高中物理人教版选修3-4 13.5 光的衍射导学案含答案

光的衍射
课程目标引航
1．观察光的衍射现象，知道什么是光的衍射及产生明显衍射现象的条件。能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析。
2．初步了解衍射光栅。
情景思考导入
著名数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出：把一个不透光的小圆盘放在一束光下，在小圆盘后方的光屏上，圆盘阴影中心会出现一个亮斑。后人称此亮斑为“泊松亮斑”。泊松指望这一推论能推翻光的波动学说，因此他要求菲涅耳做实验。菲涅耳接受挑战，你知道菲涅耳成功了吗？这一实验的成功说明了什么问题？

由于衍射，圆板的阴影的中心出现了亮斑
提示：他完成了实验，证实了这一亮斑的存在。这一实验说明了光发生了衍射，照到了泊松认为不该照到的地方。证实了光的波动理论的正确性。
基础知识梳理
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____直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象。
2．常见的光的衍射现象
(1)单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现____相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现____条纹，中央为白色条纹。
思考：你知道衍射图样与干涉图样的区别吗？
(2)圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏上会出现____相间的圆环。
(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象
各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个____，这就是著名的泊松亮斑。
思考：用单色光照射小孔，随着圆孔的逐渐减小，屏上先后有何变化？
3．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____，甚至比光的波长还要____的时候，就会出现明显的衍射现象。
4．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种特殊情况，当光的波长比______或____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。
5．衍射光栅
由许多等宽的狭缝______地排列起来形成的光学元件。狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越____，亮度越____。
重点难点突破
一、光的直线传播是一种特殊情况
光的直线传播是一种特殊情况，具体从以下两个方面去理解：
1．多数情况下，光照到较大的障碍物或小孔上时是按沿直线传播的规律传播的，在它们的后面留下阴影或光斑。如果障碍物、缝或小孔都小到与照射光的波长差不多或更小时，光就表现出明显的衍射现象，在它们的后面形成泊松亮斑、明暗相间的条纹或圆环。
2．光是一种波，衍射是它基本的传播方式，但在一般情况下，由于障碍物都比较大(比起光的波长来说)，衍射现象很不明显。光的传播可近似地看做是沿直线传播。所以，光的直线传播只是特殊情况。
特别警示
衍射是波特有的一种现象，光是一种波，就会发生衍射，只是有的明显，有的不明显而已。
二、光的双缝干涉与单缝衍射的比较

特别警示
干涉现象和衍射现象都是由于光波的叠加而产生的。对于衍射现象来说，小孔处的光源可以看成无数个子波源，它们在空间也会叠加，振动加强的点产生明条纹，振动减弱的点产生暗条纹。
干涉现象中每一个小孔(缝)也能发生衍射，衍射现象中各子光源也能发生干涉，即“干中有衍，衍中有干”。我们称双缝为干涉，单缝或多缝为衍射。
三、对单缝衍射图样的理解
1．单缝衍射图样：单色光的单缝衍射图样是相互平行的明暗条纹，但各条纹的宽度和亮度不同，中央亮条纹最亮最宽，从中央亮条纹向外，亮条纹的亮度和宽度迅速减小。
2．用单色光照射狭缝，在狭缝较宽时，屏上出现一条亮条纹，且缝越窄，亮条纹也越窄，因为此时狭缝宽度比波长大很多，光是沿直线传播的；当狭缝很窄时，屏中央出现一条比狭缝宽度大很多的亮条纹，两侧出现明暗相间，但间距和亮度不等的条纹；当狭缝更窄时，中央亮条纹更宽，两侧亮条纹离中央亮条纹更远，产生了明显的衍射现象。
特别警示
①缝变宽，衍射角增大，距离增大，能量消耗增大，而光能分布的范围变宽，所以亮条纹的亮度降低。
②中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越长，单缝越宽，中央亮条纹的宽度及条纹间距离就越大。
③用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽、最亮，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光。
随堂练习巩固
1关于光的衍射现象，下列说法中正确的是(　　)。
A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比甚至比光的波长还要小的时候，才能产生明显的光的衍射现象
B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果
C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论
D．光的衍射现象说明了光具有波动性
2关于光的衍射现象，下列说法中正确的是(　　)。
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，其影中心出现泊松亮斑，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
3如图中，甲、乙两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像，其中图甲是光的________(选填“干涉”或“衍射”)图像。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。

4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)。


基础知识梳理
答案：1．偏离
2．(1)明暗　彩色
思考
提示：衍射条纹宽度不等，中央明纹最宽，且各亮纹的亮度不同，中央亮纹最亮、两侧亮纹亮度依次减弱。而干涉条纹的宽度相等、且各条亮度基本相同。
(2)明暗　(3)亮斑
思考
提示：圆形亮斑→光源倒立的像(小孔成像)→明暗相间的圆环(衍射图样)。
3．相比　小
4．障碍物　孔
5．等距离　窄　大

随堂练习巩固
答案：1．ABD　光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像现象，孔不能太小，可见光的直线传播规律只是特殊情况，只有在光波波长比障碍物小得多的情况下，光才可以看做是直线前进的，所以光的衍射现象和直线传播并不矛盾，它们是在不同条件下出现的两种光现象。
2．AC　该题考查衍射图样和对衍射现象的理解。单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹。光照到不透明圆盘上，在其影处出现亮斑，是衍射现象。光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象。
3．解析：甲中出现明暗相间的条纹，是衍射现象，乙中出现圆形亮斑。只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象。图甲是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10－7 m数量级，所以图甲对应的圆孔的孔径比图乙所对应的圆孔的孔径小，图乙的形成可以用光的直线传播解释。
答案：衍射　小于
4．解析：当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示，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