新教材人教版高中物理選擇性必修第一冊 4.5光的衍射 教學課件

1、第四章 光4.5 光的衍射1.知道光的衍射現(xiàn)象和產(chǎn)生明顯衍射的條件. （重點）2.了解如何通過實驗觀察光的衍射現(xiàn)象，可以區(qū)分幾種不同的衍射圖樣. 3.能解釋日常生活中的衍射現(xiàn)象，初步了解衍射光柵. 學習目標既然光是一種波,為什么我們?nèi)粘Ｉ钪杏^察不到光的衍射現(xiàn)象,而常?？吹降氖枪庋刂本€傳播的呢?新課導入 我們知道，波能夠繞過障礙物發(fā)生衍射。例如，聲音能夠繞過障礙物傳播。既然光也是一種波，為什么在日常生活中我們觀察不到光的衍射，而且常常說“光沿直線傳播”呢？問題：？光的衍射：在擋板上安裝一個寬度可調的狹縫，縫后放一個光屏。用單色平行光照射狹縫，我們看到，當縫比較寬時，光沿著直線通過狹縫，在屏上

2、產(chǎn)生一條與縫寬相當?shù)牧翖l紋。但是，當縫調到很窄時，盡管亮條紋的亮度有所降低，但是寬度反而增大了，而且還出現(xiàn)了明暗相間的條紋。一、光的衍射單縫衍射示意圖 新課講解這表明，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。圖是在一次實驗中拍攝的屏上亮條紋的照片，上圖的狹縫較窄，衍射后在屏上產(chǎn)生的中央亮條紋較寬。單縫衍射產(chǎn)生的圖樣一、光的衍射如果用白光做上述實驗，得到的條紋是彩色的（圖）。這是因為白光中包含了各種顏色的光，衍射時不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了。白光的單縫衍射條紋一、光的衍射在單縫衍射和圓孔衍射的照片中，都有一些亮條紋和暗條紋。這是由于來

3、自單縫或圓孔上不同位置的光，通過縫或孔之后疊加時加強或者削弱的結果。各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋。一、光的衍射光經(jīng)過大頭針尖時的衍射照片對衍射現(xiàn)象的研究表明，光在沒有障礙物的均勻介質中是沿直線傳播的，在障礙物的尺寸比光的波長大得多的情況下，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以近似認為光是沿直線傳播的。但是，在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時就不能說光沿直線傳播了。一、光的衍射1.定義：光通過很小的狹縫(或圓孔)時，明顯地偏離了直線傳播的方向，在屏上應該出現(xiàn)陰影的區(qū)域出現(xiàn)明條紋或亮斑，應該屬于亮區(qū)的地方也會出現(xiàn)暗

4、條紋或暗斑的現(xiàn)象2衍射圖象：衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)一、光的衍射3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，中央為白條紋4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)一、光的衍射一、光的衍射障礙物的尺寸可以跟光的波長相近或比光的波長還要小時能產(chǎn)生明顯的衍射對同樣的障礙物，波長越長的光，衍射現(xiàn)象越明顯；對某種波長的光，障礙物越小，衍射現(xiàn)象越明顯由于波長越長，衍射性越好，所以觀察到聲波的衍射現(xiàn)象就比觀察到光波的衍射現(xiàn)象容易得多產(chǎn)生明顯衍射的條件一、光的衍射三種不同的衍射現(xiàn)象及特點一

5、、光的衍射(1)單縫衍射現(xiàn)象：如圖所示，點光源S發(fā)出的光經(jīng)過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區(qū)域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳播而是傳到幾何陰影區(qū)，在AA，BB區(qū)出現(xiàn)亮暗相間的條紋，即發(fā)生了衍射現(xiàn)象單縫衍射圖樣的四個特點：a中央條紋亮而寬；b兩側亮條紋具有對稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱；c波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大，單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大；d白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側為彩色條紋，且外側呈紅色，靠近白色亮條紋的內(nèi)側為紫色三種不同的衍射現(xiàn)象及特點一、光的衍射(2)圓孔衍射現(xiàn)象：圓孔衍射如圖所示，當擋板A

6、B上的圓孔較大時，光屏上出現(xiàn)如圖甲所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現(xiàn)象發(fā)生；當擋板AB上的圓孔很小時，光屏上出現(xiàn)如圖乙所示的衍射圖樣，出現(xiàn)亮、暗相間的圓環(huán)三種不同的衍射現(xiàn)象及特點一、光的衍射圓孔衍射圖樣的兩個特點a單色光的圓孔衍射圖樣中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環(huán)越向外，亮環(huán)亮度越低b白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán)三種不同的衍射現(xiàn)象及特點一、光的衍射區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法一、光的衍射(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，兩側的條紋變窄(2)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋

7、，從中央亮紋往兩側亮度變化很小；而單縫衍射條紋中央亮紋最亮，兩側的亮紋逐漸變暗二、衍射光柵 單縫衍射的條紋比較寬，而且距離中央亮條紋較遠的條紋，亮度也很低。因此，無論從測量的精確度，還是從可分辨的程度上說，單縫衍射都不能達到實用要求。二、衍射光柵 實驗表明，如果增加狹縫的個數(shù)，衍射條紋的寬度將變窄，亮度將增加光學儀器中用的衍射光柵就是據(jù)此制成的。它是由許多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學元件。在一塊很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕產(chǎn)生漫反射而不太透光，未刻的部分相當于透光的狹縫，這樣就做成了透射光柵（圖 ）。如果在高反射率的金屬上刻痕，就可以做成反射光柵。透射光柵衍射光柵二、衍射

8、光柵(1)結構由許多等寬的狹縫等距離排列起來形成的光學儀器(2)衍射圖樣特點與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加 1818 年，法國的巴黎科學院為了鼓勵對衍射問題的研究，懸賞征集這方面的論文。一位年輕的物理學家菲涅耳在論文中按照波動說深入研究了光的衍射。 當時的另一位法國科學家泊松是光的波動說的反對者，他按照菲涅耳的理論計算了光在圓盤后的影的問題，發(fā)現(xiàn)對于一定的波長、在適當?shù)木嚯x上，影的中心會出現(xiàn)一個亮斑！泊松認為這是荒謬可笑的，并認為這樣就駁倒了光的波動說。泊松亮斑趣事科學漫步 但是，就在競賽的關鍵時刻，評委阿拉果在實驗中觀察到了這個亮斑（圖 ），這樣，泊松的計算反而支持了光的波動說

9、。后人為了紀念這個有意義的事件，把這個亮斑稱為泊松亮斑，也稱為阿拉果亮斑。 泊松亮斑趣事科學漫步泊松亮斑晶體中原子的排列是規(guī)則的，原子間距與 X 射線波長接近。這使得 X 射線照射在晶體上會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。衍射圖樣中斑點的強度和位置包含著有關晶體的大量信息。因此，人們可以利用 X 射線衍射探測晶體的結構（圖 ）?？茖W漫步X 射線衍射與雙螺旋X 射線晶體衍射實驗示意圖1912 年，德國科學家勞厄觀測到了這種衍射現(xiàn)象。在當時人們并不確信 X 射線是一種電磁波，也不確信晶體是由周期性排列的原子組成的。勞厄的觀測，同時證實了 X射線的波動性和晶體內(nèi)部的原子點陣結構，被愛因斯坦譽為物理學中最美的實驗

10、。勞厄因此獲得了 1914 年諾貝爾物理學獎。之后，英國物理學家布拉格父子深入研究了利用 X 射線測量和分析晶體結構的方法。他們的工作奠定了這一技術的實驗和理論基礎，為此，布拉格父子共同獲得了 1915 年諾貝爾物理學獎。今天，X 射線衍射已經(jīng)成為人們探測晶體和大分子結構的標準技術手段之一，被廣泛應用于物理學和生物學等許多領域。這一技術所帶來的最重要成果之一，就是 DNA 雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)?？茖W漫步X 射線衍射與雙螺旋 在 20 世紀 50 年代，生物學家已經(jīng)知道 DNA 是細胞中攜帶遺傳信息的物質，下一步就是要搞清楚 DNA 的結構，從而確定它的化學作用。從 1951 年開始，英國物理學家威

11、爾金斯和富蘭克林研究了 DNA 對 X 射線的衍射，獲得了一系列 DNA 纖維的X 射線衍射圖樣（圖 ）。英國卡文迪什實驗室（主任為小布拉格）的美國生物學家沃森和英國生物學家克里克則根據(jù)這些數(shù)據(jù)提出了 DNA 的雙螺旋結構模型。這是生物學史上劃時代的事件。它宣告了分子生物學的誕生，標志著生物學已經(jīng)進入了分子水平。沃森、克里克和威爾金斯因此獲得了 1962 年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎?？茖W漫步X 射線衍射與雙螺旋科學漫步X 射線衍射與雙螺旋富蘭克林使用 X 射線拍攝的 DNA 晶體1.光在沒有障礙物的均勻介質中，直線傳播。2.在孔或障礙物的尺寸比波長差不多或還小，光就發(fā)生衍射。3.光的衍射并沒有否

12、定光的直線傳播，而是指出了它的適用范圍和它的局限性。4.縫、孔或障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比波長還小時，衍射現(xiàn)象明顯。例1、（多選）在單縫衍射實驗中，下列說法正確的是()A將入射光由黃光換成綠光，衍射條紋間距變窄B使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄C換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變寬D增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬E條紋間距與單縫到屏的距離無關ACD當堂小練【答案】ACD【解析】當單縫寬度一定時，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠，條紋間距也越大，A，C正確；當光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大，B錯誤；光的波長一定、單縫寬度也一定時

13、，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬，D正確，E錯誤例2、（單選）如圖所示的4幅明暗相間的條紋,分別是紅光經(jīng)過間距不同的雙縫及寬度不同的單縫所形成的。則下面的四幅圖(甲、乙、丙、丁)依次對應的是()A.雙縫寬間距,雙縫窄間距,寬單縫,窄單縫B.雙縫窄間距,雙縫寬間距,窄單縫,寬單縫C.寬單縫,窄單縫,雙縫寬間距,雙縫窄間距D.窄單縫,寬單縫,雙縫窄間距,雙縫寬間距A 【答案】A【解析】雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋,亮(暗)條紋等間距,故甲、乙兩圖是雙縫干涉圖樣;根據(jù)雙縫干涉條紋間距公式x= 可知,雙縫間距越小,x越大,故甲是雙縫寬間距,乙是雙縫窄間距。單縫衍射條紋是中間明亮且寬大,越向兩側條紋寬度越小越暗,而單縫越窄,中央亮條紋越寬,故丙是寬單縫,丁是窄單縫。綜上可知,選A。例3、(單選)下列現(xiàn)象中,屬于光的衍射現(xiàn)象的是()A.雨后天空出