沪教版高中物理选修2-3 2.3光的衍射导学案

光的衍射

【学习目标】
1．观察光的衍射现象
2．知道什么是光的衍射及产生明显衍射现象的条件
3．能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析
4．初步了解衍射光栅
【学习重难点】
重点：光的衍射的条件
难点：衍射条纹成因
【学习过程】
复习与回顾：
1．什么是波的衍射现象？
2．发生衍射的条件
3．干涉和衍射是波特有的现象，那么光能发生干涉，说明光是一种波。这就说明光应该也能发生衍射，那么，光如果能发生衍射，那光的衍射现象又该是什么样的呢？
4．为什么我们在日常生活中观察不到光的衍射？
5．已知红光的折射率n=1．513，请同学们计算红光在真空中的波长λ=？
【导思】
什么是光的衍射？
产生明显光的衍射现象的条件是
各种单色光的衍射条纹完全相同吗？
“泊松亮斑”说明什么？
能区分圆孔衍射和圆板衍射的图样
【动动手】请同学们用手边的材料自制一个简易观察光的衍射现象的实验器材并亲自观察一下吧！
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
条纹宽度
条纹间距
亮 度
中央条纹最亮，两边最暗
清晰条纹，亮度基本相等
相同点
干涉和衍射都波特有的现象，属于波动叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
【典题·热题】
知识点一 光的衍射及发生明显衍射的条件
例1在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是（ ）
A．将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄
B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
解析：当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽。故选项A．C、D正确。
方法归纳 通过光屏观察衍射条纹与用眼睛直接观察衍射条纹的情况是有所不同的。单缝到屏的距离增大时，屏上条纹间距变大，亮度变弱，条纹数目不变（屏足够大）；如果用眼睛直接观察，眼睛必须靠近单缝，当略微增大眼睛与单缝距离时，观察到的条纹间距也会略大，而条纹数目将减少，因为眼睛的受光面很小（相当于光屏很小），所以当眼睛与单缝的距离过大时，就观察不到衍射条纹。
例2某同学把卡尺间的窄缝调节到0.5 mm去观察某一线光源，看到了彩色条纹。他把缝的宽度增加到0.8 mm，再观察同一光源，看到的现象是 但亮度增大。若他把缝的宽度减小到0.2 mm，则看到的现象是_____________________________________。这说明在衍射现象中，衍射图样条纹的宽度及亮度与______________有关，当其_____________时，衍射现象更为明显。
解析：当窄缝宽度变窄时，它和光波的波长越接近，衍射现象越明显，同时通过窄缝的光能越少，到达光屏上的宽度越宽，亮度就越弱。
答案：彩色条纹变窄 彩色条纹变宽但亮度减弱 单缝宽度 变窄
知识点二 波的衍射与其他现象的比较研究
例3如图所示，A、B两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图象，其中图A是光的_________________（填“干涉”或“衍射”）图象。由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径_________________（填“大于”或“小
于”）图B所对应的圆孔的孔径。
解析：A中出现明暗相间的条纹，是衍射现象，只有障碍物或孔的尺寸和光波波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象。图A是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10-7的数量级上，所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小。图B的形成可以用光的直线传播解释。
答案：衍射 小于
巧解提示 光发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸和光波波长相差不多，而当障碍物或孔的尺寸比光波波长大得多时，衍射现象不明显。
例4声波比光波容易产生明显的衍射，原因是（ ）
A．声波是纵波，光波是横波 B．声波是机械波，光波是电磁波
C．一般障碍物尺寸跟声波波长相近而比光波波长大得太多
D．声波必须通过介质传播，而光波可以在真空中传播
解析：产生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸能与波长相近，声波的波长比光波的波长大，与一般障碍物尺寸相近，容易满足衍射条件，因而容易产生明显的衍射。正确答案选C项。
方法归纳 能观察到明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸能跟光的波长相比甚至比光的波长还要小，由于可见光的波长一般为数千埃，比普通障碍物尺寸小得多，所以光波的衍射现象观察起来稍难一些。
例5用一单色光源垂直照射带有圆孔的不透明光屏，下列几种情况中，在小孔后面的光屏上各看到什么现象？
（1）小孔的直径为1 cm； （2）小孔的直径为1 mm； （3）小孔的直径为0.5 μm。
解析：小孔的直径大小决定屏上现象。当孔的直径较大，比光的波长大的多，此时光的衍射极不明显，光沿直线传播；当孔的直径很小，可以与光波的波长相差不多时，光的衍射现象明显。
答：（1）当圆孔的直径为1 cm时，在光屏上只能看到与圆孔形状相同的亮斑。这是光沿直线传播的结果。
（2）当圆孔的直径为1 mm时，在光屏上能看到单色光源倒立的像，这是小孔成像，也是光沿直线传播的结果。
（3）当圆孔的直径为0.5 μm时，在光屏上能看到明暗相间的圆环。这是由于小孔尺寸与光波的波长差不多，光发生衍射的结果。
巧解提示 我们在观察光的衍射实验时，当缝（或孔）的线度逐渐变小时，在光屏上可以看到光斑先逐渐变小进而小孔成像，然后又出现明暗相间的条纹（圆环）。继续使缝（或孔）变小，明暗条纹（圆环）的宽度和间距会随之变大，从而体现量变引起质变的规律。进而认识到，任何规律都有其适用条件。光的直线传播只是一条近似的规律，只有在光的波长比障碍物或孔的线度小得多的情况下，才可以看成是沿直线传播的。
【达标检测】
1．汽车在行驶时常会滴下一些油滴，滴下的油滴在带水的路面上会形成一薄层油膜，并呈现出彩色，这是由于（ )
A．光的色散 B．空气的折射 C．光的干涉 D．光的衍射
2．让太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有一个自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地变小直到闭合时，在孔后的屏上先后出现（ )
A．由大到小的三角形光斑，直至光斑消失
B．由大到小的三角形亮斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
C．由大到小的三角形光斑，明暗相间的黑白条纹，直至黑白条纹消失
D．由大到小的三角形光斑，小圆形光纹，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失
3．人隔着墙说话，能听见声音而看不见人，下列说法中解释正确的是（ )
A．光波是电磁波，而声波是纵波 B．光波是横波，而声波是机械波
C．光速太大 D．声波波长大，光波波长小
4．下列关于光的现象的说法中正确的是（ )
A．用白光做双缝干涉实验时，屏上从中央条纹向外，紫光的亮条纹偏离中央的距离最大
B．白光单缝衍射时，偏离中央亮条纹远的是红光
C．白光经三棱镜折射发生色散，红光偏向角最大
D．涂有增透膜的照相机镜头看上去呈淡紫色，说明增透膜增强了对淡紫色光的透射
5．图甲、乙所示是单色光通过窄缝后形成明暗相间的两种条纹图样，下列判断正确的是（图中阴影部分表示亮条纹）（ )
A．甲为单缝衍射的图样 B．乙为双缝干涉的图样
C．甲为双缝干涉的图 D．乙为单缝衍射的图样
6．在一次观察光的衍射实验中，观察到如图所示的清晰的明暗相间图样，那么障碍物应是（黑线为暗纹）（ )
A．很小的不透明的圆板 B．很大的中间有大圆孔的不透明的圆板
C．很大的不透明圆板 D．很大的中间有小圆孔的不透明圆板
7．如图所示为单色光源发出的光经一狭缝，照射到光屏上，可观察到的图象是（ )
8．一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到（ )
A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些
B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而且中央明条纹变宽些
C．只有一条与缝宽对应的明条纹
D．无条纹，只存在一片红光
9．游标为20分度(测量值可准确到0.05 mm)的卡尺示数如图所示，两测角间狭缝的宽度为mm。用激光照射该狭缝，在屏上出现衍射条纹。如果减小狭缝的宽度，衍射条纹的宽度将变。