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第四章
7
光的衍射
1
知道光的衍射現象，知道產生明顯衍射現象的條件.
2
知道衍射條紋的特點，會區分衍射條紋和干涉條紋.
重點
重難點
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.
唐代詩人王維有這樣的詩句：“空山不見人 ，但聞人語響”，描述的是聲波的衍射現象。
既然光也是一種波，為什么在日常生活中我們觀察不到光的衍射，而且常常說“光沿直線傳播”呢？
S
光的衍射
1.單縫衍射
(1)當狹縫較寬時能看到什么現象？
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.
(2)當狹縫的寬度調到很窄時能看到什么現象？
亮條紋的亮度有所降低，寬度增大，出現了明暗相間的條紋.
產生明顯衍射現象的條件：
障礙物或孔的尺寸比光波波長小或與光波波長差不多時.
由發生明顯衍射現象的條件可知，光的衍射現象不易觀察.
激光束
調節狹縫寬窄
狹縫
像屏
明暗相間，條紋不等間距，中央條紋亮而寬，兩側條紋較暗較窄，對稱分布.
(3)實驗中觀察到的衍射條紋有什么特點？
(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？
2.圓孔衍射
(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
這些圓環的范圍遠遠超過了光沿直線傳播所能照明的范圍
在光束中放一個不透明小圓盤，會出現什么現象？
現象：在不透明小圓盤的陰影后面，出現了一個亮斑——泊松亮斑.
泊松亮斑趣事
3.圓板衍射
光的衍射
1.用單色平行光照射狹縫，當縫很窄時，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當寬的地方，這就是光的衍射現象.
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.
鋼針的衍射
3.發生明顯衍射現象的條件：當狹縫或障礙物的尺寸足夠小的時候，衍射現象十分明顯.
光經過刀片邊緣
4.三種衍射圖樣的特點
(1)單縫衍射
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；
②白光通過狹縫時，在屏上出現彩色條紋，中央為白色條紋.
③波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大；
單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大.
紅光 單縫寬 0.4mm
藍光 單縫寬 0.4mm
紅光 單縫寬 0.4mm
紅光 單縫寬 0.8mm
(2)圓孔衍射：光通過小孔(孔很小)時，在光屏上出現明暗相間的圓環.
如圖所示.
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，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.
④白光的圓孔衍射圖樣中，中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色的同心圓環.
紅色激光的圓孔衍射圖樣
白光的圓孔衍射圖樣
(3)圓板衍射(泊松亮斑)
①若在單色光傳播途中放一個較小的圓形障礙物，會發現在影的中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑.衍射圖樣如圖所示.
②中央是亮斑(與圓孔衍射圖樣中心亮斑比較，泊松亮斑較小)，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環.
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，狹縫較寬時，仍有衍射，只是不明顯.
2.衍射條紋產生的實質是什么？
當光源發出的光照射到小孔或障礙物時，小孔處或障礙物的邊緣可看成許多點光源，這些點光源是相干光源，發出的光相互干涉，形成明暗相間的條紋.所以說衍射中有干涉，干涉中也有衍射.
相同點：均是明暗相間的光環,中心均有亮斑.
圓孔衍射
圓盤衍射
3.圓孔衍射與圓板衍射圖樣有什么差別？
不同點：
①圓孔衍射中心亮斑較大，而泊松亮斑較??；
②圓孔衍射亮環或暗環間距隨半徑增大而增大，圓板衍射亮環或暗環間距隨半徑增大而減??；
③圓孔衍射的背景是黑暗的，而圓板衍射圖樣中的背景是明亮的.
導練
1.(多選)關于光的衍射現象，下列說法正確的是
A.紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋
B.白光的單縫衍射圖樣是白黑相間的直條紋
C.光照到不透明小圓盤上出現泊松亮斑，說明發生了衍射
D.光照到較大圓孔上出現大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射
√
√
紅光照到單縫上產生的衍射圖樣是紅暗相間的直條紋，白光的衍射圖樣是彩色直條紋，A正確，B錯誤；
光照到不透明小圓盤上出現泊松亮斑，是衍射現象，C正確；
D項屏中大光斑的邊緣模糊，正是光的衍射造成的，不能認為不存在衍射現象，只是不明顯，D錯誤.
2.(多選)對于光的衍射現象的定性分析，下列說法正確的是
A.只有障礙物或孔的尺寸與光的波長相當，甚至比波長還要小的時候，才能產生明顯的衍射現象
B.光的衍射圖樣是光波相互疊加的結果
C.光的衍射現象否定了光沿直線傳播的結論
D.光的衍射現象說明了光具有波動性
√
√
√
光的干涉現象和衍射現象說明了光具有波動性，光的直線傳播規律只是近似的，只有在光的波長比障礙物小很多的情況下，光才可以看成是沿直線傳播的，所以光的衍射現象和直線傳播是不矛盾的，它們是在不同條件下出現的兩種現象，故選項A、B、D正確.
3.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
甲　　　　　乙　　　　丙　　 　　　丁
A.紅黃藍紫　　　　B.紅紫藍黃
C.藍紫紅黃　　　　D.藍黃紅紫
√
雙縫干涉條紋平行等距，且波長越長，條紋間距越大，而紅光波長比藍光波長長，故題圖甲為紅光的干涉圖樣，題圖丙為藍光的干涉圖樣；單縫衍射條紋是中間明亮且寬大，越向兩側寬度越小越暗，而波長越長，中央亮條紋越寬，由于黃光波長比紫光波長長，故題圖丁為黃光的衍射圖樣，題圖乙為紫光的衍射圖樣，故選B.
甲　　　　　乙　　　　丙　　 　　　丁
總結提升
　　種類 項目 單縫衍射 雙縫干涉
圖樣
不 同 點 產生條件 狹縫足夠小(發生明顯衍射) 頻率相同的兩列光波相遇疊加
條紋寬度 條紋寬度不等，中央條紋最寬 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，越向兩側條紋越暗 各條紋亮度基本相等
相同點 干涉、衍射都是波特有的現象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋 單縫衍射與雙縫干涉的比較
4.(2021·山東聊城市期中)讓燭光照射到一塊遮光板上，板上有一個可自由收縮的圓孔，當此圓孔緩慢地由大收縮變小直到閉合時，在孔后的屏上將先后出現的現象是(遮住側面光)
A.圓形光斑　倒立的燭焰　明暗相間的圓環
B.明暗相間的圓環　圓形光斑　倒立的燭焰
C.倒立的燭焰　圓形光斑　明暗相間的圓環
D.圓形光斑　明暗相間的圓環　倒立的燭焰
√
當圓孔較大時，屏上出現一個圓形光斑，隨著圓孔緩慢地收縮，光斑逐漸變??；當圓孔小到一定程度時，屏上會出現倒立的燭焰，即小孔成像；繼續使圓孔緩慢收縮，當圓孔的大小與光波波長相差不多時，在屏上可以觀察到類似圓孔衍射的圖樣；當孔閉合時，屏上就會一片黑暗.故A正確.
5.(多選)在城市交通中，選用紅燈表示禁止通行，其原因是
A.紅光容易發生干涉
B.紅光照射的距離大
C.紅光容易引起人們的視覺反應
D.紅光容易發生衍射
√
√
紅光在可見光中的波長最長，容易發生衍射，在霧天、雨天、沙塵暴等惡劣天氣里，使司機和行人都能看到紅燈，避免交通事故的發生；同時紅光也容易引起人們的視覺反應，故選C、D.
衍射光柵
1.定義：衍射光柵是由許多等寬的狹縫等距離地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
N=4
衍射光柵
透射光柵
反射光柵
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，就可以做成反射光柵.
導練
6.(多選)關于衍射光柵，下列說法正確的是
A.衍射光柵是由許多等寬度的狹縫組成的
B.衍射光柵分為透射光柵和反射光柵兩類
C.透射光柵中刻痕的部分相當于透光的狹縫
D.透射光柵中未刻痕的部分相當于透光的狹縫
√
√
√
對于透射光柵來說，當光照射到刻痕上時，光發生漫反射而不能透過，故選項C錯誤.
光的衍射
目標一：光的衍射
1.發生明顯衍射的條件
目標二：衍射光柵
1．透射光柵
2．反射光柵
當狹縫或障礙物的尺寸足夠小的時候
單縫衍射
2．三種衍射
圓孔衍射
圓板衍射
泊松亮斑趣事
1818 年，法國的巴黎科學院為了鼓勵對衍射問題的研究，懸賞征集這方面的論文。一位年輕的物理學家菲涅耳在論文中按照波動說深入研究了光的衍射。
當時的另一位法國科學家泊松是光的波動說的反對者，他按照菲涅耳的理論計算了光在圓盤后的影的問題，發現對于一定的波長、在適當的距離上，影的中心會出現一個亮斑！泊松認為這是荒謬可笑的，并認為這樣就駁倒了光的波動說。但是，就在競賽的關鍵時刻，評委阿拉果在實驗中觀察到了這個亮斑，這樣，泊松的計算反而支持了光的波動說。后人為了紀念這個有意義的事件，把這個亮斑稱為泊松亮斑，也稱為阿拉果亮斑。

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