓形亮環(huán)，最后完全黑暗 C．先是圓形亮環(huán)，最后完全黑暗 D．先是圓形亮環(huán)，然后圓形亮區(qū)，最后完全黑暗 解析：選B　在圓孔由大到小調(diào)節(jié)過程中，當孔較大時，光沿直線傳播，在屏上得到圓形亮斑；當孔的直徑減小到與光波的波長相近時，產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，屏上將出現(xiàn)明、暗相間的亮環(huán)，當孔繼續(xù)減少到完全閉合，沒有光到達屏上時，屏上完全黑暗。 6．抽制細絲時可以用激光監(jiān)控其粗細，如圖2所示，激光束越過細絲時產(chǎn)生的條紋和它通過遮光板上的一條同樣寬度的窄縫規(guī)律相同，則(　　) 圖2 ①這是利用光的干涉現(xiàn)象?、谶@是利用光的衍射現(xiàn)象 ③如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲粗了?、苋绻辽蠗l紋變寬，表明抽制的絲細了 A．①③　　　　　　　 　B．②④ C．①④ D．②③ 解析：選B　本題考查發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，上述現(xiàn)象符合光的明顯衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，故②正確；由明顯衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件可知：絲越細衍射現(xiàn)象越明顯，故④正確。 7．用點光源發(fā)出的光照射一個障礙物，在屏上形成的陰影的邊緣部分模糊不清，產(chǎn)生的原因是(　　) A．光的反射 B．光的折射 C．光的干涉 D．光的衍射 解析：選D　光發(fā)生衍射后會分散在一個區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域都有部分光到達也就會出現(xiàn)不明不暗模糊不清的現(xiàn)象。 8．平行光通過小孔得到的衍射圖樣和泊松亮斑比較，下列說法 中正確的有(　　) A．在衍射圖樣的中心都是亮斑 B．泊松亮斑中心亮點周圍的暗環(huán)較寬 C．小孔衍射的圖樣的中心是暗斑，泊松亮斑圖樣的中心是亮斑 D．小孔衍射圖樣中亮、暗條紋間的間距是均勻的，泊松亮斑圖樣中亮、暗條紋間的間距是不均勻的 解析：選AB　小孔衍射的圖樣是中心亮點，向外依次為明暗相間的環(huán)狀條紋；泊松亮斑的圖樣是中心亮點，向外是圓板的黑影，再向外是明暗相間的環(huán)狀條紋。 二、非選擇題(共2小題，共20分) 9．(10分)用某種單色光源垂直照射帶有圓孔的不透明障礙板，下列幾種情況中，在障礙板后面暗箱中的屏上各看到什么現(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：(1)當圓孔的直徑為1 cm時，在光屏上只能看到與圓孔形狀相似的亮斑，這是光沿直線傳播的結(jié)果。 (2)當圓孔的直徑為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)當圓孔的直徑為0.5 μm時，在光屏上能看到衍射圖樣，這是由于小孔的尺寸與光波的波長差不多，光發(fā)生明顯衍射的結(jié)果。 答案：見解析 10．(10分)分析以下現(xiàn)象產(chǎn)生的原因： (1)通過盛水的玻璃杯，在適當?shù)慕嵌瓤梢钥吹讲噬狻? (2)菜湯上的油花呈現(xiàn)彩色。 (3)隔著帳?？催h處的燈，見到燈周圍輻射彩色光芒。 (4)光線照在花布上，可以看見花布上的圖樣。 解析：(1)白光通過盛水的玻璃杯發(fā)生折射，產(chǎn)生色散，在適當?shù)慕嵌?，各色光分離較大，可看到彩色光。 (2)光經(jīng)過菜湯上油膜的前后兩個表面發(fā)生反射，兩列反射光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，因此菜湯上的油花呈現(xiàn)彩色。 (3)遠處燈發(fā)出的光經(jīng)過帳幔的縫隙產(chǎn)生衍射，因此可看到燈周圍輻射彩色的光芒。 (4)光線照在花布上看見花布的圖樣，是由于光的反射與吸收的結(jié)果。花布是由各種顏色的花紋組成的，當白光照在花布上時紅色花紋反射紅光，吸收其他顏色的光，這樣我們在該位置只看到紅色。同理可以看到各種花紋反射的顏色。這樣我們就可以看到花布的圖樣。 答案：見解析