第5章　第3節(jié)　光的衍射 講義-學(xué)年新教材魯科版（2019）高中物理選擇性必修第一冊(cè)

第3節(jié)光的衍射[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道光的衍射現(xiàn)象，明確產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件．科學(xué)思維掌握干涉與衍射的區(qū)別，會(huì)區(qū)分衍射條紋和干涉條紋．科學(xué)探究會(huì)用實(shí)驗(yàn)探究光的衍射規(guī)律，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解衍射對(duì)分辨本領(lǐng)的影響和衍射光柵，體會(huì)生活中光的衍射現(xiàn)象的應(yīng)用．知識(shí)點(diǎn)一衍射現(xiàn)象1．光的衍射定義光繞過(guò)障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射．2．衍射現(xiàn)象分類(1)圓孔衍射(2)單縫衍射(3)邊緣衍射(4)泊松亮斑3．光的明顯衍射的條件只有當(dāng)障礙物或孔的尺寸接近光的波長(zhǎng)時(shí)，衍射才是明顯的．光的衍射現(xiàn)象證明光是一種波．1：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)衍射和干涉條紋都是明暗相間的，所以二者是一樣的． (×)(2)所有光都能發(fā)生衍射現(xiàn)象． (√)(3)紅光比紫光更容易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象． (√)知識(shí)點(diǎn)二衍射對(duì)分辨本領(lǐng)的影響及衍射光柵1．一個(gè)光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)是指將彼此靠近的物體的像分離開來(lái)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，透鏡直徑越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低．3．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的細(xì)槽．因?yàn)樗蓄愃茤艡诘男螤睿员环Q為衍射光柵．衍射光柵可分為透射光柵和反射光柵．(2)光柵衍射的圖樣①在接收屏上得到的光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果．②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．單縫衍射和雙縫干涉都是光波疊加的結(jié)果嗎？提示：是光波疊加時(shí)加強(qiáng)或削弱的結(jié)果．2：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)顯微鏡的鏡頭越小其分辨本領(lǐng)越低． (√)(2)多縫干涉的結(jié)果使光柵衍射的寬度比單縫衍射時(shí)更寬． (×)(3)光柵的衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果． (√)考點(diǎn)1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；最后用圓孔最小(直徑約為1mm)的那塊板，在屏上會(huì)出現(xiàn)圖c．(1)屏上圖b產(chǎn)生了什么現(xiàn)象？(2)比較屏上圖b和圖c，說(shuō)明了什么？提示：(1)衍射現(xiàn)象．(2)孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯．1．單縫衍射圖樣(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)縫變窄通過(guò)的光變少，而光分布的范圍更寬，所以亮條紋的亮度降低．(3)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．(4)用白光做單縫衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，中央亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中央亮條紋仍然最寬最亮．2．圓孔衍射圖樣(1)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，如圖所示．(2)圓孔越小，中央亮斑的直徑越大，同時(shí)亮度越弱．(3)用不同色光照射圓孔時(shí)，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長(zhǎng)越大，中央圓形亮斑的直徑越大．(4)白光的圓孔衍射圖樣中，中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色同心圓環(huán)．(5)只有圓孔足夠小時(shí)才能得到明顯的衍射圖樣．在圓孔由較大直徑逐漸減小的過(guò)程中，光屏上依次得到幾種不同的現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)．3．不透明的小圓板衍射圖樣(泊松亮斑)(1)中央是亮斑．(2)形成泊松亮斑時(shí)，圓板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)．(3)周圍的亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減小．【典例1】(多選)在觀察光的衍射實(shí)驗(yàn)中，分別觀察到如圖甲、乙所示的清晰的明暗相間的圖樣，圖中黑線為暗紋．那么障礙物應(yīng)是()甲乙A．甲圖對(duì)應(yīng)的障礙物應(yīng)是小圓孔B．甲圖對(duì)應(yīng)的障礙物是小圓板C．乙圖對(duì)應(yīng)的障礙物應(yīng)是小圓板D．乙圖對(duì)應(yīng)的障礙物是小圓孔AC[比較兩圖，它們的背景明顯不同，甲圖的背景為黑色陰影，說(shuō)明障礙物應(yīng)是很大的不透明擋板，中間有透光并且?guī)в醒苌鋱D樣的花紋，說(shuō)明擋板的中間有小圓孔；乙圖的背景為白色，說(shuō)明周圍沒(méi)有障礙物，中間有不透光圓形陰影，并且?guī)в醒苌鋱D樣的花紋，說(shuō)明中間存在很小的不透明圓板，乙圖正中央的小亮點(diǎn)是泊松亮斑．故A、C正確，B、D錯(cuò)誤．]小圓板衍射與圓孔衍射的比較(1)小圓板衍射與圓孔衍射均是明暗相間的圓形條紋，中心均有亮斑．(2)圓孔衍射圖樣中心亮斑較大，而泊松亮斑較小．(3)圓孔衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而增大，小圓板衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。?4)圓孔衍射圖樣的外側(cè)是黑暗的，而小圓板衍射圖樣的外側(cè)是明亮的．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．對(duì)于單縫衍射現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是()A．縫的寬度d越小，衍射條紋越亮B．縫的寬度d越小，衍射現(xiàn)象越明顯C．縫寬度d越小，光傳播路線越接近直線D．入射光的波長(zhǎng)越短，衍射現(xiàn)象越明顯B[單縫衍射現(xiàn)象中，波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易衍射，中央亮紋越寬，所以d減小，相對(duì)波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因此衍射現(xiàn)象越明顯，B對(duì)．縫寬度d越小，越體現(xiàn)光子的隨機(jī)性，衍射越明顯，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯，所以答案為B．]考點(diǎn)2單縫衍射、雙縫干涉的比較如圖甲是光的干涉圖樣，如圖乙是光的衍射圖樣，在條紋寬度和條紋間距方面有什么不同？提示：甲圖條紋寬度相等，乙圖不等．甲圖條紋間距等距，乙圖不等．單縫衍射與雙縫干涉的比較名稱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，兩邊變暗條紋清晰，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【典例2】如圖所示的4種明暗相間的條紋，是紅光、藍(lán)光各自通過(guò)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(guò)同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)．則在下面的四個(gè)圖中從左往右排列，哪個(gè)圖是黃光形成的條紋()ABCDD[雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋，所有條紋寬度相同且等間距，故A、C是紅光、藍(lán)光各自通過(guò)同一個(gè)雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣；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，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，中央亮條紋越粗，故B、D是衍射圖樣，紫光波長(zhǎng)較短，則中央亮條紋較細(xì)，故B是紫光的衍射條紋，D是黃光的衍射條紋．故選D．]區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法(1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的，而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，而兩側(cè)的亮條紋逐漸變窄．(2)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側(cè)亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，而兩側(cè)的亮紋逐漸變暗．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖所示的四幅明暗相間的條紋圖樣，分別是紅光、藍(lán)光各自通過(guò)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(guò)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(lái)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．]1．對(duì)衍射現(xiàn)象的定性分析，不正確的是()A．光的衍射是光在傳播過(guò)程中繞過(guò)障礙物發(fā)生傳播的現(xiàn)象B．衍射條紋圖樣是光波相互疊加的結(jié)果C．光的衍射現(xiàn)象為光的波動(dòng)說(shuō)提供了有力的證據(jù)D．光的衍射現(xiàn)象完全否定了光的直線傳播結(jié)論D[衍射現(xiàn)象是波繞過(guò)障礙物發(fā)生傳播的現(xiàn)象，衍射條紋是波的疊加的結(jié)果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以選項(xiàng)A、B、C正確；光的直線傳播只是近似的，只有在光的波長(zhǎng)比障礙物尺寸小得多的情況下，光才被看作是沿直線傳播的，所以光的衍射現(xiàn)象和直線傳播是不矛盾的，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤．]2．觀察單縫衍射現(xiàn)象時(shí)，把縫寬由0.2mm逐漸增大到0.8mm，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(lái)越明顯C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增強(qiáng)D．衍射條紋的間距不變，只是亮度減弱A[由單縫衍射實(shí)驗(yàn)的調(diào)整與觀察可知，狹縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大．將縫調(diào)寬，現(xiàn)象向相反方向變化，故選項(xiàng)A正確．]3．(新情境題，以“纖維細(xì)絲和激光”為背景，考查光的衍射)(多選)抽制高強(qiáng)度纖維細(xì)絲可用激光監(jiān)控其粗細(xì)，如圖所示，激光束越過(guò)細(xì)絲時(shí)產(chǎn)生的條紋和它通過(guò)遮光板的同樣寬度的窄縫規(guī)律相同．觀察光束經(jīng)過(guò)細(xì)絲后在光屏上所產(chǎn)生的條紋即可判斷細(xì)絲粗細(xì)的變化，下列敘述中正確的是()A．這里應(yīng)用的是光的衍射現(xiàn)象B．這里應(yīng)用的是光的干涉現(xiàn)象C．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗D．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細(xì)AD[當(dāng)障礙物的尺寸與波的波長(zhǎng)相當(dāng)或小于波的波長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生明顯的衍射，該裝置的原理是運(yùn)用光的衍射現(xiàn)象，如果屏上條紋變寬，則金屬絲變細(xì)．故A、D對(duì)，B、C錯(cuò)．]4．用一單色光源垂直照射帶有圓孔的不透明光屏，下列幾種情況中，在小孔后面的光屏上各看到什么現(xiàn)象？(1)小孔的直徑為1cm；(2)小孔的直徑為1mm；(3)小孔的直徑為0.5μm．[解析]小孔的直徑大小決定屏上的現(xiàn)象．當(dāng)孔的直徑較大，比光的波長(zhǎng)大得多時(shí)，光的衍射極不明顯，光沿直線傳播；當(dāng)孔的直徑很小，與光波的波長(zhǎng)相近時(shí)，光的衍射現(xiàn)象明顯．(1)當(dāng)圓孔的直徑為1cm時(shí)，在光屏上只能看到與圓孔形狀相同的亮斑．這是光沿直線傳播的結(jié)果．(2)當(dāng)圓孔的直徑為1mm時(shí)，在光屏上能看到單色光源倒立的像，這是小孔成像，也是光沿直線傳播的結(jié)果．(3)當(dāng)圓孔的直徑為0.5μm時(shí)，在光屏上能看到衍射條紋，這是由于小孔尺寸與光波的波長(zhǎng)差不多，光發(fā)生明顯衍射的結(jié)果．[答案](1)在光屏上只能看到與圓孔形狀相同的亮斑(2)在光屏上能看到單色光源倒立的像(3)在光屏上能看到衍射條紋回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問(wèn)題：1．試寫出光的明顯衍射的條件．提示：當(dāng)障礙物或孔的尺寸接近光的波長(zhǎng)時(shí)，衍射才明顯．2．衍射光柵的衍射圖樣有什么特點(diǎn)？提示：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加．3．寫出單縫衍射和雙縫干涉有什么相同點(diǎn)？提示：①都是波特有的現(xiàn)象．②都有明暗相間的條紋，都是光波疊加的結(jié)果．X射線衍射與DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)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．這項(xiàng)研究的科學(xué)基礎(chǔ)，早在幾十年前已經(jīng)由物理學(xué)家準(zhǔn)備好了．富蘭克林使用X射線拍照的DNA分子一定波長(zhǎng)的光通過(guò)某種光柵發(fā)生衍射時(shí)的圖樣是確定的．反過(guò)來(lái)，根據(jù)某個(gè)衍射圖樣就可以確定相應(yīng)光柵的結(jié)構(gòu)．晶體中原子的排列是規(guī)則的，它們可以充當(dāng)天然的衍射光柵．然而，原子之間的間隙大約為10－10m，遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng)，因此不能用可見光的衍射來(lái)研究分子的結(jié)構(gòu)．X射線卻很適合這個(gè)工作．物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,1862－1942，W.L.Bragg，1890—1971)首先研究了晶體對(duì)X射線的衍射．衍射圖樣中斑點(diǎn)的強(qiáng)度和位置包含著有關(guān)晶體的大量信息．他們的工作奠定了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，為此，布拉格父子共同獲得1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．從19