人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射获奖教学设计

第四章　光

第5节　光的衍射

【教材分析】

学生在前述章节中已经学习了机械波的衍射现象，但是机械波的衍射现象在生活中很容易观察到，而光的衍射现象在生活中不易察觉到，由于光的衍射实验现象在教室里可视度很低，因此大部分教学中光的衍射现象都是通过图片的形式展示给学生；本节课设计了较多的教师演示实验和学生分组实验，教学中以光的衍射现象的实验为线索，运用观察、类比等多种教学方法认识光的衍射现象以及光的明显衍射现象的条件，并进一步通过实验了解光的衍射现象在现代科技中的应用。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】了解光发生明显衍射现象的条件，知道衍射条纹与干涉条纹的区别。

【科学思维】通过观看演示图片及演示视频，思考光发生衍射现象的本质，用科学类比的方法研究光的衍射现象与光的干涉现象的共同点与异同点。

【科学探究】结合演示图片及演示视频学生分组探究光发生明显干涉现象的条件，并探究单缝衍射、小孔衍射、以及圆盘衍射图样的特征。

【科学态度与责任】能够将所学的知识应用在生活中，在生活中发现物理现象，用所学的物理知识解释生活中的物理现象，在科学研究中必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度。

【教学重点与难点】

【教学重点】认识光的明显衍射的条件，知道衍射条纹与缝宽的关系，能够区分单缝衍射、小孔衍射、圆盘衍射图样，并能区分单缝衍射与双缝干涉条纹。

【教学难点】通过众多光的衍射实验事实来认识光的波动性。

【教学过程】

一、【引入新课】

既然光是一种波，为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象，而常常看到的是光沿着直线传播的呢？

问题：

我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射。例如，声音能够绕过障碍物传播。既然光也是一种波，为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说“光沿直线传播”呢？

光的衍射：

二、【进行新课】

探究点一、光的衍射

在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。

单缝衍射示意图

这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。图是在一次实验中拍摄的屏上亮条纹的照片，上图的狭缝较窄，衍射后在屏上产生的中央亮条纹较宽。

单缝衍射产生的图样

如果用白光做上述实验，得到的条纹是彩色的（图）。这是因为白光中包含了各种颜色的光，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了。

白光的单缝衍射条纹

在单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮条纹和暗条纹。这是由于来自单缝或圆孔上不同位置的光，通过缝或孔之后叠加时加强或者削弱的结果。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。

光经过大头针尖时的衍射照片

对衍射现象的研究表明，光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以近似认为光是沿直线传播的。但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了。

光的衍射

1.定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。

2.衍射图象：衍射时产生的明暗条纹或光环。

3.单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。

4.圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。

产生明显衍射的条件

障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射。对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显。由于波长越长，衍射性越好，所以观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多。

三种不同的衍射现象及特点

(1)单缝衍射

①现象：如图所示，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，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′，BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象。

②单缝衍射图样的四个特点：

a.中央条纹亮而宽；

b.两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱；

c.波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大，单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大；

d.白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。

(2)圆孔衍射

①现象：圆孔衍射如图所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图甲所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环。

②圆孔衍射图样的两个特点

a.单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环，越向外，亮环亮度越低；

b.白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。

区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法

(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄。

(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗。

探究点二、衍射光栅

单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。因此，无论从测量的精确度，还是从可分辨的程度上说，单缝衍射都不能达到实用要求。

实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的。它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅（图）。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。

透射光栅

衍射光栅

(1)结构

由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器。

(2)衍射图样特点

与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。

科学漫步

泊松亮斑趣事

1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。

当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。

但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑（图），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，也称为阿拉果亮斑。

泊松亮斑

X射线衍射与双螺旋

晶体中原子的排列是规则的，原子间距与X射线波长接近。这使得X射线照射在晶体上会发生明显的衍射现象。衍射图样中斑点的强度和位置包含着有关晶体的大量信息。因此，人们可以利用X射线衍射探测晶体的结构（图）。

1912年，德国科学家劳厄观测到了这种衍射现象。在当时人们并不确信X射线是一种电磁波，也不确信晶体是由周期性排列的原子组成的。劳厄的观测，同时证实了X射线的波动性和晶体内部的原子点阵结构，被爱因斯坦誉为物理学中最美的实验。劳厄因此获得了1914年诺贝尔物理学奖。之后，英国物理学家布拉格父子深入研究了利用X射线测量和分析晶体结构的方法。他们的工作奠定了这一技术的实验和理论基础，为此，布拉格父子共同获得了1915年诺贝尔物理学奖。今天，X射线衍射已经成为人们探测晶体和大分子结构的标准技术手段之一，被广泛应用于物理学和生物学等许多领域。这一技术所带来的最重要成果之一，就是DNA双螺旋结构的发现。

在20世纪50年代，生物学家已经知道DNA是细胞中携带遗传信息的物质，下一步就是要搞清楚DNA的结构，从而确定它的化学作用。从1951年开始，英国物理学家威尔金斯和富兰克林研究了DNA对X射线的衍射，获得了一系列DNA纤维的X射线衍射图样（图）。英国卡文迪什实验室（主任为小布拉格）的美国生物学家沃森和英国生物学家克里克则根据这些数据提出了DNA的双螺旋结构模型。这是生物学史上划时代的事件。它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。沃森、克里克和威尔金斯因此获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

X射线晶体衍射实验示意图            富兰克林使用X射线拍摄的DNA晶体

课堂重点知识小结

1.光在没有障碍物的均匀介质中，直线传播。

2.在孔或障碍物的尺寸比波长差不多或还小，光就发生衍射。

3.光的衍射并没有否定光的直线传播，而是指出了它的适用范围和它的局限性。

4.缝、孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比波长还小时，衍射现象明显。

随堂练习

例1：在单缝衍射实验中，下列说法正确的是(　　)

A.将入射光由黄光换成绿光，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

E.条纹间距与单缝到屏的距离无关

【答案】ACD

【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，A、C正确；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，B错误；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，D正确，E错误。

例2：如图所示的4幅明暗相间的条纹，分别是红光经过间距不同的双缝及宽度不同的单缝所形成的。则下面的四幅图(甲、乙、丙、丁)依次对应的是(　　)

A.双缝宽间距，双缝窄间距，宽单缝，窄单缝

B.双缝窄间距，双缝宽间距，窄单缝，宽单缝

C.宽单缝，窄单缝，双缝宽间距，双缝窄间距

D.窄单缝，宽单缝，双缝窄间距，双缝宽间距

【答案】A

【解析】双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，亮(暗)条纹等间距，故甲、乙两图是双缝干涉图样；根据双缝干涉条纹间距公式Δx=λ可知，双缝间距越小，Δx越大，故甲是双缝宽间距，乙是双缝窄间距。单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧条纹宽度越小越暗，而单缝越窄，中央亮条纹越宽，故丙是宽单缝，丁是窄单缝。综上可知，选A。

例3：(单选)下列现象中，属于光的衍射现象的是(　　)

A.雨后天空出现彩虹

B.通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹

C.镀膜后，望远镜的镜头透入光的亮度增强

D.医院手术室使用无影灯

【答案】B

【解析】雨过天晴时，在天空常出现彩虹，这是太阳光通过悬浮在空气中细小的水珠折射而形成的，A错误；通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹，属于单缝衍射，B正确；照相机、望远镜的镜头表面常常镀一层透光的膜，即增透膜，增透膜利用的是光的干涉，故C错误；医院手术室使用无影灯利用的是光的直线传播，故D错误。