光的衍射 【知識(shí)建構(gòu)+備課精研】 高二物理 （人教版2019選擇性必修第一冊(cè)）

新人教版

高中物理選擇性必修一

第四章光

第5課光的衍射導(dǎo)入與思考既然光也是一種波，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？我們知道，波能夠繞過障礙物發(fā)生衍射。例如聲音能繞過障礙物。學(xué)習(xí)目標(biāo)知道衍射、衍射光柵在生產(chǎn)生活及科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，了解科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的關(guān)系。010203了解光的衍射概念及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。通過光的衍射的學(xué)習(xí)，對(duì)光的直線傳播現(xiàn)象提出質(zhì)疑，會(huì)從不同角度思考物理問題知識(shí)點(diǎn)

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光的雙縫干涉

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，我們看到，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。但是，當(dāng)縫調(diào)到很窄時(shí)，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。光離開直線傳播路徑繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象叫光的衍射現(xiàn)象。衍射時(shí)產(chǎn)生的明暗條紋叫衍射圖樣?？p足夠窄時(shí)，光不再沿直線傳播光的明顯衍射條件：障礙物或孔的尺寸小于波長或者和波長差不多探究思考光和聲音都能發(fā)生衍射，但為什么《紅樓夢(mèng)》里的王熙鳳出場(chǎng)時(shí)，總是先聽見她的聲音，卻看不到她的人呢？因?yàn)槁曇舻牟ㄩL比光的波長大的多，更容易發(fā)生明顯衍射，即更容易繞過障礙物向前傳播。那各種顏色的光波衍射圖象一樣嗎？單縫衍射單色光單縫衍射圖樣的特點(diǎn)：1.條紋不等間距；2.中央條紋亮而寬；3.兩側(cè)條紋較暗較窄，對(duì)稱分布；4.波長一定時(shí)，單縫越窄，現(xiàn)象越明顯。不同波長光的衍射圖樣：①

單縫不變，波長越大，衍射越明顯，中央亮紋越寬。②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．不同色光的單縫衍射歸納對(duì)比干涉條紋與衍射條紋的區(qū)別干涉：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(duì)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，白光形成彩色條紋例1.（2022·上?！つM預(yù)測(cè)）在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，僅減小單縫的寬度，則屏上（）A．條紋變寬，光強(qiáng)增強(qiáng) B．條紋變窄，光強(qiáng)增強(qiáng)C．條紋變寬，光強(qiáng)減弱 D．條紋變窄，光強(qiáng)減弱典型例題【答案】C

【詳解】在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，單縫的寬度越小，衍謝現(xiàn)象越明顯，條紋的間距越大；狹縫的寬度越小，通光量越小，視野的亮度會(huì)變暗，光強(qiáng)越弱，故僅減小單縫的寬度，條紋會(huì)變寬，光強(qiáng)減弱，故ABD錯(cuò)誤，C正確。故選C。變

式1

．（2022·四川省蒲江縣蒲江中學(xué)高二階段練習(xí)）如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、紫光各自通過同一個(gè)雙縫干涉儀器和同一個(gè)單縫衍射儀器后形成的干涉圖樣和衍射圖樣（黑色部分表示亮條紋）。關(guān)于這4幅圖樣，下列說法正確的是（）A．圖樣甲為紅光的干涉圖樣 B．圖樣乙為紫光的干涉圖樣C．圖樣丙為紅光的衍射圖樣 D．圖樣丁為紫光的衍射圖樣【答案】A

【詳解】干涉圖樣為等間距的，因?yàn)榧t光波長比紫光的長，所以由

，知紫光的間距較小，所以圖樣甲為紅光的干涉圖樣，圖樣丙為紫光的干涉圖樣。衍射圖樣為中間寬兩側(cè)窄的特點(diǎn)，且波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，故圖樣乙為紫光的衍射圖樣，圖樣丁為紅光的衍射圖樣。故選A。圓孔衍射孔較大時(shí)——屏上出現(xiàn)清晰的光斑S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）。S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.歸納對(duì)比圓孔衍射圖樣的兩個(gè)特點(diǎn)：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距的圓環(huán)．越向外，亮環(huán)亮度越低．②白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán)．圓孔衍射現(xiàn)象探究思考光遇到不透明的障礙物會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？是否可以繞過障礙物呢，跑到影子里面去呢？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，歷史上曾有一個(gè)著名的衍射圖樣——泊松亮斑．實(shí)驗(yàn)：在光束中放一個(gè)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(gè)亮斑。中心有小亮斑歸納對(duì)比圓孔衍射圓盤衍射圓盤和小圓孔的衍射圖樣對(duì)比相同點(diǎn)：均是明暗相間的光環(huán),中心均有亮斑不同點(diǎn)：①圓孔衍射中心亮斑較大,而泊松亮斑較??；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?。虎蹐A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。光的衍射現(xiàn)象

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例2.（2022·全國·高三練習(xí)）4.某次光的衍射實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖所示的明暗相間的圖樣，則障礙物為()A.很小的不透明圓板B.中間有較小圓孔的不透明擋板C.很大的不透明圓板D.中間有較大圓孔的不透明擋板典型例題【答案】B

【詳解】A、用光照射很小的不透明圓板時(shí)后面出現(xiàn)一亮點(diǎn)，即泊松亮斑，故A錯(cuò)誤。B、用光照射中間有較小圓孔的不透明擋板時(shí)是明暗相間的衍射圖樣，故B正確。C、很大的不透明圓板時(shí)后面是一片陰影，故C錯(cuò)誤。D、在做衍射實(shí)驗(yàn)中，如果不透明擋板中間的圓孔比較大時(shí)，不會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，或者衍射現(xiàn)象不明顯，觀察不到明暗相間的圖樣，故D錯(cuò)誤。變

式2

．（2022·湖北武漢·高二期末）用如圖甲所示裝置做圓孔衍射實(shí)驗(yàn)，在屏上得到的衍射圖樣如圖乙所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光繞過孔的邊緣，傳播到了相當(dāng)大的范圍。下列說法正確的是（

）A．此實(shí)驗(yàn)說明了光不沿直線傳播且具有粒子性B．用不同波長的光做實(shí)驗(yàn)，衍射圖樣完全相同C．若只將圓孔變小，則中央亮斑和亮紋的亮度反而變大D．若只將圓孔變小，則屏上得到的衍射圖樣的范圍將會(huì)變大【答案】D

【詳解】A．此實(shí)驗(yàn)說明了光的衍射現(xiàn)象，且光具有波動(dòng)性，A錯(cuò)誤；B．用不同波長的光做實(shí)驗(yàn)，衍射圖樣并不相同，因?yàn)椴ㄩL越長，對(duì)同一圓孔而言，衍射現(xiàn)象越明顯，B錯(cuò)誤；C．圓孔變小，透光強(qiáng)度變小，中央亮斑和亮紋的亮度變?nèi)?，C錯(cuò)誤；D．圓孔變小，衍射現(xiàn)象更明顯，衍射圖樣的范圍反而變大，D正確。故選D。知識(shí)點(diǎn)

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衍射光柵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(diǎn)與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加．科

學(xué)

漫

步

泊松亮斑趣事1818年，法國的巴黎科學(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)說深入研究了光的衍射。當(dāng)時(shí)的另一位法國科學(xué)家泊松是光的波動(dòng)說的反對(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、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。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。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?？?/p>

學(xué)

漫

步

X射線衍射與雙螺旋1912年，德國科學(xué)家勞厄觀測(cè)到了這種衍射現(xiàn)象。在當(dāng)時(shí)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(cè)，同時(shí)證實(shí)了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，被愛因斯坦譽(yù)為物理學(xué)中最美的實(shí)驗(yàn)。勞厄因此獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(cè)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(shí)驗(yàn)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(jiǎng)?？?/p>

學(xué)

漫

步

X射線衍射與雙螺旋

今天，X射線衍射已經(jīng)成為人們探測(cè)晶體和大分子結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)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)。在20世紀(jì)50年代，生物學(xué)家已經(jīng)知道DNA是細(xì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)代的事件。它宣告了分子生物學(xué)的誕生，標(biāo)志著生物學(xué)已經(jīng)進(jìn)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(jiǎng)。1.（2022·甘肅·慶陽第六中學(xué)高二期末）下列所示的圖片、示意圖大都來源于課本，關(guān)于這些圖的判斷，下列說法正確的是（）。A．圖1是圓盤衍射的圖樣，圖2為“泊松亮斑”B．圖1為“泊松亮斑”，圖2是小孔衍射的圖樣C．圖3是雙縫干涉圖樣，圖4是單縫衍射圖樣D．圖3是單縫衍射圖樣，圖4是雙縫干涉圖樣課堂練習(xí)【答案】C【詳解】AB．“泊松亮斑”是“小圓盤”產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，形成的衍射圖樣是陰影中心有一個(gè)“亮斑”，而小孔衍射的圖樣是中間有“亮斑”，無陰影，故AB錯(cuò)誤；CD．丙圖很明顯是雙縫干涉的圖樣，因干涉圖樣中的條紋間距是相等的，單縫衍射圖樣中的條紋間距是不相等的，中間最寬、最亮，丁圖是單縫衍射圖樣，故C正確，D錯(cuò)誤。故選C。2.（2022·陜西西安·高二期末）下列現(xiàn)象中屬于衍射現(xiàn)象的是（）A．馬路上積水的油膜的彩色 B．肥皂膜上出現(xiàn)的彩色條紋C．雨后天空出現(xiàn)彩虹

D．對(duì)著日光燈從兩鉛筆的縫中看到的彩色條紋【答案】D【詳解】A．馬路上積水的油膜的彩色是光在油膜的上下兩個(gè)表面分別發(fā)生反射，兩列反射光在油膜的上表面發(fā)生薄膜干涉形成的彩色，是干涉現(xiàn)象，故A錯(cuò)誤；B．肥皂膜上出現(xiàn)的彩色條紋是光在肥皂薄膜的里外表面分別發(fā)生反射，兩列反射光在外表面發(fā)生疊加干涉形成彩色條紋，這是光的薄膜干涉現(xiàn)象，故B錯(cuò)誤；C．雨后天空出現(xiàn)彩虹是光被小水珠反射后出現(xiàn)的色散現(xiàn)象，故C錯(cuò)誤；D．對(duì)著日光燈從兩鉛筆的縫中看到的彩色條紋，是光的單衍射現(xiàn)象，故D正確。故選D。3.（2022·全國·高二課時(shí)練習(xí)）在抽制很細(xì)的金屬絲的過程中，可以用激光隨時(shí)監(jiān)測(cè)抽絲的粗細(xì)情況。其裝置如圖甲所示，在抽絲機(jī)的細(xì)絲出口附近，用一束激光沿與細(xì)絲垂直的方向照射細(xì)絲，在細(xì)絲的另一側(cè)用光屏接收激光。工作人員通過觀察光屏上明暗相間亮斑的情況（如圖乙所示為沿激光傳播方向看到的光屏情況），便可知道抽制出的細(xì)絲是否合格。對(duì)于這種監(jiān)控抽絲機(jī)的裝置，下列說法中正確的是（）A．這是利用光的直線傳播規(guī)律

B．這是利用光的衍射現(xiàn)象C．如果屏上條紋變寬，表明細(xì)絲粗了 D．如果屏上條紋變寬，表明細(xì)絲細(xì)了【答案】BD【詳解】A．由題意知條紋的形成屬單縫衍射，并非運(yùn)用光的直線傳播規(guī)律，而是利用光的衍射現(xiàn)象，A錯(cuò)誤B．單縫衍射現(xiàn)象，其原理是利用光的衍射現(xiàn)象，B正確；C．由單縫衍射知縫變窄而條紋寬度變寬，故如果屏上條紋變寬，表明細(xì)絲變細(xì)了，C錯(cuò)誤；D．屏上條紋變寬，表明細(xì)絲細(xì)了，D正確。故選BD。4.（2022·山西省翼城中學(xué)校高二期末）對(duì)如圖所示的圖片、示意圖或?qū)嶒?yàn)裝置圖，下列判斷正確的是（）A．甲圖中的“泊松亮斑”是小孔衍射的結(jié)果B．乙圖是利用薄膜干涉來檢測(cè)玻璃板的平整程度C．丙圖是雙縫干涉示意圖，若P到s1、s2的路程差是半波長的偶數(shù)倍，則P處出現(xiàn)亮條紋D．丁圖是薄膜干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置圖，在鐵絲圈上的肥皂膜上出現(xiàn)的是豎直條紋【答案】BC【詳解】A．“泊松亮斑”是小圓盤產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，形成的衍射圖樣是陰影中心有一個(gè)“亮斑”，A錯(cuò)誤;B．乙圖是薄膜干涉的應(yīng)用