2023-2024學(xué)年魯科版選擇性必修第一冊(cè) 第5章 第3節(jié) 光的衍射 學(xué)案

第3節(jié)光的衍射核心素養(yǎng)目標(biāo)1.知道光的衍射現(xiàn)象，掌握產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。2.掌握光的衍射條紋與干涉條紋的區(qū)別。3.了解衍射對(duì)分辨本領(lǐng)的影響及衍射光柵的特點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)一衍射現(xiàn)象衍射對(duì)分辨本領(lǐng)的影響1．衍射現(xiàn)象(1)定義：光繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。(2)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有當(dāng)障礙物或孔的尺寸接近光的波長(zhǎng)時(shí)，衍射現(xiàn)象才是明顯的。2．衍射對(duì)分辨本領(lǐng)的影響(1)一個(gè)光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)，就是這個(gè)儀器能把彼此靠近的物體的像分離開來的能力。(2)光學(xué)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器，其透鏡就相當(dāng)于小圓孔，透鏡的直徑越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低。知識(shí)點(diǎn)二衍射光柵1．定義：在兩個(gè)螺桿上繃上許多平行的細(xì)金屬線，或者在玻璃片上刻上許多均勻細(xì)槽的光學(xué)器件。2．種類：透射光柵和反射光柵。3．圖樣：透射光柵的衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。多縫干涉的結(jié)果使光柵衍射的亮條紋的寬度比單縫衍射時(shí)窄得多，明條紋又細(xì)又亮。圖甲所示為透過兩支鉛筆并在一起的狹縫觀看日光燈看到的彩色條紋；圖乙所示為顯微鏡；圖丙所示為通過光柵拍攝燈光得到的奇妙效果。(1)透過兩支鉛筆并在一起的狹縫觀看日光燈看到的彩色條紋是光的干涉現(xiàn)象。(×)(2)顯微鏡的鏡頭越小，其分辨本領(lǐng)越低。(√)(3)光柵的衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。(√)要點(diǎn)一光的衍射的理解如圖甲所示，在一塊不透光板的中間開一個(gè)直徑大小可調(diào)的圓孔，用點(diǎn)光源照射圓孔，圓孔的直徑由較大逐漸變小時(shí)，在屏上會(huì)出現(xiàn)的明亮圓形光斑逐漸變小(如圖乙、丙所示)，直至在屏上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋(如圖丁所示)。請(qǐng)思考：(1)圖乙、丙中的情景是什么現(xiàn)象造成的？(2)圖丁中的情景是什么現(xiàn)象造成的？提示：(1)圖乙、丙中的情景是光的直線傳播現(xiàn)象。(2)圖丁中的情景是光的衍射現(xiàn)象。1．光產(chǎn)生明顯衍射的條件障礙物或孔的尺寸接近光的波長(zhǎng)，甚至比光的波長(zhǎng)小。注意：光的直線傳播只是一個(gè)近似的規(guī)律，當(dāng)障礙物或狹縫的尺寸很大時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，光可以看成沿直線傳播。2．三種衍射圖樣的比較分類圖樣特點(diǎn)單縫衍射(1)單色光：①中央條紋最亮，越向兩邊越暗；條紋間距不等，越靠外，條紋間距越小；中央條紋最寬，兩邊條紋寬度變窄。②中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長(zhǎng)及單縫寬度有關(guān)，入射光的波長(zhǎng)越大，單縫越窄，中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大。(2)白光：中央亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中央亮條紋最寬、最亮圓孔衍射(1)單色光：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)，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越小。(2)白光：中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色同心圓環(huán)。波長(zhǎng)越大，中央圓形亮斑的直徑越大圓盤衍射(1)中央是亮斑。(2)形成泊松亮斑時(shí)，圓盤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(huán)【典例1】某研究性學(xué)習(xí)小組用激光束照射圓孔和不透明圓板后，分別得到如圖所示的衍射圖樣，據(jù)此可以判斷出()A．甲、乙圖都是光線射到圓孔后的衍射圖樣，甲圖中孔的直徑較大B．甲、乙圖都是光線射到圓板后的衍射圖樣，乙圖中板的直徑較大C．甲圖是光線射到圓孔后的衍射圖樣，乙圖是光線射到圓板后的衍射圖樣D．乙圖是光線射到圓孔后的衍射圖樣，甲圖是光線射到圓板后的衍射圖樣解析用激光束照射圓孔和不透明圓板后，圓孔形成明暗相間的、不等亮、不等間距的圓環(huán)，不透明圓板背后陰影中心有一個(gè)亮斑，則知甲是光線射到圓孔后的衍射圖樣，乙是光線射到圓板后的衍射圖樣，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案C衍射圖樣的特征(1)衍射條紋的特征可以用十二個(gè)字概括：“中寬邊窄”“中亮邊暗”“中白邊彩”。其中“中白邊彩”只適合于白光光源。(2)各種衍射圖樣的形狀不同，而圖樣的分布規(guī)律、影響因素都是類似的。|規(guī)律方法|1．在觀察光的衍射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，通過緊靠眼睛的卡尺測(cè)腳形成的狹縫，觀看遠(yuǎn)處的線狀白熾燈絲(燈管或燈絲都要平行于狹縫)，可以看到()A．黑白相間的直條紋 B．黑白相間的弧形條紋C．彩色的直條紋 D．彩色弧形條紋解析：C通過緊靠眼睛的卡尺測(cè)腳形成的狹縫，觀看遠(yuǎn)處的日光燈管或線狀白熾燈絲(燈管或燈絲都要平行于狹縫)，白熾燈發(fā)出的是復(fù)色光，可以看到間距不同、彩色的衍射條紋，條紋與狹縫平行，為彩色的直條紋，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。2．[多選]關(guān)于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是()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(xiàn)泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射D．光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射解析：AC紅光照到狹縫上產(chǎn)生的衍射圖樣是紅暗相間的直條紋，A項(xiàng)正確；白光的衍射圖樣是彩色條紋，B項(xiàng)錯(cuò)誤；光照到不透明小圓盤上，在其陰影中心處出現(xiàn)亮點(diǎn)，是衍射現(xiàn)象，C項(xiàng)正確；光的衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分，雖然光沿直線傳播，但仍存在光的衍射，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3.在一次觀察光的衍射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖所示的清晰明暗相間的圖樣，那么障礙物應(yīng)是(黑線為暗線)()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．很大的不透明的圓板D．很大的中間有小圓孔的不透明的圓板解析：D圖樣為清晰的衍射圖樣；圖樣中心為亮斑，說明障礙物為很大的中間有小圓孔的不透明的圓板；若為很小的不透明的圓板，則中央有一個(gè)小亮點(diǎn)，亮點(diǎn)外為大暗環(huán)；若為很大的不透明的圓板，則圖樣為大暗斑，只是邊緣稍模糊。故選D。要點(diǎn)二單縫衍射與雙縫干涉的比較1．單縫衍射與雙縫干涉的對(duì)比項(xiàng)目單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)產(chǎn)生條件只要狹縫足夠小，任何光都能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象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，兩邊最暗條紋清晰，亮度基本相等相同點(diǎn)成因都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時(shí)加強(qiáng)或削弱的結(jié)果意義都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波2．三點(diǎn)提醒(1)單縫衍射可以理解為若干個(gè)光源的干涉，從而理解條紋相間排列。(2)光波的波長(zhǎng)增大，衍射條紋、干涉條紋的寬度都變大。(3)復(fù)色光的衍射或干涉圖樣，可認(rèn)為是各單色光單獨(dú)衍射或干涉所成圖樣的疊加。【典例2】[多選]如圖所示的四種明暗相間的條紋，是紅光、紫光分別通過同一個(gè)雙縫干涉儀形成的干涉圖樣和通過同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣。圖中黑色部分代表亮條紋，下列判斷正確的是()A．圖甲是紅光的雙縫干涉圖樣B．圖乙是紫光的雙縫干涉圖樣C．圖丙是紫光的單縫衍射圖樣D．圖丁是紅光的單縫衍射圖樣解析單色光的雙縫干涉的圖樣是明暗相間、等間距的條紋，根據(jù)條紋間距Δy＝eq\f(l,d)λ可知波長(zhǎng)λ越大，Δy越大。因此，圖甲是紅光的雙縫干涉圖樣，圖丙是紫光的雙縫干涉圖樣，故A正確，C錯(cuò)誤；單色光的單縫衍射條紋中間明亮且寬度大，越向兩側(cè)寬度越小越暗，且波長(zhǎng)越大，中央亮條紋就越寬，故圖乙是紫光單縫衍射圖樣，圖丁是紅光單縫衍射圖樣，故B錯(cuò)誤，D正確。答案AD1．關(guān)于光的干涉和衍射現(xiàn)象，下列說法正確的是()A．光的干涉現(xiàn)象遵循波的疊加原理，衍射現(xiàn)象不遵循波的疊加原理B．光的干涉條紋是彩色的，衍射條紋是黑白相間的C．光的干涉現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光的衍射現(xiàn)象不能說明這一點(diǎn)D．光的干涉和衍射現(xiàn)象都是光波疊加的結(jié)果解析：D光的干涉現(xiàn)象和光的衍射現(xiàn)象都是波的特有現(xiàn)象，都是光波疊加的結(jié)果，白光的干涉條紋是彩色的，白光的衍射條紋也是彩色的，只是條紋間距特點(diǎn)及亮度特點(diǎn)不同而已。2．利用如圖1所示的裝置(示意圖)，觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到如圖2中甲和乙兩種圖樣。下列關(guān)于P處放置的光學(xué)元件說法正確的是()A．甲對(duì)應(yīng)單縫，乙對(duì)應(yīng)雙縫B．甲對(duì)應(yīng)雙縫，乙對(duì)應(yīng)單縫C．都是單縫，甲對(duì)應(yīng)的縫寬較大D．都是雙縫，甲對(duì)應(yīng)的雙縫間距較大解析：A單縫衍射圖樣的中央條紋亮且寬，相鄰條紋間距不等；雙縫干涉圖樣中相鄰條紋間距相等。根據(jù)題目中給出的甲、乙兩種圖樣可知，甲是單縫衍射的圖樣，乙是雙縫干涉的圖樣，選項(xiàng)A正確。3．如圖所示的4幅明暗相間的條紋圖樣，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(黑色部分表示亮紋)。則下面的四幅圖從左到右排列，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)黃紅紫解析：B雙縫干涉條紋是等間距的條紋，單縫衍射條紋是中間最寬、兩邊越來越窄的條紋，因此1、3是干涉條紋，2、4是衍射條紋。干涉條紋中，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋越寬，因此1是紅光，3是藍(lán)光。同一單縫衍射條紋，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋越寬，因此2是紫光，4是黃光。|要點(diǎn)回眸|1．下列光現(xiàn)象中，光學(xué)原理與其他各項(xiàng)不同的是()解析：AA圖是由于光的干涉形成的，B、C、D圖是由于光的衍射形成的，故選A。2．[多選]下列四種現(xiàn)象，是光的衍射現(xiàn)象造成的是()A．通過游標(biāo)卡尺兩卡腳間狹縫觀察發(fā)出紅光的燈管，會(huì)看到平行的明暗相間的條紋B．不透光的圓片后面的陰影中心出現(xiàn)一個(gè)泊松亮斑C．太陽光照射下，樹下地面上有許多圓形亮斑D．用點(diǎn)光源照射小圓孔，后面屏上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)解析：ABD在選項(xiàng)C中，樹下地面上的圓形亮斑是小孔成像形成的，其他選項(xiàng)均是光的衍射現(xiàn)象造成的，故選A、B、D。3．[多選]關(guān)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(dāng)于透光的狹縫D．透射光柵中未刻痕的部分相當(dāng)于透光的狹縫解析：ABD對(duì)于透射光柵來說，當(dāng)光照射到刻痕上時(shí)，由于光發(fā)生漫反射而不能透過，故C錯(cuò)誤。4．我們經(jīng)常看到，凡路邊施工處總掛有紅色的燈，除了紅色光