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物理人教版选修3-4教材梳理 第十三章 5.光的衍射 含解析

疱丁巧解牛 知识· 巧学 一、光的衍射 1.衍射现象 波能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象. 2.产生明显衍射现象的条件 障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多. 深化升华 一切波在遇到障碍物或孔时,都可以发生衍射,要注意区分发生 衍射和产生明显衍射现象的区分. 3.三种不同的衍射现象 (1)单缝衍射 ①单缝衍射:如图 13-5-1 所示,点光源 S 发出的光经过单缝后照射到光屏 上,若缝较宽,则光沿直线传播,传播到光屏上的 AB 区域;若缝足够窄,则光 的传播不再沿直线传播,而是传到几何阴影区,在 AA′、BB′区还出现亮暗相间的 条纹,即发生衍射现象. 图 13-5-1 要点提示 衍射是波特有的一种现象,只是有的明显,有的不明显而已,“闻 其声不见其人”就是声波衍射的原因. ②特点:a.缝变窄时,光有了明显的衍射现象,光所照射的区域变大,由于 通过缝的光能少了,因此条纹的亮度会降低. b.在衍射现象中, 中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同,中央亮条 纹不仅亮度大,宽度也大. 要点提示 用单色光照射单缝时,光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹,中央 条纹宽度大,亮度也大,与干涉条纹有区别. 深化升华 用白光照射单缝时,中间是白色亮条纹,两边是彩色条纹,其中 最靠近中央的色光是紫光,最远离中央的是红光. (2)圆孔衍射 如图 13-5-2 所示, 当挡板 AB 上的圆孔较大时,光屏上出现图中甲所示的情 形,无衍射现象发生;当挡板 AB 上的圆孔很小时,光屏上出现图中乙所示的衍 射图样,出现亮、暗相间的圆环. 图 13-5-2 特点:衍射图样中,中央亮圆的亮度大,外面是亮、暗相间的圆环,但外围 亮环的亮度小. 深化升华 (1)单色光照射时,中央为亮圆,外面是亮度越来越暗的亮环; (2)白光照射时,中央亮圆为白色,周围是彩色圆环. (3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象 在 1818 年,法国物理学家菲涅耳提出波动理论时,著名的数学家泊松根据 菲涅耳的波动理论推算出圆板后的中央应出现一个亮斑, 这看起来是一个荒谬的 结论,于是在同年,泊松在巴黎科学院宣称他推翻了菲涅耳的波动理论,并把这 一结果当作菲涅耳的谬误提了出来,但有人做了相应的实验,发现在圆板阴影的 中央确实出现了一个亮斑, 这充分证明了菲涅耳理论的正确性,后人把这个亮斑 就叫泊松亮斑. 各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射,使影的轮廓模糊不清,若单色光 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. 辨析比较 白光的衍射和单色光的衍射的区别 白光的衍射条纹为中央亮而宽外侧暗而窄,靠近光源的外侧为彩色条纹,且 外侧呈红色,靠近光源的内侧为紫色,条纹间距不等.而单色光的衍射条纹为中 央亮而宽外侧暗而窄,条纹间距不等.因可见光中红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫, 各色光的波长不同, 在发生衍射时的条纹间距也各不相同,对同样的障碍物或孔 的尺寸,红光波长最长,产生的衍射条纹间距最大,紫光波长最小,产生的衍射 条纹间距最小,所以红光在外侧而紫光在内侧. 4.衍射现象的分析 (1)用单色光照射狭缝,在狭缝较宽时,屏上出现一段亮条纹,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,两侧的亮条纹离中央亮条纹 更远,产生了明显的衍射现象. (2)用单色光照射小孔,随着圆孔的减小,屏上先后出现的是: 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)衍射条纹的产生,实质上是光波发生干涉的结果,即相干波叠加的结 果. 当光源发出的光照射到小孔或障碍物上时,小孔处看作有许多点光源,障碍 物的边缘也要看成许多点光源(惠更斯原理).这些点光源是相干光源,发出的 光相干涉,在光屏上形成亮暗相间的条纹. 5.光的干涉和光的衍射的比较 (1)双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果,只是干涉条纹是有限的几束 光的叠加,而衍射条纹可认为是极多且复杂的相干光的叠加. (2)单缝衍射时,照射光的波长越长,中央亮纹越宽,衍射和干涉都能使 白光分色,且中央白光的边缘均呈红色. (3)干涉和衍射的图样有相似之处,都是亮暗相间的条纹,只是干涉条纹 中各条纹宽度和亮纹亮度基本相同,衍射条纹中各条纹宽度和亮纹亮度均不等, 中央亮纹最宽最亮. 辨析比较 单缝衍射与双缝干涉现象都有明暗相间的条纹,它们有以下相同 点与不同点: 项目 种类 条纹宽度 不 同点 条纹间距 亮度 单缝衍射 条纹宽度不等,中央 最宽 各相邻条纹间距不等 中央条纹最亮,两边 变暗 相等 双缝干涉 条纹宽度相等 各相邻条纹等间距 清晰条纹, 亮度基本 相 同点 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加干涉、衍射都有明暗相 同的条纹 典题· 热题 知识点一 光的衍射及发生明显衍射的条件 例 1 在单缝衍射实验中,下列说法中正确的是( A.将入射光由黄色换成绿色,衍射条纹间距变窄 B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄 C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽 D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽 解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播 的路径越远,条纹间距也越大;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越 明显, 条纹间距越大; 光的波长一定、 单缝宽度也一定时, 增大单缝到屏的距离, 衍射条纹间距也会变宽.故选项 A、C、D 正确. 答案:ACD 方法归纳 通过光屏观察衍射条纹与用眼睛直接观察衍射条纹的情况是有所 不同的.单缝到屏的距离增大时,屏上条纹间距变大,亮度变弱,条纹数目不变 (屏足够大) ;如果用眼睛直接观察,眼睛必须靠近单缝,当略微增大眼睛与单 缝距离时,观察到的条纹间距也会略大,而条纹数目将减少,因为眼睛的受光面 很小(相当于光屏很小) ,所以当眼睛与单缝的距离过大时,就观察不到衍射条 纹. 例 2 某同学把卡尺间的窄缝调节到 0.5 mm

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