高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第3节 光的衍射课堂教学ppt课件

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第3节 光的衍射课堂教学ppt课件，共36页。PPT课件主要包含了衍射现象，衍射光栅等内容，欢迎下载使用。

光会不会像水波一样在遇到障碍物后出现衍射现象呢?本节我们将通过实验来认识光的衍射现象。
如图 5-15 所示，用一束激光照射大小不一的小孔，观察光屏上出现的现象。
实验表明，当圆孔足够小时，可观察到屏上出现了明暗相间的圆环，说明光已传播到原来应是阴影的地方。这些现象用光的直线传播无法解释，
这种光绕过障碍物偏离直线传播的现象称为光的衍射。
产生衍射现象时，来自小孔不同位置的光在屏上相遇叠加，有的相互加强，有的相互减弱，形成明暗相间的衍射图样。
如果用单缝代替圆孔(图5-16)，当缝较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上形成一条与单缝相似的亮条纹
单宽度逐渐减小时，亮条纹的宽度反而增大了，这表明光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到比单缝更宽的地方。
图5-17 是用单缝产生的衍射图样，其中图5-17(a)是红光通过单缝时产生的衍射图样，图5-17(b)是白光通过单缝时产生的衍射图样。
与机械波的衍射相似，光的明显衍射也是有条件的。只有当障碍物或孔的尺寸接近光的波长时，衍射才是明显的。可见光的波长范围通常是4.0×10-7~7.6×10-7m，而光所遇到的一般物体的线度都比它的波长大得多。
只有在光照射到像小孔、狭缝、针尖这样细小的物体上时，我们才可能观察到衍射现象以及它所产生的衍射图样。
刀片边缘的衍射如图5-18所示，让一束光通过剃须刀片，仔细观察，剃须刀片边缘有条纹出现，这就是光在刀片边缘处产生的衍射现象。
经研究发现，不仅小孔、狭缝能使光产生衍射，不同形状的各种障碍物都可能使光产生衍射，并在边缘呈现明暗相间的衍射图样，从而使其影像的轮廓变得模糊不清。
泊松亮斑1818年，法国科学院为鼓励对衍射问题的研究，悬觉征集这方面的论文。当时年轻的物理学家菲涅耳按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了解决行射问题的数学方法。
作为评委之一的法国科学家泊松，按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影像问题。他发现，如果该理论成立，那么在一定条件下，影的中心应该出现一个亮斑。泊松认为这是非常荒谬可笑的，并声称驳倒了光的波动说。
菲涅耳等人立即对此进行实验，不久，菲涅耳和物理学家阿拉果在实验中观察到了这个亮斑(图5-19)。这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑。
2.衍射对分辨本领的影响
光通过足够小的孔时，会因衍射而明显地偏离直线传播方向，并产生衍射图样。这一现象对显微镜、望远镜等精密光学仪器的设计产生了直接影响。
由两个相邻的点光源S1和S2发出的光，通过小孔后分别在屏上形成两个像I1和I2 [图5-20(a)]，这两个像实际上是光源S1和S2的衍射图样。
如果换用更小的圆孔，保持S1和S2之间的距离和其他条件都不变，则会发现衍射现象更加明显而使屏上两个衍射图样变得更大[图 5-20(b)]。
当圆孔足够小时，屏上的两个衍射图样会出现部分重看，使两个光源在屏上所成的像变得难以分辨。当一个圆斑像的中心刚好落在另一个圆斑像的边缘上时，我们称这两个像刚好能被分辨。
显微镜、望远镜的分辨本领与衍射有关显微镜(图5-21)物镜的直径一般都比较小，衍射造成的影响比较明显，便它的分辨本领受到限制。提高显徽镜的放大倍数只会使东西看起来更大些，但不能使分辩本领提高。
如果有两个靠得很近的物体，在显微镜上成的像超过了由衍射现象所决定的分辩极限，即使采用很好的透镜来提高显徽镜的放大倍数，也是徒劳无益的。所以，要有效地提高分辨本领，应远用波长更短而不容易发生衍射现象的电子显微镜或离子显微镜。
对于望远镜，因受到衍射现象的影响，不管物镜是透镜还是反射镜，尺寸越大，分辨本领就越好。现代天文台中所用的大口径天文望远镜多数是反射式望远镜，因为反射镜可做得更大，使望远镜的分辨本领更强大(图5-22)
1821 年，德国物理学家夫琅禾费(1787-1826)利用衍射原理制造了一种光学器件:在两个螺杆上绷上许多平行的细金属线，或者在玻璃片上刻上许多均匀的细槽。因为它有类似栅栏的形状，所以被称为衍射光栅。衍射光栅可分为透射光栅和反射光栅。
典型的透射光栅在1mm 的玻璃板上刻有数百条细槽，这些细槽互相平行，距离相等整齐地排列在一起。光栅的每一条狭缝都能在接收屏上的同一位置产生单缝衍射图样。
不同狭缝产生的光是相干的，必定产生干涉，形成明暗相间的条纹。所以，在接收屏上得到的光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。
研究表明，多缝干涉的结果使光栅衍射的亮条纹的宽度比单缝衍射时窄得多。这样我们就可在几乎黑暗的背景上看到一系列又细又亮的条纹。光栅的这一特点，使它成为科学实验和技术应用中一种常用的重要光学器件。
复色光经光栅衍射后会彼此分开，如白光经过光栅后能被分解并形成彩色条纹。由此，光栅作为分光器件，常被用于单色仪和光谱仪中。利用这一现象，人们通过光栅拍摄灯光时，会得到一种奇妙的效果(图5-23)。
另外，孔雀细密的羽毛就像有规律地排列在一起的反射光栅(图5-24)，使多束反射光相互干涉，也可形成闪烁绚丽的色彩。
1.通过两个手指间的狭缝来观察光源，当获缝宽度逐渐减小时，会观察到什么现象?请试一试，并作出解释。2.两人分别站在一猪璃的两侧，彼此看不见却能相互对话，这是为什么?3.光波发生干涉现象时产生干涉图样，发生衍射现象时产生衍射图样。请观察对比双干涉困样与单缝衍射困样，看看它们有什么区别:
4.如困所示，让太阳光通过窗上的小孔射进漆黑的室内，并落在光滑的反射面(如玻璃、瓷碗、镀铬器件或涂有油漆的门窗等)上。这时，你眯着眼并迎着反射方向看去，不但能看到反射面上的白点(太阳盛像)，同时还能看到在它的两旁出现排对称的彩带，眼缝越细，这种现象越显著，请分析原因。