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(shí)，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(shí)，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(cè)逐漸變窄、變暗；白光通過狹縫時(shí)，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(shí)(孔很小)在屏幕上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)． 2．產(chǎn)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(shí)候，就會(huì)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(guān)系 光的直線傳播只是一個(gè)近似的規(guī)律，當(dāng)光的波長比障礙物或小孔小得多時(shí)，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(shí)，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(huì)對衍射現(xiàn)象產(chǎn)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小． [核心點(diǎn)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(guān)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(chǎn)生的結(jié)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(gè)與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實(shí) 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(fù)雜的光波的疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過三個(gè)狹縫時(shí)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(dāng)于波長的條件，故A、B、E正確，C、D錯(cuò)誤． 【答案】　ABE 2．取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個(gè)圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一. 【導(dǎo)學(xué)號：78510059】 圓孔的衍射 圖522 (1)先用點(diǎn)光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明亮的圓形光斑[圖(a)]，這是________的結(jié)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(jù)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(cè)的亮條紋逐漸變窄． 2．根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側(cè)亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，而兩側(cè)的亮紋逐漸變暗． 衍 射 對 分 辨 率 本 領(lǐng) 的 影 響 及 衍 射 光 柵 [先填空] 1．一個(gè)光學(xué)儀器的分辨率本領(lǐng)是指將兩個(gè)相互靠近的物體的象分離開來的能力． 2．光學(xué)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器，其透鏡就相當(dāng)于小圓孔，透鏡直徑越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低． 3．衍射光柵 (1)結(jié)構(gòu)：有許多等寬的狹縫等距離排列起來形成光學(xué)元件．狹縫的個(gè)數(shù)越多，衍射條紋的寬度越窄，亮度越亮． (2)衍射圖樣的特點(diǎn)：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(lǐng)越低．(√) 2．多縫干涉的結(jié)果使光柵衍射的寬度比單縫衍射時(shí)更寬．() 3．光柵的衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)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(chǎn)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(diǎn)，產(chǎn)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(jié)果，不同于雙縫干涉條紋． [核心點(diǎn)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(shí)，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(shí)，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(shí)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小． (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，而泊松亮斑較小． 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(cè)是黑暗的，而小圓板衍射圖樣的外側(cè)是明亮的． 3．關(guān)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(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低 【解析】　單色光照到狹縫上產(chǎn)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(diǎn)，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(xiàng)中大光斑的邊緣模糊，正是衍射造成的，不能認(rèn)為不存在衍射現(xiàn)象．A、C正確，B、D錯(cuò)誤．透鏡相當(dāng)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(yīng)的圓孔的孔徑________(選填“大于”或“小于”)圖乙所對應(yīng)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(shí)為圓盤衍射；若中心為大且亮的圓形亮斑，中心圓環(huán)為細(xì)而窄的暗紋時(shí)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(xì)且暗的為圓孔衍射． 學(xué)業(yè)分層測評(十三) (建議用時(shí)：45分鐘) [學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．下列現(xiàn)象中，能產(chǎn)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯(cuò)；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(chǎn)生干涉條紋，C錯(cuò)；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(huì)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(shí)，下列說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：78510060】 A．卡尺形成的狹縫應(yīng)平行于日光燈，且狹縫遠(yuǎn)離日光燈，人眼也遠(yuǎn)離狹縫進(jìn)行觀察 B．卡尺狹縫平行于日光燈觀察時(shí)，可觀察到中央為白色光帶，兩側(cè)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(kuò)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(yuǎn)離日光燈，眼睛應(yīng)靠近狹縫進(jìn)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(cuò)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(cuò)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(shí)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(dá)地面 B．只有波長較長的一部分光才能到達(dá)地面 C．只有頻率較大的一部分光才能到達(dá)地面 D．只有頻率較小的一部分光才能到達(dá)地面 E．紅光比紫光更容易穿過沙塵到達(dá)地面 【解析】　據(jù)光發(fā)生明顯衍射的條件，發(fā)生沙塵暴時(shí)，只有波長較長的一部分光線能到達(dá)地面，據(jù)λ＝知，到達(dá)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(gè)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(diǎn)可以得出的正確結(jié)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(xiàng)錯(cuò)；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(xiàng)錯(cuò)，E項(xiàng)正確． 【答案】　ABE 6．觀察單縫衍射現(xiàn)象時(shí)，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(shí)驗(yàn)的調(diào)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(diào)整是將縫調(diào)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(lán)光各自通過同一個(gè)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(gè)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(lán)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(lán)　黃 8．在觀察光的衍射實(shí)驗(yàn)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(yīng)是 【導(dǎo)學(xué)號：78510061】 甲　　 　　　　乙 圖527 甲圖對應(yīng)的障礙物應(yīng)是________， 乙圖對應(yīng)的障礙物應(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(xì)絲時(shí)可以用激光監(jiān)控其粗細(xì)，如圖528所示，激光束越過細(xì)絲時(shí)產(chǎn)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(xì)了 E．用紅色激光比藍(lán)色激光得到的條紋更寬 【解析】　上述現(xiàn)象符合光的衍射產(chǎn)生的條件，故B正確；由衍射產(chǎn)生的條件可知：絲越細(xì)衍射現(xiàn)象越明顯，故D也正確；紅色激光比藍(lán)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(zhì)射向空氣，結(jié)果折射角相同，下列說法正確的是(　　) 圖529 【導(dǎo)學(xué)號：78510062】 A．b在該介質(zhì)中的折射率比a小 B．若用b做單縫衍射實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shè)折射角為θ1，入射角為θ2，由題設(shè)條件知，θ1a＝θ1b，θ2a＜θ2b，由n＝，知na＞nb，A正確；因?yàn)閚a＞nb，所以λa＜λb，又Δx＝λ，故Δxa＜Δxb，B正確，D錯(cuò)誤；而波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，C錯(cuò)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(shí)驗(yàn)中： (1)供觀察者用的光源應(yīng)用________(選填“點(diǎn)光源”“線光源”或“面光源”)； (2)鉛筆狹縫應(yīng)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(cè)出現(xiàn)________； (4)狹縫變窄時(shí)，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(gè)可自由收縮的三角形孔，當(dāng)此三角形孔緩慢地由大收縮變小直到閉合時(shí)，試分析在孔后的屏上將先后出現(xiàn)的現(xiàn)象(遮住側(cè)面光)． 圖5210 【解析】　當(dāng)三角形孔較大時(shí)，屏上出現(xiàn)一個(gè)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(dāng)三角形孔小到一定程度時(shí)，屏上會(huì)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(dāng)孔閉合時(shí)，屏上就會(huì)一片黑暗． 【答案】　見解析