高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第2节 光的衍射教师用书 鲁科版选修3-4

第2节光的衍射[先填空]1．光的衍射现象光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将改变沿直线传播的规律而绕到障碍物后面传播的现象．(1)单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽、最亮，其余条纹向两侧逐渐变窄、变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹．(2)圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环．2．产生明显衍射现象的条件在障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还要小的时候，就会出现明显的衍射现象．3．光的衍射现象和光的直线传播的关系光的直线传播只是一个近似的规律，当光的波长比障碍物或小孔小得多时，光可以看成沿直线传播；在孔或障碍物尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射现象就十分明显．[再判断]1．衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的．(×)2．所有光都能发生衍射现象．(√)3．红光比紫光更容易发生明显衍射现象．(√)[后思考]单缝的宽度会对衍射现象产生怎样的影响？【提示】单缝宽度越小，衍射现象越明显，但衍射条纹的亮度越小．[核心点击]1．三种衍射图样光的单缝衍射圆孔的衍射遮光板的衍射图5­2­12．单缝衍射与双缝干涉的比较1．关于衍射，下列说法正确的是( )A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在衍射现象C．一切波都很容易发生明显的衍射现象D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实E．入射波的波长越大，越容易观察到明显的衍射现象【解析】衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射．一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件，故A、B、E正确，C、D错误．【答案】ABE2．取3块不透光的板，在每块板的中间各开1个圆孔，3块板所开的圆孔大小不一.【导学号：78510059】圆孔的衍射图5­2­2(1)先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑[图(a)]，这是________的结果．(2)再换上圆孔中等的那块板[图(b)]，可以看到________________．(3)最后用圆孔最小(直径约1 mm)的那块板[图(c)]，可以看到衍射现象更明显，这说明________________．【解析】(1)光沿直线传播．(2)发生了衍射现象．(3)孔越小衍射越明显．【答案】见解析区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法1．根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的，而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，而两侧的亮条纹逐渐变窄．2．根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，而两侧的亮纹逐渐变暗．[先填空]1．一个光学仪器的分辨率本领是指将两个相互靠近的物体的象分离开来的能力．2．光学显微镜和望远镜等光学仪器，其透镜就相当于小圆孔，透镜直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低．3．衍射光栅(1)结构：有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成光学元件．狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越亮．(2)衍射图样的特点：与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．(3)衍射光栅的种类：反射光栅和透射光栅．[再判断]1．显微镜的镜头越小其分辨本领越低．(√)2．多缝干涉的结果使光栅衍射的宽度比单缝衍射时更宽．(×)3．光栅的衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果(√)[后思考]为什么通过光栅后得到的条纹与双缝干涉条纹不同？【提示】双缝干涉是由于干涉光源通过双缝后叠加产生的，通过光栅后在光屏上叠加的光具有同频率及相位差恒定的干涉特点，产生多缝干涉，也有单缝衍射．因此，其条纹是多缝干涉和单缝衍射条纹共同的结果，不同于双缝干涉条纹．[核心点击]1．圆孔衍射图样(1)中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小．如图5­2­3所示．图5­2­3(2)只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样．在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的象(小孔成象)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗．(3)用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．(4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．(5)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．2．不透明的小圆板衍射图样(1)泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小．(2)与圆孔衍射图样比较①均是明暗相间的圆形条纹，中心均有亮斑．②圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小．③圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小．④圆孔衍射图样的外侧是黑暗的，而小圆板衍射图样的外侧是明亮的．3．关于光的衍射现象，下面说法正确的是( )A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B．白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射现象E．透镜的直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低【解析】单色光照到狭缝上产生的衍射图样是明暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现光点，是衍射现象，光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中大光斑的边缘模糊，正是衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．A、C正确，B、D错误．透镜相当于圆孔，直径越小，衍射现象越明显，E正确．【答案】ACE4．如图5­2­4所示，甲、乙两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图象，其中图甲是光的________(选填“干涉”或“衍射”)图象．由此可以判断出图甲所对应的圆孔的孔径________(选填“大于”或“小于”)图乙所对应的圆孔的孔径．甲乙图5­2­4【解析】甲图是圆孔衍射图样，乙图是光沿直线传播通过圆孔形成的亮斑．【答案】衍射小于区分圆孔衍射和不透光圆盘衍射的图样1．观察中心圆心和中心圆环：中心圆心处为小亮斑且中心圆环为较宽的暗环时为圆盘衍射；若中心为大且亮的圆形亮斑，中心圆环为细而窄的暗纹时为圆孔衍射．2．观察中心圆环外第一暗纹与周边暗纹：第一暗纹宽于周边暗纹的为圆盘衍射，第一暗纹细且暗的为圆孔衍射．学业分层测评(十三)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列现象中，能产生明显衍射的是( )A．光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多B．光的波长与孔或障碍物的尺寸差别不大C．光的波长等于孔或障碍物的尺寸D．光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多E．光的波长比单缝的宽度小得多【解析】光能够产生明显衍射现象的条件是：光的波长与孔或障碍物的尺寸差别不大，或波长明显大于孔或障碍物的尺寸，故选A、B、C.【答案】ABC2．在杨氏双缝干涉实验中，如果( )A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色干涉条纹D．用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹E．用白光作为光源遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的彩色条纹【解析】用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相同，B对；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，C错；用紫光作光源，遮住一条狭缝，屏上出现单缝衍射条纹，即间距不等的条纹，D对、B、D正确．白光发生单缝衍射会在屏上形成间距不等的彩色条纹，E正确．【答案】BDE3．用卡尺观察光的衍射现象时，下列说法中正确的是( )【导学号：78510060】A．卡尺形成的狭缝应平行于日光灯，且狭缝远离日光灯，人眼也远离狭缝进行观察B．卡尺狭缝平行于日光灯观察时，可观察到中央为白色光带，两侧为彩色光带，且彩带平行于日光灯C ．狭缝由0.5 mm 宽度缩小到0.2 mm ，条纹间距变宽，亮度变暗D ．狭缝由0.5 mm 宽度扩展到0.8 mm ，条纹间距变宽，亮度变暗E ．由卡尺狭缝观察到的彩色条纹间距是不均匀的【解析】 用卡尺狭缝平行于日光灯，狭缝远离日光灯，眼睛应靠近狭缝进行观察，观察到平行于日光灯的彩色条纹，且中央为白色条纹，A 错误、B 正确；狭缝越小，衍射现象越明显，即条纹间距变宽，但亮度变暗，C 正确、D 错误；衍射条纹间距是不均匀的，E 正确．【答案】 BCE4．沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有十几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下( )A ．只有波长较短的一部分光才能到达地面B ．只有波长较长的一部分光才能到达地面C ．只有频率较大的一部分光才能到达地面D ．只有频率较小的一部分光才能到达地面E ．红光比紫光更容易穿过沙尘到达地面【解析】 据光发生明显衍射的条件，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线能到达地面，据λ＝c f知，到达地面的光是频率较小的部分．红光比紫光波长大，更容易穿过沙尘，E 正确．【答案】 BDE5．如图5­2­5所示，甲、乙、丙、丁四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样．分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )图5­2­5A ．甲、乙是光的干涉图样B ．丙、丁是光的衍射图样C ．形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长短D ．形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长短E ．形成丙图样光的波长比 形成丁图样光的波长长【解析】 由图样可得甲和乙是等间距的，丙和丁是不等间距的且中间最宽，所以甲和乙是干涉条纹，丙和丁是衍射条纹，A 、B 正确；其中甲比乙的条纹间距大，故形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长，C 项错；丙比丁的条纹间距大，形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长，D项错，E项正确．【答案】ABE6．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，看到的现象是衍射条纹的间距逐渐________，衍射现象逐渐________．【解析】由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大．本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展．故衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显．【答案】变小不明显7．如图5­2­6所示是4幅明暗相间的条纹图样，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)．则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是________．图5­2­6【解析】双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹．干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光．同一单缝衍射中，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光．【答案】红紫蓝黄8．在观察光的衍射实验中，分别观察到如图5­2­7甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹．那么障碍物应是【导学号：78510061】甲乙图5­2­7甲图对应的障碍物应是________，乙图对应的障碍物应是________．【解析】比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑．【答案】较大的中间有小圆孔的不透明圆板很小的不透明圆板[能力提升]9.抽制细丝时可以用激光监控其粗细，如图5­2­8所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则下列说法正确的是( )图5­2­8A ．这是利用光的干涉现象B ．这是利用光的衍射现象C ．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了D ．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了E ．用红色激光比蓝色激光得到的条纹更宽【解析】 上述现象符合光的衍射产生的条件，故B 正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故D 也正确；红色激光比蓝色激光波长更长，E 正确．【答案】 BDE10.如图5­2­9所示，a 、b 两束光以不同的入射角由介质射向空气，结果折射角相同，下列说法正确的是( )图5­2­9【导学号：78510062】A ．b 在该介质中的折射率比a 小B ．若用b 做单缝衍射实验，要比用a 做中央亮条纹更宽C ．用a 更易观测到泊松亮斑D ．做双缝干涉实验时，用a 光比用b 光两相邻亮条纹中心的距离更大E ．b 光比a 光更容易发生明显的衍射现象【解析】 设折射角为θ1，入射角为θ2，由题设条件知，θ1a ＝θ1b ，θ2a ＜θ2b ，由n ＝sin θ1sin θ2，知n a ＞n b ，A 正确；因为n a ＞n b ，所以λa ＜λb ，又Δx ＝l dλ，故Δx a ＜Δx b ，B 正确，D 错误；而波长越长，衍射现象越明显，C 错误．b 光比a 光更容易发生明显的衍射现象，E 正确．【答案】 ABE11．用两支铅笔观察白光的衍射实验中：(1)供观察者用的光源应用________(选填“点光源”“线光源”或“面光源”)；(2)铅笔狭缝应与光源________(选填“平行或垂直”)；(3)观察的衍射图样中央条纹的颜色是________，两侧出现________；(4)狭缝变窄时，条纹的间距变________，亮度变________．【答案】(1)线光源(2)平行(3)白色彩色(4)宽暗12．如图5­2­10所示，让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)．图5­2­10【解析】当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如题图甲所示，随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如题图乙所示；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗．【答案】见解析。