2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第2节光的衍射教学案鲁科版选修3.doc

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2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第2节光的衍射教学案鲁科版选修3 　　　　　　　　　　　　　　　 1．光通过很窄的障碍物、缝或很小的孔时，不再沿直线传播，即发生了衍射现象。 2．当小孔或障碍物的尺寸比光的波长小或跟波长差不多时，会产生明显的衍射现象。 3．光学仪器上用的透镜相当于一个圆孔，透镜直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领越低。 衍射现象 [自读教材抓基础] 1．衍射现象 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光不再沿直线传播，而是绕到原来应该是阴影的范围之内；当小孔的直径取某些特定值时，在圆形亮斑的中心还会出现一个黑斑。这种现象称为光的衍射。 2．明显衍射条件 在障碍物或小孔的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小的时候，衍射现象十分明显。 [跟随名师解疑难] 　　 1.单缝衍射的图样有哪些特点？ (1)中央条纹亮而宽。如图521所示。 (2)两侧亮纹具有对称性，亮纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱。 (3)波长一定时，单缝较窄的中央条纹较宽，各条纹间距较宽；单缝宽度不变时，光波波长较长的中央条纹较宽，各条纹间距较宽。 (4)白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮纹的条纹内侧为紫色。 图521 2．圆孔衍射的图样有哪些特点？ (1)中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布 着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。如图522所示。 图522 (2)用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大。 (3)同一种单色光，圆孔越小，中央亮斑半径越大，同时亮度越弱。 (4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环。 (5)只有当圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样，在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。 3．圆盘衍射的图样又有哪些特点？ (1)圆盘衍射图样的中央有个亮斑——泊松亮斑，外侧为明、暗相间的同心圆，且亮度越来越暗，亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小，如图523所示。 图523 (2)多数情况下，光照到较大的障碍物或孔上时是按照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)，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。 [特别提醒]　光遇小孔、单缝或障碍物时，衍射现象只有明显不明显之分，无发生不发生之别。 [学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 下列说法不正确的是(　　) A．当光的波长比圆孔的直径大时，可以产生明显的衍射现象 B．衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律 C．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的干涉现象 D．隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围隔射彩色的光芒，这是光的衍射现象 解析：选C　产生明显衍射现象的条件是光波的波长与障碍物的尺寸相近，而一般物体的尺寸比光波的波长大得多，所以A、B正确；用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是著名的泊松亮斑，是光的衍射现象，C错误；远处灯发出的光经过帐幔的缝隙产生衍射，因此可见灯周围辐射彩色的光芒，D正确。 衍射对分辨本领的影响 1.一个光学仪器的分辨率本领是指将两个相互靠近的物体的像分离开来的能力。 2．光学显微镜和望远镜等光学仪器，其透镜就相当于圆孔，透镜直径越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低。 [学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 障碍物或孔的尺寸不同，光的一些行为有所不同，光的波长不同，发生的一些光行为也不同，下列说法中正确的是(　　) A．波长越长的光，越容易发生衍射，因此要提高光学仪器的分辨率应尽量使用波长大的光或口径小的透镜 B．波长越短的光，衍射越不明显，越容易沿直线传播，因此遥感卫星应尽可能利用波长短的光 C．小孔成像的原理是光的直线传播，小孔衍射的原理也是光的直线传播 D．小孔成像遵守光路可逆原理，单缝衍射和双缝干涉不遵守光路可逆 解析：选D　提高光学仪器的分辨本领应减少衍射影响，所以要利用波长短的光或口径大的透镜，故A错；卫星遥感要克服大气层对光的遮挡作用，因此应使用波长长的红外线，故B错；小孔衍射是一种衍射现象，不遵守光的直线传播规律，也不遵守光路可逆原理，故C错，D对。 衍射光栅 1.结构 有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成光学元件。狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越高。 2．衍射图样的特点 与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。 3．衍射光栅的种类 反射光栅和透射光栅。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 孔雀开屏时羽毛上形成闪烁绚丽的色彩，瀑布在阳光下呈现的彩虹以及通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹，这些现象分别属于(　　) A．光的干涉、色散和衍射现象 B．光的干涉、衍射和色散现象 C．光的衍射、色散和干涉现象 D．光的衍射、干涉和色散现象 解析：选A　孔雀细密的羽毛就像有规律地排列在一起的反射光栅，使多束反射光相互干涉。瀑布溅起的小水滴相当于棱镜，在阳光下呈现的彩虹是色散现象。通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹是光的衍射现象，故A正确。 对衍射图样的考查 [典题例析] 1.在一次观察光的衍射的实验中，观察到如图524所示的清晰的明暗相间的图样，那么障碍物应是(黑线为暗线)(　　) 图524 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．很大的不透明的圆板 D．很大的中间有小圆孔的不透明的圆板 [思路点拨] (1)知道圆孔衍射和圆板衍射的图样特点。 (2)能够分辨两种衍射图样。 解析：图样为清晰的衍射图样，故B错；图样中心为亮斑，说明障碍物为D；若为A，则中央有一个小亮点，亮点外为大暗环；若为C，则图样为大暗斑，只是边缘稍模糊。 答案：D [探规寻律] 区分圆孔衍射和不透光圆盘衍射的图样 中心圆心处为小亮斑(即泊松亮斑)且中心圆环为较宽的暗环时为圆盘衍射；若中心为大的圆形亮斑，中心圆环为细而窄的暗纹时为圆孔衍射。 [跟踪演练] 某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图525所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　) 图525 图526 解析：选B　单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，衍射条纹也是水平的，故B对。 单缝衍射与双缝干涉 [典题例析] 2．如图527所示是4幅明暗相间的条纹图样，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是(　　) 图527 A．红　黄　蓝　紫　　　　 　B．红　紫　蓝　黄 C．蓝　紫　红　黄 D．蓝　黄　红　紫 [思路点拨]看条纹宽度―→确定是干涉还是衍射―→条纹间距―→ 解析：双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹。干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光。同一单缝衍射中，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光。 答案：B [探规寻律] 单缝衍射与双缝干涉的比较 单缝衍射 双缝干涉 不同点 产生条件 只要狭缝足够小，任何光都能发生 频率相同的两列光波相遇叠加 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，两边最暗 条纹清晰，亮度基本相等 相同点 成因 明暗相间的条纹，都是光波叠加时加强或削弱的结果 意义 都是波特有的现象，表明光是一种波 [跟踪演练] (上海高考)如图528为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则(　　) 图528 A．甲为紫光的干涉图样 B．乙为紫光的干涉图样 C．丙为红光的干涉图样 D．丁为红光的干涉图样 解析：选B　对于干涉条纹，明条纹和暗条纹在比较多的条数之内都保持宽度相等，且波长越大，条纹越宽；对于衍射条纹，条纹宽度中间大，两边逐渐减小。由于红光波长大于紫光波长，故红光条纹比紫光条纹宽，因此甲是红光干涉图样，乙是紫光干涉图样，丙是红光衍射图样，丁是紫光衍射图样，故选项B对，A、C、D错。 [课堂双基落实] 1．关于衍射，下列说法错误的是(　　) A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果 B．双缝干涉中也存在衍射现象 C．一切波都能发生衍射现象 D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 解析：选D　衍射图样是很复杂的光波叠加现象，双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射。一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件。 2．春季我国沙尘天气较多，沙尘暴是由于土地沙化引起的一种恶劣的气象现象。发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下(　　) A．只有波长较短的一部分光才能到达地面 B．只有波长较长的一部分光才能到达地面 C．只有频率较大的一部分光才能到达地面 D．没有光能够到达地面 解析：选B　发生沙尘暴时，由于沙尘悬浮在空中，只有波长较长的一部分光通过衍射才能到达地面。故选项B正确。 3．单色光源发出的光经一狭缝，照射到光屏上，在图529中可观察到的图象是(　　) 图529 解析：选A　光的双缝干涉条纹是等间距、等宽度的明暗相间的条纹，而在光的单缝衍射图样中，中间是宽度最大最亮的亮条纹，在中央条纹两边的亮条纹宽度越来越小，亮度也越来越低，故A正确。 4．如图5210所示，A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图样，其中图A是光的________(填“干涉”或“衍射”)图样。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。 图5210 解析：题图A中出现明暗相间的条纹，是衍射现象，题图B中出现圆形亮斑。只有障碍物或孔的尺寸比光波的波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象。题图A是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10－7 m数量级上，所以题图A对应的圆孔的孔径比题图B所对应的圆孔的孔径小。题图B的形成可以用光的直线传播解释。 答案：衍射　小于 [课下综合检测] (时间：30分钟　满分：60分) 一、选择题(共8小题，每小题5分，共40分，每小题只有一个选项正确。) 1．(大纲版全国卷)下列现象中，属于光的衍射的是(　　) A．雨后天空出现彩虹 B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹 C．海市蜃楼现象 D．日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹 解析：选B　本题考查光的衍射现象，意在考查考生对衍射现象的基本理解。雨后的彩虹是光的色散，则A错误；通过一个狭缝观察到的彩色条纹属于光的衍射，则B正确；海市蜃楼是全反射和折射，则C错误；日光下的肥皂膜出现的彩色条纹是薄膜干涉现象，则D错误。 2．用单色光分别通过小圆盘与小圆孔做衍射实验时，在光屏上得到衍射图样，它们的特点是(　　) A．用前者做实验时中央是暗的，用后者做实验时中央是亮的 B．用前者做实验时中央是亮的，用后者做实验时中央是暗的 C．中央均为亮点的同心圆形条纹 D．中央均为暗点的同心圆形条纹 解析：选C　小孔衍射和圆盘衍射，图样中央均为加强点，故中央均为亮点，周围是以亮点为圆心的圆形条纹，故C正确，A、B、D均错误。 3．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，看到的现象是(　　) A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显 B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显 C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强 D．以上现象都不会发生 解析：选A　观察衍射图样发现：狭缝的宽度逐渐变小，衍射现象越明显，衍射条纹间距变大。本题是缝宽增大，所以选项A正确。 4．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是(　　) 图1 A．a、c　　　　　　　 　B．b、c C．a、d D．b、d 解析：选D　单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是小孔衍射图样。 5．在一个发光的小电珠和光屏之间放一个大小可以调节的圆形孔屏，在圆孔从较大调至完全闭合的过程中，在屏上看到的现象是(　　) A．先是圆形亮区，最后完全黑暗 B．先是圆形亮区，再是圆形亮环，最后完全黑暗 C．先是圆形亮环，最后完全黑暗 D．先是圆形亮环，然后圆形亮区，最后完全黑暗 解析：选B　在圆孔由大到小调节过程中，当孔较大时，光沿直线传播，在屏上得到圆形亮斑；当孔的直径减小到与光波的波长相近时，产生光的衍射现象，屏上将出现明、暗相间的亮环，当孔继续减少到完全闭合，没有光到达屏上时，屏上完全黑暗。 6．抽制细丝时可以用激光监控其粗细，如图2所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则(　　) 图2 ①这是利用光的干涉现象　②这是利用光的衍射现象 ③如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝粗了　④如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝细了 A．①③　　　　　　　 　B．②④ C．①④ D．②③ 解析：选B　本题考查发生明显衍射现象的条件，上述现象符合光的明显衍射现象产生的条件，故②正确；由明显衍射现象产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故④正确。 7．用点光源发出的光照射一个障碍物，在屏上形成的阴影的边缘部分模糊不清，产生的原因是(　　) A．光的反射 B．光的折射 C．光的干涉 D．光的衍射 解析：选D　光发生衍射后会分散在一个区域内，这个区域都有部分光到达也就会出现不明不暗模糊不清的现象。 8．平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法 中正确的有(　　) A．在衍射图样的中心都是亮斑 B．泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽 C．小孔衍射的图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑 D．小孔衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 解析：选AB　小孔衍射的图样是中心亮点，向外依次为明暗相间的环状条纹；泊松亮斑的图样是中心亮点，向外是圆板的黑影，再向外是明暗相间的环状条纹。 二、非选择题(共2小题，共20分) 9．(10分)用某种单色光源垂直照射带有圆孔的不透明障碍板，下列几种情况中，在障碍板后面暗箱中的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：(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似的亮斑，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，在光屏上能看到衍射图样，这是由于小孔的尺寸与光波的波长差不多，光发生明显衍射的结果。 答案：见解析 10．(10分)分析以下现象产生的原因： (1)通过盛水的玻璃杯，在适当的角度可以看到彩色光。 (2)菜汤上的油花呈现彩色。 (3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色光芒。 (4)光线照在花布上，可以看见花布上的图样。 解析：(1)白光通过盛水的玻璃杯发生折射，产生色散，在适当的角度，各色光分离较大，可看到彩色光。 (2)光经过菜汤上油膜的前后两个表面发生反射，两列反射光相互叠加，产生干涉条纹，因此菜汤上的油花呈现彩色。 (3)远处灯发出的光经过帐幔的缝隙产生衍射，因此可看到灯周围辐射彩色的光芒。 (4)光线照在花布上看见花布的图样，是由于光的反射与吸收的结果。花布是由各种颜色的花纹组成的，当白光照在花布上时红色花纹反射红光，吸收其他颜色的光，这样我们在该位置只看到红色。同理可以看到各种花纹反射的颜色。这样我们就可以看到花布的图样。 答案：见解析