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第5節 光的衍射
第四章
人教版（2019）選擇性必修一
CONTENTS
目錄
光的衍射
01
三種不同類型光的衍射
02
衍射光柵
03
《紅樓夢》中形容王熙鳳的“未見其人，先聞其聲”。
唐代詩人王維有這樣的詩句：“空山不見人 ，但聞人語響”
波的衍射：波在它傳播的方向上遇到障礙物時，波可以繞過障礙物繼續傳播的現象.
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既然光也是一種波，為什么在日常生活中我們一般觀察不到光的衍射，而且常常說“光沿直線傳播”呢？
S
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(1)當孔較大時，在光屏上形成類似孔的亮斑，這是光沿直線傳播的結果。
(2)當孔變得較小時，在屏上形成燭焰的倒像(小孔成像)。
蠟燭照到可調節孔大小的擋板上，光屏上會出現什么圖樣？這是為什么呢？
問題探究
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(3)當孔再變小時，在屏上形成明暗相間的圓環，這是光發生衍射的結果。
S
現在能理解為什么在日常生活中我們一般觀察不到光的衍射嗎？
由發生明顯衍射現象的條件可知，由于光的波長較短，光的衍射現象不易觀察，所以常常看到的是“光沿直線傳播”
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一、光的衍射
1.定義：光離開直線傳播路徑繞到障礙物陰影里的現象叫光的衍射現象。
2.各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現明暗相間的條紋。
3.發生明顯衍射現象的條件：障礙物的尺寸可以跟光的波長相當，甚至比光的波長還小。
注意：衍射條紋是由于來自不同位置的光，通過縫或孔之后疊加時加強或者削弱的結果，所以說衍射中也存在干涉現象。
對于同樣的障礙物，聲音的波長比光的波長大的多，更容易發生明顯衍射，即更容易繞過障礙物向前傳播。
學以致用：為什么平時隔墻可以聽見別人的聲音卻看不到人？
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二、三種不同類型光的衍射
1.光的單縫衍射
在擋板上安裝一個寬度可調的狹縫，縫后放一個光屏。用單色平行光照射狹縫，我們看到，當縫比較寬時，光沿著直線通過狹縫，在屏上產生一條與縫寬相當的亮條紋。但是，當縫調到很窄時，盡管亮條紋的亮度有所降低，但是寬度反而增大了，而且還出現了明暗相間的條紋。
激光束
調節狹縫寬窄
狹縫
像屏
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光的單縫衍射實驗演示
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①單色光通過狹縫時，在屏上出現明暗相間的條紋，中央條紋最寬最亮，兩側的亮條紋逐漸變暗變窄，對稱分布。
光的單縫衍射特點
②波長一定時，單縫窄的中央亮條紋寬，條紋間距大，衍射明顯。
③單縫不變時，光波波長長的中間條紋寬，條紋間距大，衍射明顯。
紅光 單縫寬 0.4mm
紅光 單縫寬 0.8mm
課堂提問：不同顏色的光，縫寬一致時，單縫衍射圖樣是否相同？
紅光 單縫寬 0.4mm
藍光 單縫寬 0.4mm
課堂提問：如果用白色光進行單縫衍射實驗，衍射條紋是什么樣？
④白光的單縫衍射條紋中央亮，兩側為彩色條紋，且外側呈紅色，靠近光源的內側為紫色。
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光的單縫衍射和雙縫衍射區別
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單縫衍射與雙縫干涉條紋的比較：
（1）根據條紋的寬度區分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的；而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，兩側的亮條紋逐漸變窄。
（2）根據亮條紋的亮度區分：雙縫干涉條紋從中央亮紋往兩側亮度變化很小；而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，兩側的亮紋逐漸變暗。
（雙縫）干涉圖樣
（單縫）衍射圖樣
雙縫間距越小，條紋間距越大
單縫寬度越小，條紋間距越大
（單色光）波長越小，條紋間距越小
（單色光）波長越小，條紋間距越小
單色光形成明暗條紋，白光形成彩色條紋
單色光形成明暗條紋，白光形成彩色條紋
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【典例1】如圖所示，四個圖是不同的單色光采用相同裝置形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣，分析各圖樣的特點可以得出的正確結論是( )
A. 是光的干涉圖樣
B. 是光的干涉圖樣
C.形成a圖樣的光的波長比形成b圖樣的光的波長短
D.形成c圖樣的光的波長比形成d圖樣的光的波長短
答案：A
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【典例2】如圖所示的四幅明暗相間的條紋，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(黑色部分表示亮條紋).則在下面的四幅圖中從左到右排列，亮條紋的顏色依次是（ ）
A.紅黃藍紫 B.紅紫藍黃 C.藍紫紅黃 D.藍黃紅紫
答案：B
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2.光的圓孔衍射
A
S
（1）孔較大時——屏上出現清晰的光斑
圓孔衍射圖像：光幾乎沿直線傳播
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（2）孔較小時——屏上出現衍射花樣（亮暗相間的不等間距的圓環，圓環的范圍遠遠超過了光沿直線傳播所能照明的范圍）
S
現象：
①中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的不等距同心圓環，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越小。
②圓孔越小，中央亮斑的直徑越大，同時亮度越弱。
③用不同單色光照射圓孔時，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。
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光的圓孔衍射的特點
①單色光的圓孔衍射圖樣中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環．越向外，亮環亮度越低。
③白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環。
紅色激光的圓孔衍射圖樣
白光的圓孔衍射圖樣
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3、光的圓盤衍射
不只是狹縫和圓孔，各種不同形狀的物體都能使光發生衍射，歷史上曾有一個著名的衍射圖樣——泊松亮斑．
實驗：在光束中放一個不透明圓盤
現象：在不透明圓盤的陰影后面，出現了一個亮斑。
泊松亮斑
中心有極小亮斑
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光的圓盤衍射實驗演示
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不同點：
③圓孔衍射的背景是黑暗的,而圓盤衍射圖樣中的背景是明亮的。
②圓孔衍射亮環或暗環間距隨半徑增大而增大,圓盤衍射亮環或暗環間距隨半徑增大而減小；
相同點：均是明暗相間的光環,中心均有亮斑
①圓孔衍射中心亮斑較大,而泊松亮斑較小；
圓孔衍射
圓盤衍射
光的圓孔衍射與圓盤衍射區別
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【課堂討論1】光通過狹縫時會產生明顯的衍射現象，光通過比較寬的縫隙時我們看到“光沿直線傳播”，此時光是不是就不發生衍射了？
不是。當狹縫或障礙物尺寸與光的波長相當或比波長還小時，會有明顯衍射現象，狹縫較寬時，仍有衍射，只是不明顯。
【課堂討論2】如果讓白光分別通過狹縫或圓孔，那么形成的衍射圖樣各有什么特點？
白光通過狹縫時，衍射圖樣中央為白色亮條紋，兩側為彩色條紋；白光通過圓孔時，衍射圖樣中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色的同心圓環。
白光的圓孔衍射圖樣
白光的狹縫衍射圖樣
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【典例3】在一次觀察光衍射的實驗中，觀察到如圖所示的清晰的明暗相 間的圖樣，那么障礙物應是（黑線為暗紋）( )
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．很大的不透明圓板
D．很大的中間有小圓孔的不透明圓板
答案：D
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三、衍射光柵
1.定義：衍射光柵是由許多等寬的狹縫等距離的排列起來形成的光學元件。
2.原理：增加狹縫的個數，衍射條紋的寬度將變窄，亮度將增加。
N=1
N=2
N=3
3.透射光柵和反射光柵
在一塊很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕產生漫反射而不太透光，未刻的部分相當于透光的狹縫，這樣就做成了透射光柵。如果在高反射率的金屬上刻痕，就可以做成了反射光柵。
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【學以致用1】在光的傳播方向上分別放置單縫、雙縫、小圓孔和小圓板后，分別得到如下四幅圖樣，以下說法正確的是（　　）
A．甲是雙縫干涉圖樣、丁是小圓板“泊松亮斑”衍射圖樣
B．乙是單縫衍射圖樣、丙是小圓板“泊松亮斑”衍射圖樣
C．甲是雙縫干涉圖樣、丁是小圓孔衍射圖樣
D．乙是雙縫干涉圖樣、丙是小圓孔衍射圖樣
答案：A
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【學以致用2】2022·上海嘉定·二模）利用圖a所示的裝置，觀察光的干涉、衍射現象，在光屏上得到圖b中甲和乙兩種圖樣。則（　　）
A．甲對應單縫，乙對應雙縫
B．甲對應雙縫，乙對應單縫
C．都是單縫，甲對應的縫寬較大
D．都是雙縫，甲的雙縫間距較大
答案：A
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衍射光柵
光的衍射
光的衍射
發生明顯衍射的條件
三種衍射
狹縫、孔或障礙物的尺寸與波長相當，或比波長更小
透射光柵
反射光柵
單縫衍射
圓孔衍射
圓盤衍射
泊松亮斑
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