高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第2節(jié) 光的衍射教師用書 魯科版選修3-4

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第2節(jié)　光的衍射 光 的 衍 射 [先填空] 1．光的衍射現(xiàn)象 光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將改變沿直線傳播的規(guī)律而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象． (1)單縫衍射：單色光通過狹縫時，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋，中央條紋最寬、最亮，其余條紋向兩側逐漸變窄、變暗；白光通過狹縫時，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白色條紋． (2)圓孔衍射：光通過小孔時(孔很小)在屏幕上會出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)． 2．產生明顯衍射現(xiàn)象的條件 在障礙物或小孔的尺寸可以跟光的波長相差不多，甚至比光的波長還要小的時候，就會出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象． 3．光的衍射現(xiàn)象和光的直線傳播的關系 光的直線傳播只是一個近似的規(guī)律，當光的波長比障礙物或小孔小得多時，光可以看成沿直線傳播；在孔或障礙物尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還要小時，衍射現(xiàn)象就十分明顯． [再判斷] 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．(√) [后思考] 單縫的寬度會對衍射現(xiàn)象產生怎樣的影響？ 【提示】　單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，但衍射條紋的亮度越?。? [核心點擊] 1．三種衍射圖樣 光的單縫衍射　　 圓孔的衍射 遮光板的衍射 圖521 2．單縫衍射與雙縫干涉的比較 1．關于衍射，下列說法正確的是(　　) A．衍射現(xiàn)象中條紋的出現(xiàn)是光疊加后產生的結果 B．雙縫干涉中也存在衍射現(xiàn)象 C．一切波都很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實 E．入射波的波長越大，越容易觀察到明顯的衍射現(xiàn)象 【解析】　衍射圖樣是復雜的光波的疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過三個狹縫時均發(fā)生衍射現(xiàn)象，一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射．一切波都能發(fā)生衍射，但要發(fā)生明顯的衍射，需要滿足障礙物的尺寸小于或相當于波長的條件，故A、B、E正確，C、D錯誤． 【答案】　ABE 2．取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一. 【導學號：78510059】 圓孔的衍射 圖522 (1)先用點光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現(xiàn)一個明亮的圓形光斑[圖(a)]，這是________的結果． (2)再換上圓孔中等的那塊板[圖(b)]，可以看到________________． (3)最后用圓孔最小(直徑約1 mm)的那塊板[圖(c)]，可以看到衍射現(xiàn)象更明顯，這說明________________． 【解析】　(1)光沿直線傳播． (2)發(fā)生了衍射現(xiàn)象． (3)孔越小衍射越明顯． 【答案】　見解析 區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法 1．根據條紋的寬度區(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，而兩側的亮條紋逐漸變窄． 2．根據亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，而兩側的亮紋逐漸變暗． 衍 射 對 分 辨 率 本 領 的 影 響 及 衍 射 光 柵 [先填空] 1．一個光學儀器的分辨率本領是指將兩個相互靠近的物體的象分離開來的能力． 2．光學顯微鏡和望遠鏡等光學儀器，其透鏡就相當于小圓孔，透鏡直徑越小，產生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領就越低． 3．衍射光柵 (1)結構：有許多等寬的狹縫等距離排列起來形成光學元件．狹縫的個數越多，衍射條紋的寬度越窄，亮度越亮． (2)衍射圖樣的特點：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加． (3)衍射光柵的種類：反射光柵和透射光柵． [再判斷] 1．顯微鏡的鏡頭越小其分辨本領越低．(√) 2．多縫干涉的結果使光柵衍射的寬度比單縫衍射時更寬．() 3．光柵的衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結果(√) [后思考] 為什么通過光柵后得到的條紋與雙縫干涉條紋不同？ 【提示】　雙縫干涉是由于干涉光源通過雙縫后疊加產生的，通過光柵后在光屏上疊加的光具有同頻率及相位差恒定的干涉特點，產生多縫干涉，也有單縫衍射．因此，其條紋是多縫干涉和單縫衍射條紋共同的結果，不同于雙縫干涉條紋． [核心點擊] 1．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?。鐖D523所示． 圖523 (2)只有圓孔足夠小時，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程中，光屏依次得到幾種不同現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的象(小孔成象)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)、完全黑暗． (3)用不同色光照射圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越大，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)圓孔越小，中央亮斑的直徑越大，同時亮度越弱． 2．不透明的小圓板衍射圖樣 (1)泊松亮斑圖樣中的亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。? (2)與圓孔衍射圖樣比較 ①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?。? 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，圓板衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減小． ④圓孔衍射圖樣的外側是黑暗的，而小圓板衍射圖樣的外側是明亮的． 3．關于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是(　　) A．紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋 B．白光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋 C．光照到不透明小圓盤上出現(xiàn)泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射 D．光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射現(xiàn)象 E．透鏡的直徑越小，產生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領就越低 【解析】　單色光照到狹縫上產生的衍射圖樣是明暗相間的直條紋，白光的衍射圖樣是彩色條紋．光照到不透明圓盤上，在其陰影處出現(xiàn)光點，是衍射現(xiàn)象，光的衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分，D項中大光斑的邊緣模糊，正是衍射造成的，不能認為不存在衍射現(xiàn)象．A、C正確，B、D錯誤．透鏡相當于圓孔，直徑越小，衍射現(xiàn)象越明顯，E正確． 【答案】　ACE 4．如圖524所示，甲、乙兩幅圖是由單色光分別入射到圓孔而形成的圖象，其中圖甲是光的________(選填“干涉”或“衍射”)圖象．由此可以判斷出圖甲所對應的圓孔的孔徑________(選填“大于”或“小于”)圖乙所對應的圓孔的孔徑． 甲　　　　 　乙 圖524 【解析】　甲圖是圓孔衍射圖樣，乙圖是光沿直線傳播通過圓孔形成的亮斑． 【答案】　衍射　小于 區(qū)分圓孔衍射和不透光圓盤衍射的圖樣 1．觀察中心圓心和中心圓環(huán)：中心圓心處為小亮斑且中心圓環(huán)為較寬的暗環(huán)時為圓盤衍射；若中心為大且亮的圓形亮斑，中心圓環(huán)為細而窄的暗紋時為圓孔衍射． 2．觀察中心圓環(huán)外第一暗紋與周邊暗紋：第一暗紋寬于周邊暗紋的為圓盤衍射，第一暗紋細且暗的為圓孔衍射． 學業(yè)分層測評(十三) (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．下列現(xiàn)象中，能產生明顯衍射的是(　　) A．光的波長比孔或障礙物的尺寸大得多 B．光的波長與孔或障礙物的尺寸差別不大 C．光的波長等于孔或障礙物的尺寸 D．光的波長比孔或障礙物的尺寸小得多 E．光的波長比單縫的寬度小得多 【解析】　光能夠產生明顯衍射現(xiàn)象的條件是：光的波長與孔或障礙物的尺寸差別不大，或波長明顯大于孔或障礙物的尺寸，故選A、B、C. 【答案】　ABC 2．在楊氏雙縫干涉實驗中，如果(　　) A．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋 B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋 C．用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色干涉條紋 D．用紫光作為光源，遮住其中一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)間距不等的條紋 E．用白光作為光源遮住其中一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)間距不等的彩色條紋 【解析】　用白光做楊氏雙縫干涉實驗，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯；用紅光作光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相同，B對；紅光和紫光頻率不同，不能產生干涉條紋，C錯；用紫光作光源，遮住一條狹縫，屏上出現(xiàn)單縫衍射條紋，即間距不等的條紋，D對、B、D正確．白光發(fā)生單縫衍射會在屏上形成間距不等的彩色條紋，E正確． 【答案】　BDE 3．用卡尺觀察光的衍射現(xiàn)象時，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：78510060】 A．卡尺形成的狹縫應平行于日光燈，且狹縫遠離日光燈，人眼也遠離狹縫進行觀察 B．卡尺狹縫平行于日光燈觀察時，可觀察到中央為白色光帶，兩側為彩色光帶，且彩帶平行于日光燈 C．狹縫由0.5 mm寬度縮小到0.2 mm，條紋間距變寬，亮度變暗 D．狹縫由0.5 mm寬度擴展到0.8 mm，條紋間距變寬，亮度變暗 E．由卡尺狹縫觀察到的彩色條紋間距是不均勻的 【解析】　用卡尺狹縫平行于日光燈，狹縫遠離日光燈，眼睛應靠近狹縫進行觀察，觀察到平行于日光燈的彩色條紋，且中央為白色條紋，A錯誤、B正確；狹縫越小，衍射現(xiàn)象越明顯，即條紋間距變寬，但亮度變暗，C正確、D錯誤；衍射條紋間距是不均勻的，E正確． 【答案】　BCE 4．沙塵暴是由于土地的沙化引起的一種惡劣的氣象現(xiàn)象，發(fā)生沙塵暴時能見度只有十幾米，天氣變黃變暗，這是由于這種情況下(　　) A．只有波長較短的一部分光才能到達地面 B．只有波長較長的一部分光才能到達地面 C．只有頻率較大的一部分光才能到達地面 D．只有頻率較小的一部分光才能到達地面 E．紅光比紫光更容易穿過沙塵到達地面 【解析】　據光發(fā)生明顯衍射的條件，發(fā)生沙塵暴時，只有波長較長的一部分光線能到達地面，據λ＝知，到達地面的光是頻率較小的部分．紅光比紫光波長大，更容易穿過沙塵，E正確． 【答案】　BDE 5．如圖525所示，甲、乙、丙、丁四個圖是不同的單色光形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣．分析各圖樣的特點可以得出的正確結論是(　　) 圖525 A．甲、乙是光的干涉圖樣 B．丙、丁是光的衍射圖樣 C．形成甲圖樣光的波長比形成乙圖樣光的波長短 D．形成丙圖樣光的波長比形成丁圖樣光的波長短 E．形成丙圖樣光的波長比 形成丁圖樣光的波長長 【解析】　由圖樣可得甲和乙是等間距的，丙和丁是不等間距的且中間最寬，所以甲和乙是干涉條紋，丙和丁是衍射條紋，A、B正確；其中甲比乙的條紋間距大，故形成甲圖樣光的波長比形成乙圖樣光的波長長，C項錯；丙比丁的條紋間距大，形成丙圖樣光的波長比形成丁圖樣光的波長長，D項錯，E項正確． 【答案】　ABE 6．觀察單縫衍射現(xiàn)象時，把縫寬由0.2 mm逐漸增大到0.8 mm，看到的現(xiàn)象是衍射條紋的間距逐漸________，衍射現(xiàn)象逐漸________． 【解析】　由單縫衍射實驗的調整與觀察可知，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．本題的調整是將縫調寬，現(xiàn)象向相反的方向發(fā)展．故衍射條紋的間距逐漸變小，衍射現(xiàn)象逐漸不明顯． 【答案】　變小　不明顯 7．如圖526所示是4幅明暗相間的條紋圖樣，分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個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________． 圖526 【解析】　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，光的波長越長，條紋越寬，因此1是紅光，3是藍光．同一單縫衍射中，波長越長，條紋越寬，因此2是紫光，4是黃光． 【答案】　紅　紫　藍　黃 8．在觀察光的衍射實驗中，分別觀察到如圖527甲、乙所示的清晰的明暗相間的圖樣，圖中黑線為暗紋．那么障礙物應是 【導學號：78510061】 甲　　 　　　　乙 圖527 甲圖對應的障礙物應是________， 乙圖對應的障礙物應是________． 【解析】　比較兩圖，它們的背景明顯不同，甲圖的背景為黑色陰影，說明障礙物應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，說明擋板的中間有小圓孔；乙圖的背景為白色，說明周圍沒有障礙物，中間有不透光圓形陰影，并且?guī)в醒苌鋱D樣的花紋，說明中間存在很小的不透明圓板，乙圖正中央的小亮點是泊松亮斑． 【答案】　較大的中間有小圓孔的不透明圓板　很小的不透明圓板 [能力提升] 9.抽制細絲時可以用激光監(jiān)控其粗細，如圖528所示，激光束越過細絲時產生的條紋和它通過遮光板上的一條同樣寬度的窄縫規(guī)律相同，則下列說法正確的是(　　) 圖528 A．這是利用光的干涉現(xiàn)象 B．這是利用光的衍射現(xiàn)象 C．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗了 D．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細了 E．用紅色激光比藍色激光得到的條紋更寬 【解析】　上述現(xiàn)象符合光的衍射產生的條件，故B正確；由衍射產生的條件可知：絲越細衍射現(xiàn)象越明顯，故D也正確；紅色激光比藍色激光波長更長，E正確． 【答案】　BDE 10.如圖529所示，a、b兩束光以不同的入射角由介質射向空氣，結果折射角相同，下列說法正確的是(　　) 圖529 【導學號：78510062】 A．b在該介質中的折射率比a小 B．若用b做單縫衍射實驗，要比用a做中央亮條紋更寬 C．用a更易觀測到泊松亮斑 D．做雙縫干涉實驗時，用a光比用b光兩相鄰亮條紋中心的距離更大 E．b光比a光更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 【解析】　設折射角為θ1，入射角為θ2，由題設條件知，θ1a＝θ1b，θ2a＜θ2b，由n＝，知na＞nb，A正確；因為na＞nb，所以λa＜λb，又Δx＝λ，故Δxa＜Δxb，B正確，D錯誤；而波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，C錯誤．b光比a光更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，E正確． 【答案】　ABE 11．用兩支鉛筆觀察白光的衍射實驗中： (1)供觀察者用的光源應用________(選填“點光源”“線光源”或“面光源”)； (2)鉛筆狹縫應與光源________(選填“平行或垂直”)； (3)觀察的衍射圖樣中央條紋的顏色是________，兩側出現(xiàn)________； (4)狹縫變窄時，條紋的間距變________，亮度變________． 【答案】　(1)線光源　(2)平行　(3)白色　彩色 (4)寬　暗 12．如圖5210所示，讓燭光照射到一塊遮光板上，板上有一個可自由收縮的三角形孔，當此三角形孔緩慢地由大收縮變小直到閉合時，試分析在孔后的屏上將先后出現(xiàn)的現(xiàn)象(遮住側面光)． 圖5210 【解析】　當三角形孔較大時，屏上出現(xiàn)一個三角形光斑，如題圖甲所示，隨著三角形緩慢地收縮，光斑逐漸變??；當三角形孔小到一定程度時，屏上會出現(xiàn)倒立的燭焰，如題圖乙所示；繼續(xù)使三角形孔緩慢收縮，可以觀察到小孔衍射圖樣；當孔閉合時，屏上就會一片黑暗． 【答案】　見解析