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4.5 光的衍射
人教版高中物理教材 選擇性必修一 第四章《光》第5節(jié)
思考1：什么是波的衍射現(xiàn)象？
波在傳播的方向上遇到障礙物或孔時(shí)，能夠繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫波的衍射。
思考2：發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？
障礙物或孔的尺寸比波長(zhǎng)小或者跟波長(zhǎng)差不多就能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。
溫故知新
情境導(dǎo)入，問題驅(qū)動(dòng)
情境1：小游戲
問題1：為什么“聞其聲不見其人”？
《鹿柴》
唐 王維
“空山不見人，但聞人語(yǔ)響。返景入深林，復(fù)照青苔上?！?br/>情境導(dǎo)入，問題驅(qū)動(dòng)
情境2：光的直線傳播--影的形成
問題2：為什么仔細(xì)觀察的話障礙物后形成的影子邊緣是模糊的？
情境導(dǎo)入，問題驅(qū)動(dòng)
情境3：小實(shí)驗(yàn)：在光束前方放一個(gè)不透明圓盤，會(huì)在光屏上出現(xiàn)不透明圓盤的影子。
問題3：如果我們將圓盤的直徑逐漸減小，是否會(huì)在陰影的中心出現(xiàn)一個(gè)亮斑？
情境導(dǎo)入，問題驅(qū)動(dòng)
情境4：蒲公英絨毛細(xì)物在陽(yáng)光下的照片
問題4：為什么蒲公英絨毛的細(xì)物在陽(yáng)光下會(huì)出現(xiàn)彩色的光暈？
光的干涉現(xiàn)象反映了光的波動(dòng)性，而波動(dòng)性的另一特征是波的衍射現(xiàn)象，光是否也能發(fā)生衍射現(xiàn)象？怎樣探究？
新課引入
取一個(gè)不透光的屏，在它的中間裝上一個(gè)寬度可以調(diào)節(jié)的狹縫，在縫后適當(dāng)距離處放一個(gè)像屏，用平行的單色光照射。
調(diào)節(jié)狹縫的寬窄，如果能在光屏上觀察到比狹縫的寬度寬得多的亮區(qū)，就證明了光的衍射現(xiàn)象存在。
【視頻：光的單縫衍射】
在擋板上安裝一個(gè)寬度可調(diào)的狹縫，縫后放一個(gè)光屏。用單色平行光照射狹縫。
當(dāng)縫比較寬時(shí)，光沿著直線通過狹縫，在屏上產(chǎn)生一條與縫寬相當(dāng)?shù)牧翖l紋。
當(dāng)縫很窄時(shí),光沒有沿直線傳播,它繞過了縫的邊緣,傳播到了障礙物后面的相當(dāng)寬的地方，這就是光的衍射。
1. 定義：
光離開直線傳播路徑，能夠繞過障礙物而到達(dá)“陰影”區(qū)域的現(xiàn)象。
一、光的衍射
2. 產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：
障礙物或孔的尺寸比光波波長(zhǎng)小或與光波波長(zhǎng)差不多。
可見光的波長(zhǎng)范圍為10-6m～10-7m，所以光的衍射現(xiàn)象不易觀察。
3. 光沿直線傳播只是一種近似的規(guī)律，僅當(dāng)障礙物的尺寸比光的波長(zhǎng)大得多的情況下，光才可以看作是沿直線傳播。
學(xué)以致用
問題1：為什么“聞其聲不見其人”？
可見光波長(zhǎng)范圍：400-770nm
光能夠發(fā)生明顯衍射的條件：
障礙物或孔的尺寸在微米級(jí)
人耳能聽到的聲音的波長(zhǎng)范圍是17mm（0.017m）到17m。
學(xué)以致用
情境2：光的直線傳播--影的形成
問題2：為什么仔細(xì)觀察的話障礙物后形成的影子邊緣是模糊的？
光在沒有障礙物的均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，在障礙物的尺寸比光的波長(zhǎng)大得多的情況下，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以近似認(rèn)為光是沿直線傳播的。在障礙物的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相比，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時(shí)就不能說(shuō)光沿直線傳播了---“光的直線傳播”是一種近似規(guī)律
光在傳播過程中遇到障礙物時(shí)都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，區(qū)別只是明顯與否
二、常見的衍射
紅光
縫寬0.08mm
紅光
縫寬0.04mm
藍(lán)光
縫寬0.04mm
你能說(shuō)說(shuō)其中規(guī)律嗎？
1.單縫衍射-單色光
單色光單縫衍射條紋的特點(diǎn)
①λ相同，縫寬越小，條紋越寬
②縫寬相同，λ越長(zhǎng)，條紋越寬
③中央最亮最寬，兩側(cè)依次變暗變窄
一、變力做功
2.單縫衍射——白色光
紅光最遠(yuǎn)離中央亮紋
中央：白色亮紋
兩側(cè)：彩色條紋，亮度減弱很快，外紅內(nèi)紫
紫光最靠近中央亮紋
思考：干涉條紋與衍射條紋的區(qū)別？
干涉現(xiàn)象與衍射現(xiàn)象的區(qū)別
干涉現(xiàn)象 衍射現(xiàn)象
產(chǎn)生條件
條紋寬度
光強(qiáng)分布
條紋的變化
頻率相同的兩列
相干光相遇疊加
任何光都能發(fā)生衍射
等寬、等距
中央最寬，兩側(cè)的亮紋逐漸變窄。
從中央明條紋往兩側(cè)光強(qiáng)變化很小
光強(qiáng)分布主要集中在中央亮紋，兩側(cè)的亮紋逐漸變暗。
間距與波長(zhǎng)成正比
波長(zhǎng)有關(guān)，但縫寬影響更大
例：如圖所示的四幅明暗相間的條紋，分別是紅光、藍(lán)光各自通過同一個(gè)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(gè)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(lán)紫 B.紅紫藍(lán)黃 C.藍(lán)紫紅黃 D.藍(lán)黃紅紫
B
鞏固練習(xí)
四、圓孔衍射
2.圓孔衍射
A
S
幾乎沿直線傳播
圓孔衍射
孔較小時(shí)——屏上出現(xiàn)衍射花樣（亮暗相間的不等間距的圓環(huán)，這些圓環(huán)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光沿直線傳播所能照明的范圍）
原因:來(lái)自單縫或圓孔上不同位置的光，在屏上疊加的結(jié)果.
以中央最亮的光斑為圓心的逐漸變暗的不等距的同心圓
圓孔衍射
3.小孔衍射
4.圓板衍射-泊松斑
1818 年，法國(guó)的巴黎科學(xué)院為了鼓勵(lì)對(duì)衍射問題的研究，懸賞征集這方面的論文。一位年輕的物理學(xué)家菲涅耳在論文中按照波動(dòng)說(shuō)深入研究了光的衍射。
當(dāng)時(shí)的另一位法國(guó)科學(xué)家泊松是光的波動(dòng)說(shuō)的反對(duì)者，他按照菲涅耳的理論計(jì)算了光在圓盤后的影的問題，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一定的波長(zhǎng)、在適當(dāng)?shù)木嚯x上，影的中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑！泊松認(rèn)為這是荒謬可笑的，并認(rèn)為這樣就駁倒了光的波動(dòng)說(shuō)。
但是，就在競(jìng)賽的關(guān)鍵時(shí)刻，評(píng)委阿拉果在實(shí)驗(yàn)中觀察到了
這個(gè)亮斑（圖 ），這樣，泊松的計(jì)算反而支持了光的波動(dòng)說(shuō)。
后人為了紀(jì)念這個(gè)有意義的事件，把這個(gè)亮斑稱為泊松亮斑，
也稱為阿拉果亮斑。
泊松亮斑趣事
科學(xué)漫步
4.圓盤衍射(泊松斑)
(1)現(xiàn)象：用平行光照射一個(gè)不透光的小圓盤時(shí)，在圓盤陰影中心出現(xiàn)一個(gè)亮斑。
(2)衍射圖樣的特點(diǎn)：圓形陰影中心有一亮斑，與小孔衍射圖樣有明顯區(qū)別。
泊松亮斑
紅色激光的圓孔衍射圖樣
不同點(diǎn)：①圓孔衍射中心亮斑較大,而泊松亮斑較小；
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(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而增大,圓盤衍射亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。?br/>圓孔衍射
圓盤衍射
相同點(diǎn)：均是明暗相間的光環(huán),中心均有亮斑
一、變力做功
三、衍射光柵
狹縫的個(gè)數(shù)越多，衍射條紋的寬度越窄，亮度越高。
（1）透射光柵：在一塊平整玻璃片上刻出一系列等寬等距的平行刻痕，
刻痕產(chǎn)生漫反射而不太透光，未刻的部分相當(dāng)于透光的狹縫。
（2）反射光柵：在高反射率的金屬上刻痕。
衍射光柵：由許多等寬狹縫 等距離排列起來(lái)形成的光學(xué)元件。
新課講授
用羽毛做光柵衍射實(shí)驗(yàn)
三、衍射光柵
學(xué)以致用
情境4：蒲公英絨毛細(xì)物在陽(yáng)光下的照片
問題4：為什么蒲公英絨毛的細(xì)物在陽(yáng)光下會(huì)出現(xiàn)彩色的光暈？
DNA分子的x射線衍射
衍射現(xiàn)象的弊端
由于衍射，被觀察物體上的一個(gè)光點(diǎn)經(jīng)過透鏡后不再匯聚成一個(gè)光點(diǎn)，而形成一個(gè)光斑，這樣物體的像就模糊了，進(jìn)而影響了顯微鏡的分辨本領(lǐng)。為了減小衍射現(xiàn)象的影響就得采用波長(zhǎng)比可見光還短的波，電子顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生。
光學(xué)顯微鏡
電子顯微鏡
課堂小結(jié)
光的衍射
光的衍射
衍射現(xiàn)象：光離開直線傳播路徑繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象。
衍射圖樣
單縫衍射
圓孔衍射
泊松亮斑
衍射光柵
當(dāng)堂鞏固
1.[多選]對(duì)于光的衍射現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A.只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長(zhǎng)相當(dāng)，甚至比波長(zhǎng)還要小的時(shí)候，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象
B.衍射現(xiàn)象是光特有的現(xiàn)象，只有光才會(huì)發(fā)生衍射
C.光的衍射現(xiàn)象否定了光沿直線傳播的結(jié)論
D.光的衍射現(xiàn)象說(shuō)明了光具有波動(dòng)性
解析：光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象無(wú)疑說(shuō)明了光具有波動(dòng)性，在障礙物或孔的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相當(dāng)，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象比較明顯，只有在光的波長(zhǎng)比障礙物或孔的尺寸小的情況下，光才可以看成是沿直線傳播的，所以光的衍射現(xiàn)象和光沿直線傳播是不矛盾的，它們是光在不同條件下產(chǎn)生的兩種現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象，故正確的選項(xiàng)是A、D。
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2.［多選］抽 制高強(qiáng)度纖維細(xì)絲時(shí)可用激光監(jiān)控其粗細(xì)，如圖所示，觀察激光束經(jīng)過細(xì)絲后在光屏上所產(chǎn)生的條紋即可判斷細(xì)絲粗細(xì)的變化 （　?。?br/>A.這里應(yīng)用的是光的衍射現(xiàn)象
B.這里應(yīng)用的是光的直線傳播
C.這里應(yīng)用的是光的干涉現(xiàn)象
D.如果屏上條紋變寬，表明抽制的細(xì)絲變細(xì)
解析：當(dāng)障礙物的尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng)，或小于光波的波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯的衍射，該裝置的原理是運(yùn)用光的衍射現(xiàn)象，如果屏上條紋變寬，則說(shuō)明衍射現(xiàn)象更加明顯，可知抽制的細(xì)絲變細(xì)。故A、D正確。
AD
當(dāng)堂鞏固
3.用單色光照射一障礙物，觀察到如圖所示的清晰的明暗相間的圖樣，那么該障礙物是（　 ）
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的圓板
解析：由題圖可知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)，且越向外，圓形條紋寬度越小，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，故D正確；有的同學(xué)誤選A，要注意很小的不透明的圓板產(chǎn)生的圖樣中心也是亮點(diǎn)，但其周圍有一個(gè)大的陰影區(qū)，在陰影區(qū)的邊緣有明暗相間的圓環(huán)，它與圓孔衍射的圖樣是不同的。
D
當(dāng)堂鞏固
4.利用圖（a）所示裝置，觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到圖（b）中甲和乙兩種圖樣。則（ ）
A．甲、乙都是單縫衍射圖樣
B．甲、乙都是雙縫干涉圖樣
C．甲是單縫衍射圖樣，乙是雙縫干涉圖樣
D．甲是雙縫干涉圖樣，乙是單縫衍射圖樣
C
當(dāng)堂鞏固
5.讓太陽(yáng)光垂直照射一塊大的遮光板,板上有一個(gè)可以自由收縮的三角形孔,當(dāng)此三角形孔緩慢縮小直至完全閉合時(shí),在孔后的屏上將先后出現(xiàn)　(　)　　 　　　　　 　　　　　
A.由大變小的三角形光斑,直至光斑消失
B.由大變小的三角形光斑,明暗相間的彩色條紋,直至條紋消失
C.由大變小的三角形光斑,明暗相間的黑白色條紋,直至黑白色條紋消失
D.由大變小的三角形光斑,小圓形光斑,明暗相間的彩色條紋,直至條紋消失
D
[解析]三角形孔稍大時(shí),根據(jù)光的直線傳播規(guī)律,可知屏上呈現(xiàn)的是三角形光斑;逐漸減小三角形孔,到一定程度又符合小孔成像原理,屏上呈現(xiàn)小圓形光斑,即太陽(yáng)的像;再減小三角形孔,至其大小與光的波長(zhǎng)可比時(shí),屏上又會(huì)呈現(xiàn)出彩色條紋,這是光通過小孔后的衍射圖樣.D正確.
祝同學(xué)們學(xué)習(xí)進(jìn)步
謝謝大家

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