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新人教版 選擇性必修一
第四章 光
第五節(jié) 光的衍射
新課引入
通過前面的學(xué)習(xí)我們知道，波能夠繞過障礙物發(fā)生衍射，如水波、聲波等。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？
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
1.實驗演示
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
1.實驗演示
在擋板上安裝一個寬度可調(diào)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(chǎn)生一條與縫寬相當?shù)牧翖l紋。但是，當縫調(diào)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(xiàn)了明暗相間的條紋。
一、光的衍射
這表明，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(xiàn)象。
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
2.光的衍射現(xiàn)象
1.波長一定時，單縫越窄,中央條紋越寬，各條紋間距越大．(衍射越明顯)
2.單縫不變時，波長大的中央亮紋越寬，條紋間隔越大(衍射越明顯)
3.白光的單縫衍射條紋為中央亮,兩側(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．
二、單縫衍射條紋
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
3.單縫衍射圖樣的規(guī)律
干涉：等距的明暗相間的條紋，亮條紋的亮度向兩邊減弱較慢。
衍射：中央有一條較寬亮條紋，兩邊是對稱明暗相間的條紋，亮條紋的亮度向兩邊減弱得很快。
（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
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
4.干涉、衍射圖樣的區(qū)別
四、圓孔衍射
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
5.圓孔衍射實驗
新課講授
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
5.圓孔衍射實驗
孔較大時——屏上出現(xiàn)清晰的光斑
A
S
幾乎沿直線傳播
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
6.圓孔衍射現(xiàn)象
孔較小時——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)的范圍遠遠超過了光沿直線傳播所能照明的范圍）
原因:來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
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
6.圓孔衍射現(xiàn)象
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大得多的情況下，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以近似認為光是沿直線傳播的。
在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時就不能說光沿直線傳播了
學(xué)習(xí)任務(wù)一：光的衍射
7.光明顯衍射的條件
不只是狹縫和圓孔，各種不同形狀的物體都能使光發(fā)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(xiàn)象：在不透明圓盤的陰影后面，出現(xiàn)了一個亮斑。
泊松亮斑
中心有小亮斑
拓展1：圓盤衍射
拓展1：圓盤衍射
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(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：均是明暗相間的光環(huán),中心均有亮斑
①圓孔衍射中心亮斑較大,而泊松亮斑較小；
拓展2：圓孔衍射與圓盤衍射
不只是狹縫和圓孔，各種不同形狀的物體都能使光發(fā)生衍射，以至使影的輪廓模糊不清，其原因是光通過物體的邊緣而發(fā)生衍射的結(jié)果．
圓屏衍射
圓孔衍射
鋼針的衍射
拓展3：光的衍射現(xiàn)象
1.結(jié)構(gòu)由許多等寬的狹縫等距離排列起來形成的光學(xué)儀器．
2.衍射圖樣特點與單縫衍射相比，增加條紋個數(shù)，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加．
六、衍射光柵
學(xué)習(xí)任務(wù)二：光柵
新課講授
3.用羽毛做光柵衍射實驗
學(xué)習(xí)任務(wù)二：光柵
1818 年，法國的巴黎科學(xué)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(xué)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(xué)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(fā)現(xiàn)對于一定的波長、在適當?shù)木嚯x上，影的中心會出現(xiàn)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(guān)鍵時刻，評委阿拉果在實驗中觀察到了
這個亮斑（圖 ），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。
泊松亮斑趣事
科學(xué)漫步
晶體中原子的排列是規(guī)則的，原子間距與 X 射線波長接近。這使得 X 射線照射在晶體上會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。衍射圖樣中斑點的強度和位置包含著有關(guān)晶體的大量信息。因此，人們可以利用 X 射線衍射探測晶體的結(jié)構(gòu)（圖 ）。
X 射線衍射與雙螺旋
X 射線晶體衍射實驗示意圖
科學(xué)漫步
1912 年，德國科學(xué)家勞厄觀測到了這種衍射現(xiàn)象。在當時人們并不確信 X 射線是一種電磁波，也不確信晶體是由周期性排列的原子組成的。勞厄的觀測，同時證實了 X射線的波動性和晶體內(nèi)部的原子點陣結(jié)構(gòu)，被愛因斯坦譽為物理學(xué)中最美的實驗。勞厄因此獲得了 1914 年諾貝爾物理學(xué)獎。之后，英國物理學(xué)家布拉格父子深入研究了利用 X 射線測量和分析晶體結(jié)構(gòu)的方法。他們的工作奠定了這一技術(shù)的實驗和理論基礎(chǔ)，為此，布拉格父子共同獲得了 1915 年諾貝爾物理學(xué)獎。今天，X 射線衍射已經(jīng)成為人們探測晶體和大分子結(jié)構(gòu)的標準技術(shù)手段之一，被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)和生物學(xué)等許多領(lǐng)域。這一技術(shù)所帶來的最重要成果之一，就是 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。
X 射線衍射與雙螺旋
科學(xué)漫步
在 20 世紀 50 年代，生物學(xué)家已經(jīng)知道 DNA 是細胞中攜帶遺傳信息的物質(zhì)，下一步就是要搞清楚 DNA 的結(jié)構(gòu)，從而確定它的化學(xué)作用。從 1951 年開始，英國物理學(xué)家威爾金斯和富蘭克林研究了 DNA 對 X 射線的衍射，獲得了一系列 DNA 纖維的X 射線衍射圖樣（圖 ）。英國卡文迪什實驗室（主任為小布拉格）的美國生物學(xué)家沃森和英國生物學(xué)家克里克則根據(jù)這些數(shù)據(jù)提出了 DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這是生物學(xué)史上劃時代的事件。它宣告了
分子生物學(xué)的誕生，標志著生物學(xué)已經(jīng)進入了分子
水平。沃森、克里克和威爾金斯因此獲得了 1962 年
的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
X 射線衍射與雙螺旋
科學(xué)漫步
1.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
A
當堂達標訓(xùn)練
三、折射率
2.一束紅光射向一塊有雙縫的不透光的薄板,在薄板后的光屏上呈現(xiàn)明暗相間的干涉條紋,現(xiàn)將其中一條窄縫擋住,讓這束紅光只通過一條窄縫,則在光屏上可以看到(　　)
A.與原來相同的明暗相間的條紋,只是明條紋比原來暗些
B.與原來不相同的明暗相間的條紋,而中央明條紋變寬些
C.只有一條與縫寬對應(yīng)的明條紋
D.無條紋,只存在一片紅光
B
當堂達標訓(xùn)練
3.用紅光、藍光分別做雙縫干涉實驗,用黃光、紫光分別做單縫衍射實驗,得到的圖樣如圖所示(黑色部分表示亮紋).在四個圖中從左往右排列,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
B
[解析]雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋,所有亮條紋寬度相同且等間距,根據(jù)雙縫干涉條紋間距Δx=λ可知,波長λ越大,則Δx越大,故左邊第一個是紅光的,第三個是藍光的;單縫衍射條紋是中間明亮且寬大,越向兩側(cè)寬度越小越暗,且波長越大,則中央亮條紋越粗,選項B正確.
當堂達標訓(xùn)練
4.利用圖甲所示的裝置,觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象,在光屏上得到圖乙和圖丙兩種圖樣.則 (　)
A.乙對應(yīng)單縫,丙對應(yīng)雙縫
B.乙對應(yīng)雙縫,丙對應(yīng)單縫
C.都是單縫,乙對應(yīng)的縫寬較大
D.都是雙縫,乙的雙縫間距較大
[解析]單縫衍射圖樣為中央亮紋最寬最亮,往兩邊變窄,雙縫干涉圖樣是明暗相間的條紋,條紋間距相等,條紋寬度相等,結(jié)合圖乙、丙可知,乙對應(yīng)單縫,丙對應(yīng)雙縫,A正確,B、C、D錯誤.
A
當堂達標訓(xùn)練
5.讓太陽光垂直照射一塊大的遮光板,板上有一個可以自由收縮的三角形孔,當此三角形孔緩慢縮小直至完全閉合時,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,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,即太陽的像;再減小三角形孔,至其大小與光的波長可比時,屏上又會呈現(xiàn)出彩色條紋,這是光通過小孔后的衍射圖樣.D正確.
當堂達標訓(xùn)練

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