光的衍射高二物理素養(yǎng)提升學(xué)案（人教版2019選擇性）

高中物理選擇性必修一素養(yǎng)提升學(xué)案第四章光

光的衍射【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念1.了解光的衍射現(xiàn)象。2.知道衍射是波的特性?？茖W(xué)思維.通過觀察得出光明顯衍射的條件?？茖W(xué)探究經(jīng)歷光的衍射實(shí)驗(yàn)的過程，體會(huì)衍射是波的特性?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過生活中實(shí)例觀察，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)物理之美，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣?！局R(shí)點(diǎn)探究】1．用單色平行光照射狹縫，當(dāng)縫很窄時(shí)，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當(dāng)寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。2．各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋。3．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：在障礙物的尺寸跟光的波長(zhǎng)相當(dāng)，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯。4．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?！緶剀疤崾尽慨?dāng)障礙物較大時(shí)，衍射現(xiàn)象仍會(huì)發(fā)生，只是不明顯。用兩支圓柱形鉛筆并在一起，形成一個(gè)狹縫，使狹縫平行于日光燈，會(huì)看到彩色的衍射條紋?！究键c(diǎn)探究】光的衍射取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個(gè)圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一。先用點(diǎn)光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明亮的圓形光斑圖a；再換上圓孔中等的那塊板，在屏上會(huì)出現(xiàn)圖b；最后用圓孔最?。ㄖ睆郊s為1mm）的那塊板，在屏上會(huì)出現(xiàn)圖c。（1）圖b中的屏上產(chǎn)生了什么現(xiàn)象？（2）比較屏上圖b和圖c說明了什么？提示：（1）衍射。（2）孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯。1．產(chǎn)生明顯衍射的條件障礙物的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相近或比光的波長(zhǎng)還要小時(shí)能產(chǎn)生明顯的衍射。對(duì)同樣的障礙物，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，衍射現(xiàn)象越明顯；對(duì)某種波長(zhǎng)的光，障礙物越小，衍射現(xiàn)象越明顯。由于波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射性越好，所以觀察到聲波的衍射現(xiàn)象就比觀察到光波的衍射現(xiàn)象容易得多。2．三種不同的衍射現(xiàn)象及特點(diǎn)（1）單縫衍射①現(xiàn)象：如圖所示，點(diǎn)光源S發(fā)出的光經(jīng)過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區(qū)域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳播而是傳到幾何陰影區(qū)，在AA′、BB′區(qū)出現(xiàn)亮暗相間的條紋，即發(fā)生了衍射現(xiàn)象。②單縫衍射圖樣的四個(gè)特點(diǎn)：a．中央條紋亮而寬；b．兩側(cè)亮條紋具有對(duì)稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱；c．波長(zhǎng)一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大，單縫不變時(shí)，光波波長(zhǎng)大的中央條紋寬，條紋間距大；d．白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近白色亮條紋的內(nèi)側(cè)為紫色。（2）圓孔衍射①現(xiàn)象：圓孔衍射如圖甲所示，當(dāng)擋板AB上的圓孔較大時(shí)，光屏上出現(xiàn)如圖乙a中所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)擋板AB上的圓孔很小時(shí)，光屏上出現(xiàn)如圖乙b中所示的衍射圖樣，出現(xiàn)亮、暗相間的圓環(huán)。甲abc乙②圓孔衍射圖樣的兩個(gè)特點(diǎn)：a．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等距的圓環(huán)。越向外，亮環(huán)亮度越低。b．白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán)。（3）泊松亮斑——障礙物的衍射現(xiàn)象①現(xiàn)象：各種不同形狀的障礙物也能使光發(fā)生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個(gè)較小的圓形障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖乙中c所示。②障礙物的衍射圖樣的特點(diǎn)：圓形陰影中心有一亮斑，圓形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)。與小孔衍射圖樣有明顯區(qū)別。【典例1】1．對(duì)于光的衍射現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A．只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長(zhǎng)相比，甚至比光波波長(zhǎng)還要小的時(shí)候，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象B．衍射現(xiàn)象是光特有的現(xiàn)象，只有光才會(huì)發(fā)生衍射C．光的衍射現(xiàn)象否定了光沿直線傳播的結(jié)論D．光的衍射現(xiàn)象說明了光具有波動(dòng)性【答案】AD【詳解】光的衍射現(xiàn)象說明了光具有波動(dòng)性，在障礙物的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相比，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象比較明顯，在光的波長(zhǎng)比障礙物的尺寸小的情況下，衍射現(xiàn)象不明顯，可以認(rèn)為光是沿直線傳播的，所以光的衍射現(xiàn)象和光沿直線傳播是不矛盾的，它們是光在不同條件下產(chǎn)生的兩種現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象，不是光特有的現(xiàn)象。故選AD。思路點(diǎn)撥：通過衍射現(xiàn)象可知光具有波動(dòng)性?！娟P(guān)鍵點(diǎn)撥】對(duì)衍射現(xiàn)象的理解（1）衍射現(xiàn)象是否明顯方面：入射光波長(zhǎng)越大，障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小，衍射現(xiàn)象越明顯。（2）衍射條紋的亮度方面：小孔和狹縫的尺寸越小，衍射條紋的亮度越小?！就接?xùn)練】2．用單色光通過小圓盤與小圓孔做衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，在光屏上得到衍射圖樣，它們的特點(diǎn)是（）A．用小圓盤時(shí)中央是暗的，用小圓孔時(shí)中央是亮的B．用小圓盤時(shí)中央是亮的，用小圓孔時(shí)中央是暗的C．中央均為亮點(diǎn)的同心圓條紋D．中央均為暗點(diǎn)的同心圓條紋【答案】C【詳解】小圓孔衍射圖樣，中央是亮的，亮點(diǎn)周圍是明暗相間的同心圓環(huán)狀條紋；小圓盤衍射圖樣，中央也是亮的，叫泊松亮斑，亮斑周圍也有明暗相間的同心圓條紋，故只有C正確，ABD均錯(cuò)誤。故選C。3．某同學(xué)使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條寬為0.05mm的窄縫，進(jìn)行光的衍射實(shí)驗(yàn)，如圖所示，則他在光屏上看到的條紋是（）A．

B．

C．

D．

【答案】B【詳解】根據(jù)衍射條紋的特點(diǎn)進(jìn)行判斷，光的衍射條紋與狹縫平行，且中間寬、兩邊窄，不等間距，故B項(xiàng)正確，A、C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。故選B。（2023湖南名校聯(lián)合體高二期末）4．在夜晚給一個(gè)發(fā)光的燈拍攝照片時(shí)，照片中可能會(huì)出現(xiàn)從燈中心發(fā)出的一些光線，如圖1所示，這個(gè)有趣的現(xiàn)象稱為“星芒”。出現(xiàn)星芒現(xiàn)象的本質(zhì)原因是光的衍射。某實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行了如下兩組實(shí)驗(yàn)，來研究星芒線長(zhǎng)度與相機(jī)鏡頭口徑值（F值）及波長(zhǎng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)一：保持光源與相機(jī)的距離L、曝光時(shí)間t、光圈形狀不變，相機(jī)感光度IOS值為100，通過改變相機(jī)鏡頭口徑值（F值）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示；實(shí)驗(yàn)二：保持光源與相機(jī)的距離L、曝光時(shí)間t、光圈形狀不變，相機(jī)感光度IOS值為100，光圈F值14，通過選擇不同顏色的光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示（R為紅光，B為藍(lán)光）。下列說法不正確的是（

）A．為了使拍出的照片更加清晰（星芒線越短），需要調(diào)大相機(jī)鏡頭口徑值（F值）B．兩組實(shí)驗(yàn)均采用了控制變量法C．保持其他條件相同，光源發(fā)出的光波長(zhǎng)越大，拍出的照片中星芒線越長(zhǎng)D．有些照片中沒有出現(xiàn)星芒現(xiàn)象，說明在拍攝過程中光沒有發(fā)生衍射現(xiàn)象【答案】D【詳解】A．由實(shí)驗(yàn)一可知F越大，星芒線越短，照片越清晰，故A正確；B．研究星芒線長(zhǎng)度與相機(jī)鏡頭口徑值（F值）關(guān)系時(shí)，控制光源的顏色相同，研究星芒線長(zhǎng)度波長(zhǎng)的關(guān)系時(shí)，控制與相機(jī)鏡頭口徑值（F值）相同，兩實(shí)驗(yàn)均采用了控制變量法，故B正確；C．由實(shí)驗(yàn)二或衍射知識(shí)可知，波長(zhǎng)越大，衍射現(xiàn)象越明顯，星芒線越長(zhǎng)，故C正確；D．沒有出現(xiàn)星芒現(xiàn)象說明衍射現(xiàn)象不明顯，不能說沒有發(fā)生衍射現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤。本題選不正確的，故選D。（2023福建寧德三模）5．光刻機(jī)又名“掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)”，是制造芯片的核心裝備，它是利用光源發(fā)出的紫外線，將精細(xì)圖投影在硅片上，再經(jīng)技術(shù)處理制成芯片。為提高光刻機(jī)投影精細(xì)圖的能力，在光刻膠和投影物鏡之間填充液體，提高分辨率，如圖所示。則加上液體后，下列說法中正確的是（）A．紫外線進(jìn)入液體后光子能量增加B．紫外線在液體中的波長(zhǎng)比在真空中短C．傳播相等的距離，紫外線在液體中比在真空中的時(shí)間長(zhǎng)D．紫外線在液體中比在空氣中更容易發(fā)生衍射【答案】BC【詳解】A．紫外線進(jìn)入液體后,頻率不變，則光子的能量不變，故A錯(cuò)誤；BC．由公式可知，紫外線在液體中傳播速度小于真空中的傳播速度，由可知，紫外線在液體中的波長(zhǎng)比在真空中短，由可知，傳播相等的距離，紫外線在液體中比在真空中的時(shí)間長(zhǎng)，故BC正確；D．外線在液體中波長(zhǎng)變短，由發(fā)生明顯衍射的條件可知，紫外線在液體中比在空氣中更不容易發(fā)生衍射，故D錯(cuò)誤。故選BC。（2023廣東揭陽名校質(zhì)檢）6．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，分別得到如圖甲、乙所示的圖樣，則下列說法錯(cuò)誤的是（

）A．甲圖屬于圓孔衍射B．乙圖的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出這個(gè)亮斑，后來泊松發(fā)現(xiàn)圓板中心的確有這個(gè)亮斑C．不管是圓孔衍射還是圓盤衍射，影像的邊緣輪廓都是模糊不清的D．發(fā)生圓孔衍射時(shí)，圓形光環(huán)的圖樣半徑遠(yuǎn)大于圓孔的半徑，即光繞到障礙物的影子里【答案】B【詳解】A．根據(jù)衍射條紋的特點(diǎn)可知甲圖屬于圓孔衍射，故A正確；B．乙圖的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出這個(gè)亮斑，但泊松認(rèn)為這是非?；闹嚨?，后來菲涅耳與阿拉果發(fā)現(xiàn)圓板中心有這個(gè)亮斑，故B錯(cuò)誤；C．不管是圓孔衍射還是圓盤衍射，影像的邊緣輪廓都是模糊不清的，故C正確；D．發(fā)生圓孔衍射時(shí)，圓形光環(huán)的圖樣半徑遠(yuǎn)大于圓孔的半徑，即光繞到障礙物的影子里，故D正確。本題選擇錯(cuò)誤選項(xiàng)；故選B。（2023天津南開區(qū)一模）7．下列說法正確的是（

）A．光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光不僅具有波動(dòng)性，而且具有粒子性B．照相機(jī)的鏡頭呈現(xiàn)淡紫色是光的干涉現(xiàn)象C．無線電波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象比X射線更困難一些D．光纖通信依據(jù)的原理是光的折射，且內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大【答案】B【詳解】A．光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，不能說明光具有粒子性，故A錯(cuò)誤；B．照相機(jī)的鏡頭呈現(xiàn)淡紫色是光的干涉現(xiàn)象，故B正確。C．無線電波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象比X射線更容易一些，故C錯(cuò)誤；D．光纖通信依據(jù)的原理是光的全反射，且內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大，故D錯(cuò)誤。故選B。（2023上海七寶模擬）8．用同一綠色激光光源先后照射I、II兩個(gè)寬度不同的單縫，在距單縫相同距離的光屏上呈現(xiàn)的衍射圖樣分別如圖（a）、（b）所示，這I、II兩縫的寬度可能為（）A．1mm、2mm B．2mm、1mm C．50μm、100μm D．100μm、50μm【答案】C【詳解】根據(jù)發(fā)生衍射的條件可知：?jiǎn)慰p的寬度越寬，衍射現(xiàn)象越不明顯，可知I縫的寬度小于II縫的寬度，又綠光的波長(zhǎng)范圍。故選C。9．一束紅光經(jīng)過狹縫在光屏上得到如圖所示的圖樣，由此可知（）A．該圖樣屬于紅光的干涉圖樣B．狹縫寬度必遠(yuǎn)大于紅光波長(zhǎng)C．光沿直線傳播只是近似規(guī)律D．換用紫光照射，條紋間距變寬【答案】C【詳解】A．由圖可以看到，其條紋的特點(diǎn)是中央條紋最寬最亮，且條紋間距不相等，所以圖為衍射圖樣，而不是干涉圖樣，故A不符合題意；B．由發(fā)生明顯衍射條件可知，當(dāng)縫的寬度與光波的波長(zhǎng)接近或比光波的波長(zhǎng)少得多時(shí)能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，故B不符合題意；C．只有在光的波長(zhǎng)比障礙物小的多時(shí)才可以把光的傳播看做直線傳播，光沿直線傳播只是近似規(guī)律，故C符合題意；D．由衍射圖樣的特征可知，中央亮條紋的寬度與入射光的波長(zhǎng)和單縫寬窄有關(guān)，入射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，單縫越窄，中央亮條紋的寬度越大，而紅光的波長(zhǎng)比紫光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，換用紫光照射，條紋間距變窄，故D不符合題意。故選C。