4.5光的衍射 讲义-2021-2022学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第一册word版含答案

第四章光
第5节光的衍射
【素养目标】
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。
2.能用衍射知识对生活中的现象进行分析和解释。
3.初步了解衍射光栅。
【必备知识】
一、光的衍射
1.定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现亮条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。
2、发生明显衍射现象的条件：障碍物或缝的尺寸比光的波长小，或者与光的波长相差不多。
3、衍射是波特有的现象，所以光的衍射可以证明光具有波动性。
4、衍射图样
（1）单缝衍射
单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，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，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹。
（2）圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
（3）圆盘衍射：障碍物的衍射现象。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亮斑，这就是著名的泊松亮斑。
二、三种衍射图样的特点和比较
1.单缝衍射图样
(1)中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，中央条纹最宽，两边条纹宽度变窄。
(2)缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮条纹的亮度降低。
(3)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，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
(4)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。
2.圆孔衍射
(1)圆孔衍射
如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图乙所示的圆形亮斑(光的直线传播)；减小圆孔，光屏上出现光源的像(小孔成像)；当圆孔很小时，光屏上出现图丙所示的亮、暗相间圆环(衍射图样)。
(2)圆孔衍射的图样特征
①单色光的圆孔衍射图样：中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环；越向外，圆(亮)环亮度越低。
②白光的圆孔衍射图样：中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。
3.圆板衍射
(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。
(2)形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
(3)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
【课堂检测】
1.对于单缝衍射现象，下列说法正确的是(
??)
A.?缝的宽度d越小，衍射条纹越亮???????????????????????????B.?缝的宽度d越小，衍射现象越明显
C.?缝宽度d越小，光传播路线越接近直线????????????????D.?入射光的波长越短，衍射现象越明显
【答案】
B
【解析】单缝衍射现象中，波长越长越容易衍射，中央亮纹越宽，所以d减小，相对波长变长，因此衍射现象越明显，B对．缝宽度d越小，越体现光子的随机性，衍射越明显，入射光的波长越长，衍射现象越明显.
故答案为：B
【分析】单缝衍射现象中缝的宽度直接影响衍射现象的明显程度；入射光波长越大衍射现象越明显。
2.下列说法不正确的是（?
?）
A.?检验工件平整度的操作中，如图1所示，上面为标准件，下面为待检测工件，通过干涉条纹可推断：P为凹处，Q为凸处
B.?图2为光线通过小圆板得到的衍射图样
C.?图3的原理和光导纤维传送光信号的原理一样
D.?图4的原理和照相机镜头表面涂上增透膜的原理一样
【答案】
D
【解析】A、薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，从弯曲的条纹可知，P处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知P处凹陷，而Q处检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知Q处凸起，A不符合题意；
B、图为光线通过小圆板得到的衍射图样，若用光照射很小的不透明圆板时，后面会出现一亮点，B不符合题意；
C、沙漠蜃景是光的全反射现象，而光导纤维是光的全反射现象，它们的原理相同，C不符合题意；
D、立体电影是光的偏振，与镜头表面涂上增透膜是利用光的干涉，它们的原理不相同，D错误，符合题意；
故答案为：D。
【分析】利用条纹弯曲方向可以判别对应空气膜的厚度对应位置出现凹凸面；图2就是利用小圆板产生的衍射图样；海市蜃楼是利用光的全反射与光纤传送光信号的原理一样；立体电影是利用光的偏转和镜头的正透明原理不同。
【素养作业】
1.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.?声波波长长，光波波长短
【答案】
D
【解析】由于声波的波长长，相对于墙能够发生明显的衍射现象，因此墙内的人能听到声音，而光波的波长短，相对于墙不能发生明显的衍射现象，因此墙内的人看不到说话的人。
故答案为：D。
2.关于声波和光波，下列说法正确的是（??
）
A.?它们都是机械波??????????????????????????????????????????????????B.?它们都能在真空中传播
C.?它们都能发生干涉和衍射????????????????????????????????????D.?它们的传播速度都与介质无关
【答案】
C
【解析】A．声波是机械波，而光波为电磁波；A不符合题意；
B．声波的传播需要介质，光波的传播不需要介质，可以在真空中传播．B不符合题意．
C．干涉和衍射是波的共性，光波能发生干涉和衍射，声波也能发生干涉和衍射，C符合题意．
D．光波从空气射入水中时，根据c=nv，介质的折射率变大，所以速度小；而声波从气体到液体，则速度是变大；D不符合题意．
故答案为：C．
3.下列几个光现象中，属于衍射现象的是（?
）
A.?水中的气泡看起来特别明亮?????????????????????B.?白光通过三棱镜在屏上出现彩色光带
C.?在阳光照射下肥皂泡上出现彩色花纹???????D.?通过两支铅笔夹成的狭缝看点亮的日光灯出现彩色条纹
【答案】
D
【解析】A．水中的气泡看起来特别明亮属于光的全反射，A不符合题意；
B．白光通过三棱镜在屏上出现彩色光带属于光的色散，B不符合题意；
C．在阳光照射下肥皂泡上出现彩色花纹属于薄膜干涉，C不符合题意；
D．通过两支铅笔夹成的狭缝看点亮的日光灯出现彩色条纹属于单缝衍射，D符合题意。
故答案为：D。
4.如图所示，a、b、c、d四个图是单色光在不同条件下形成的干涉或衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是（??
）
A.?a
是光的衍射图样?????????B.?b
是光的干涉图样?????????C.?c
是光的干涉图样?????????D.?d
是光的衍射图样
【答案】
D
【解析】A．
是光的双缝干涉图样，条纹间距相等，A不符合题意；
B．
是光的单缝衍射图样，中央亮条纹最宽，向外条纹变窄，间距变小，B不符合题意；
C．
是圆孔衍射图样，C不符合题意；
D．
是泊松亮斑（光照射在小圆盘上却出现中央亮斑），是光的衍射图样，D符合题意。
故答案为：D。
5.如图为波源
O
传出的一列水波，相邻实线间的距离等于一个波长下列说法正确的是（??
）
A.?波通过孔
A，发生明显的衍射现象??????????????????????B.?波通过孔
B，不发生衍射现象
C.?波遇到障碍物
C，发生明显的衍射现象???????????????D.?波遇到障碍物
D，不发生衍射现象
【答案】
A
【解析】观察图，孔B和障碍物C尺寸明显大于波长，不会发生明显衍射现象，但仍然有衍射现象，只是不明显，不易观察；孔A和障碍物D尺寸小于和接近波长，会发生明显衍射现象。A符合题意，BCD不符合题意。
故答案为：A。
6.关于泊松亮斑，下列说法正确的是（??
）
A.?是光的衍射现象，显著表现出光的波动性???????????B.?是光的衍射现象，显著表现出光的粒子性
C.?是光的干涉现象，显著表现出光的波动性???????????D.?是光的干涉现象，显著表现出光的粒子性
【答案】
A
【解析】当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，亮斑的周围是明暗相间的环状条纹，这就是泊松亮斑。说明光线偏离原来的直线方向传播，是激光绕过不透光的圆盘发生衍射形成的，泊松最初做本实验的目的是推翻光的波动性，而实验结果却证明了光的波动性，A符合题意，B、C、D不符合题意；
故答案为：A。
7.一束红色激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，让这束红色激光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到（??
）
A.?与原来相同的明暗相间的条纹，只是亮条纹比原来暗一些
B.?与原来不相同的明暗相间的条纹，且中央亮条纹变宽些
C.?只有一条与缝宽对应的亮条纹
D.?无条纹，只存在一片红光
【答案】
B
【解析】AB.
如果将双缝中一条缝挡住，其他不改变，光屏上出现的图案是光的衍射条纹。衍射条纹是宽度不相等的条纹。A不符合题意B符合题意。
CD.
如果将双缝中一条缝挡住，其他不改变，光屏上出现的图案是光的衍射条纹，CD不符合题意。
故答案为：B
8.如图甲，让激光束通过一个狭缝，观察到光屏上出现单色条纹图样。现保持激光器与狭缝到光屏的距离不变，将光屏向狭缝处适当移动，下面关于本实验说法正确的是（??
）
A.?将会观察到乙图样??????????????????????????????????????????????B.?光屏上条纹更宽
C.?移动后，条纹变得模糊???????????????????????????????????????D.?该现象说明光具有波动性
【答案】
D
【解析】让激光束通过一个狭缝，观察到光屏上出现单色条纹图样是光的衍射图样，衍射条纹的中央亮条纹的宽度最大，将会观察到丙图样；当保持激光器与狭缝到光屏的距离不变，将光屏向狭缝处适当移动，光屏上条纹更窄，条纹变得清晰；光的衍射现象说明光具有波动性，D符合题意，A、B、C不符合题意。
故答案为：D