第四章 5 光的衍射（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（人教版）

本讲义聚焦高中物理“光的衍射”核心知识点，从光的直线传播现象（孔大时亮斑、小孔成像）切入，过渡到孔小时的衍射现象，系统讲解衍射定义、产生明显衍射的条件，以及单缝、圆孔、圆板（泊松亮斑）三种衍射图样的特点，通过对比单缝衍射与双缝干涉的异同构建知识支架，并介绍衍射光栅的原理。 该资料以实验情境（蜡烛照可调孔）和问题驱动引导科学探究，结合对比表格与例题深化科学思维，配有衍射图样、实验装置图等图示辅助理解。课中助力教师直观教学，课后通过课时对点练帮助学生巩固光的波动性物理观念，有效查漏补缺。

5　光的衍射 [学习目标]　1.通过观察演示实验，知道光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件(重点)。2.通过分析衍射条纹的特点，能正确区分衍射条纹和干涉条纹(重难点)。 一、光的衍射 蜡烛照到可调节孔大小的挡板上，将孔由大逐渐调小的过程中，光屏上依次会出现什么图样？为什么？ 答案　当孔较大时，在光屏上形成类似孔的亮斑，这是光沿直线传播的结果； 当孔变得较小时，在屏上形成烛焰的倒像(小孔成像)； 当孔再变小时，在屏上形成明暗相间的圆环，这是光发生衍射的结果。 1.光的衍射：用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，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。 2.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。 说明：衍射条纹是由于来自不同位置的光，通过缝或孔之后叠加时加强或者削弱的结果，所以说衍射中也存在干涉现象。 3.发生明显衍射现象的条件：障碍物或狭缝的尺寸足够小。 4.三种衍射图样的特点 (1)单缝衍射 ①单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄； ②波长一定时，单缝窄(选填“宽”或“窄”)的中央亮条纹宽，条纹间距大；单缝不变时，光波波长大(选填“大”或“小”)的中间条纹宽，条纹间距大。 (2)圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现明暗相间的圆环。如图所示。 ①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。 ②圆孔越小，波长越长，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。 (3)圆板衍射(泊松亮斑) ①若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。衍射图样如图所示。 ②中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。 1.光通过狭缝时会产生明显的衍射现象，光通过比较宽的缝隙时我们看到“光沿直线传播”，此时光是不是就不发生衍射了？ 答案　不是。当狭缝或障碍物尺寸与光的波长相当或比波长还小时，会产生明显衍射现象，狭缝较宽时，仍发生衍射，只是不明显。 2.如果让白光分别通过狭缝或圆孔，那么形成的衍射图样各有什么特点？ 答案　白光通过狭缝时，衍射图样中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹；白光通过圆孔时，衍射图样中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色的同心圆环。 (1)红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹。 (　√　) (2)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹。 (　×　) (3)光的衍射图样是光波相互叠加的结果。 (　√　) (4)只有单色光才能发生衍射。 (　×　) 例1　如图所示的四种明暗相间的条纹分别是黄光、紫光各自通过同一个双缝干涉装置形成的干涉图样以及红光、蓝光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。在下面的四幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(　　) A.黄蓝紫红 B.黄红紫蓝 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫 答案　A 解析　双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故1、3是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ，可知波长λ越大，Δx越大，故1是黄光的干涉图样，3是紫光的干涉图样。单缝衍射条纹的中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，故2、4为单缝衍射图样，根据波长越长衍射现象越明显，可知4为红光的衍射图样，2为蓝光的衍射图样。故从左向右依次是黄光(双缝干涉)、蓝光(单缝衍射)、紫光(双缝干涉)和红光(单缝衍射)，故选A。 单缝衍射与双缝干涉的比较 单缝衍射 双缝干涉 图样 不同点 产生条件 狭缝足够小(发生明显衍射) 频率相同的两列光波相遇叠加 条纹宽度 条纹宽度不等，中央条纹最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，越向两侧条纹越暗 各条纹亮度基本相同 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 例2　(2024·太原市高二期末)关于衍射图样，下列选项正确的是(　　) A.甲图是白光的单缝衍射条纹 B.乙图是单色光单缝衍射产生的图样 C.丙图是科学家泊松在实验中首次观察到的泊松亮斑 D.丁图是物理学家沃森和克里克做实验获得的一系列DNA纤维的电子射线衍射图样 答案　B 解析　白光的单缝衍射图样是彩色的直条纹，甲图是光经过大头针尖时的图样，选项A错误；乙图是单色光单缝衍射产生的图样，是明暗相间的直条纹，中间是亮纹，选项B正确；丙图是阿拉果在实验中首次观察到的泊松亮斑，光线照射到圆板上，在圆板的后面出现一个亮斑，选项C错误；丁图是物理学家威尔金斯和富兰克林做实验获得的一系列DNA纤维的X射线衍射图样，选项D错误。 例3　(2024·湖北省云学名校联盟高二月考)甲、乙两图是教科书上红光的单缝衍射和双缝干涉实验图样。下列有关光的干涉和衍射现象说法正确的是(　　) A.图甲发生的是衍射现象，图乙发生的是干涉现象 B.不改变其他条件，当用紫光做实验时，图甲的条纹间距变小 C.不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图甲的条纹间距变大 D.不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图乙的中央条纹宽度变小 答案　B 解析　干涉条纹的条纹等间距，由图可知图甲发生的是干涉现象，图乙发生的是衍射现象，根据Δx＝λ，由于紫光的波长较小，所以不改变其他条件，当用紫光做实验时，图甲的条纹间距变小，不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图甲的条纹间距不变，图乙的中央条纹宽度变大。故选B。 二、衍射光栅 1.定义 衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。 2.原理 增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。 3.透射光栅和反射光栅 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。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。 例4　(多选)关于衍射光栅，下列说法正确的是(　　) A.衍射光栅是由许多等宽度的狭缝组成的 B.增加狭缝的个数，因衍射条纹的宽度将变宽，所以亮度将会增加 C.透射光栅中刻痕的部分相当于透光的狭缝 D.透射光栅中未刻痕的部分相当于透光的狭缝 答案　AD 解析　衍射光栅由一系列等距的平行刻痕或狭缝组成，刻痕处发生漫反射而不透光，未刻痕的部分相当于透光的狭缝，故C错误，A、D正确；增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将会增加，B错误。 课时对点练 [分值：60分] [1~7题，每题4分] 考点一　光的衍射 1.(多选)关于光的衍射现象，下列说法正确的是(　　) A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后干涉的结果 B.双缝干涉中也存在衍射现象 C.一切光都很容易发生明显的衍射现象 D.影子的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 答案　AB 解析　衍射条纹是光在通过狭缝间隙后相互叠加干涉的结果，A正确；双缝干涉中光源通过每一个单一狭缝时都有衍射现象，B正确；只有当缝隙的间距(或障碍物的尺寸)接近波长或者小于波长时才会发生明显的衍射现象，C错误；光通过缝隙的时候，缝隙从大到小依次会出现影子、像以及衍射条纹，光学原理依次为光的直线传播、小孔成像和衍射，因此不矛盾，D错误。 2.(来自教科教材)下列现象中属于光的衍射现象的是(　　) A.雨后天空美丽的彩虹 B.阳光下肥皂膜的彩色条纹 C.光通过三棱镜产生的彩色条纹 D.对着日光灯从两铅笔缝中看到的彩色条纹 答案　D 解析　雨后天空美丽的彩虹，这是太阳光通过悬浮在空气中细小的水珠折射而成的，白光经水珠折射以后，分成各种彩色光，这种现象叫作光的色散现象，A错误；日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹属于光的干涉，故B错误；一束白光通过三棱镜产生的彩色条纹属于光的折射现象，故C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，故D正确。 3.某同学在不透光的挡板上开一条缝宽为0.05 mm的窄缝，使用激光器作光源，进行光的衍射实验，如图所示。则他在光屏上看到的条纹是下面图中的(　　) 答案　B 解析　根据衍射条纹的特点，光的衍射条纹与狭缝平行，且中间宽、两边窄、不等间距，故B正确，A、C、D错误。 4.(多选)(2024·晋中市高二期末)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激光束经过一根细丝后在光屏上所产生的条纹变化，即可判断细丝粗细的变化，则下列说法正确的是(　　) A.这里应用的是光的衍射现象 B.如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变细 C.这里应用的是光的干涉现象 D.如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变粗 答案　AD 解析　当障碍物的尺寸与波的波长相当，或小于波的波长，会发生明显的衍射，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变窄，则说明衍射现象不明显，可知纤维丝变粗，故选A、D。 5.(2024·北京交通大学附属中学高二期中)用如图甲所示装置做圆孔衍射实验，在屏上得到的衍射图样如图乙所示，实验发现，光绕过孔的边缘，传播到了相当大的范围。下列说法正确的是(　　) A.此实验说明了光沿直线传播 B.圆孔变小，衍射图样的范围反而变大 C.圆孔变小，中央亮斑和亮纹的亮度反而变大 D.用不同波长的光做实验，衍射图样完全相同 答案　B 解析　此实验说明了光的衍射现象，故A错误；圆孔变小，衍射现象更明显，衍射图样的范围反而变大，故B正确；圆孔变小，透光强度变小，中央亮斑和亮纹的亮度变弱，故C错误；用不同波长的光做实验，衍射图样并不相同，因为波长越长，对同一圆孔而言，衍射现象越明显，故D错误。 考点二　衍射和干涉的比较 6.在白炽灯的照射下能从两块捏紧的玻璃板的表面看到彩色条纹，通过游标卡尺的狭缝观察发光的白炽灯也会看到彩色条纹。这两种现象(　　) A.都是光的衍射现象 B.都是光的干涉现象 C.前者是光的干涉现象，后者是光的衍射现象 D.前者是光的衍射现象，后者是光的干涉现象 答案　C 解析　两块捏紧的玻璃板之间形成空气薄膜，在白光的照射下表面看到彩色条纹是光的干涉现象；通过游标卡尺的狭缝观察发光的白炽灯也会看到彩色条纹，是光的衍射现象。故选C。 7.(多选)(2024·福州市高二期末)某实验小组在光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，得到四幅图样，下列有关说法正确的是(　　) A.甲是单缝衍射图样 B.乙是双缝干涉图样 C.丙是小圆孔衍射图样 D.丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样 答案　CD 解析　衍射与干涉图样的区别是：前者是中间亮条纹明且宽大，越向两侧宽度越小，后者明暗条纹宽度相等，则甲是双缝干涉图样，乙是单缝衍射图样，故A、B错误；单色光照射小圆孔做衍射的实验时，中央较大的区域内是亮的，周围是明暗相间的圆环，条纹间距也不等，亮度向外逐渐变暗；而泊松亮斑的中间是一个比较小的亮点，亮度向外逐渐变亮，可知丙是小圆孔衍射图样，丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样，故C、D正确。 [8~11题，每题6分] 8.(多选)发生沙尘暴时能见度只有几十米甚至几米，天空变黄变暗是由于(　　) A.波长较短的光才能到达地面 B.波长较长的光才能到达地面 C.频率较高的光才能到达地面 D.频率较低的光才能到达地面 答案　BD 解析　发生沙尘暴时，当光的波长与沙尘颗粒的尺寸相当或明显大于沙尘颗粒的尺寸时，会发生明显衍射而到达地面，而根据c＝λf可知波长越长，频率越低，因此天空变黄变暗是由于波长较长、频率较低的光才能到达地面，故选B、D。 9.(多选)中国女科学家屠呦呦因发现青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖，屠呦呦也成为首位获得该奖的中国人。在研究青蒿素化学结构时，研究人员用X射线衍射的方法最终确定了其化学结构。X射线的波长比可见光的短，在做单缝衍射实验时，下列说法正确的是(　　) A.将入射光由可见光换成X射线，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，衍射条纹间距变窄 答案　AC 解析　将入射光由可见光换成X射线，波长变短，衍射条纹间距变窄，故A正确；使单缝宽度变小，则衍射条纹间距变宽，故B错误；换用波长较长的光照射，则衍射条纹间距变宽，故C正确；增大单缝到屏的距离，则衍射条纹间距变宽，故D错误。 10.(多选)如图(a)所示是做双缝干涉实验的示意图。先做操作1：用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上、下两半部分Ⅰ和Ⅱ；接着再做操作2：用不透明的挡板挡住b缝。若两块滤光片一块是红色，一块是蓝色，红光波长大于蓝光波长，则(　　) A.完成操作1后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是红色条纹，乙是蓝色条纹 B.完成操作1后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是蓝色条纹，丁是红色条纹 C.完成操作2后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是蓝色条纹，乙是红色条纹 D.完成操作2后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹 答案　AD 解析　题图(b)中的条纹为等间距的明暗相间条纹，是干涉图样。题图(c)为中间最宽且不等间距的明暗相间条纹，是衍射条纹。操作1是双缝干涉实验，故条纹间距相等，光屏上出现题图(b)图案，由图案知甲的波长大于乙的波长，故甲为红色条纹，乙为蓝色条纹，A正确；操作2是单缝衍射，条纹间距不相等，光屏上为题图(c)图案，再结合波长关系可知D正确。 11.(多选)小刚同学用光电传感器研究光的波动现象，实验装置如图甲所示，某次实验中，得到了如图乙所示的光照强度分布图，则下列说法正确的是(　　) A.该同学观察到的是光的干涉图样 B.该同学观察到的是光的衍射图样 C.若仅减小单色光光源和中间缝屏的距离，则观察到的条纹的宽度将不变 D.若换用光强度更大、频率更低的激光，则观察到的条纹的宽度将变大 答案　BCD 解析　由题图乙可知，条纹宽度中间宽、两边窄，是衍射图样，选项A错误，B正确；单缝衍射形成的条纹间距与单缝宽度、缝到光屏的距离以及光的波长有关，故仅减小单色光光源和缝屏的距离，观察到条纹间距将不变，若单色光的频率降低，其波长增大，条纹宽度会变大，选项C、D正确。 [8分] 12.单缝衍射实验中所产生图样的中央亮条纹宽度的一半与单缝宽度、光的波长、缝与屏间距离的关系，和双缝干涉实验中所产生图样的相邻两亮条纹间距与双缝间距、光的波长、双缝与屏间距离的关系相同。利用单缝衍射实验可以测量金属的线膨胀系数，线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。如图所示是实验的示意图，挡光片A固定，挡光片B放置在待测金属棒上端，A、B间形成平直的狭缝，单色光通过狭缝，在光屏上形成衍射图样，升高温度，金属棒膨胀使得狭缝宽度发生变化，衍射图样也随之发生变化。在单色光波长已知的情况下，通过测量缝与屏间距离和中央亮条纹宽度，可算出狭缝宽度及其变化，进而计算出金属的线膨胀系数。下列说法正确的是(　　) A.温度不变的情况下，单色光的波长越短，中央亮条纹宽度越宽 B.相同实验条件下，金属的膨胀量越大，中央亮条纹宽度越窄 C.相同实验条件下，中央亮条纹宽度变化越大，说明金属膨胀量越大 D.其他实验条件相同，狭缝到光屏的距离越大，测得金属的线膨胀系数越大 答案　C 解析　温度不变的情况下，单色光的波长越短，衍射现象越不明显，中央亮条纹宽度越窄，A错误；相同实验条件下，金属的膨胀量越大，即狭缝越窄，衍射现象越明显，中央亮条纹宽度越宽，B错误；相同实验条件下，中央亮条纹宽度变化越大，则狭缝越窄，说明金属膨胀量越大，C正确；金属的线膨胀系数取决于金属材料本身，与狭缝到光屏的距离无关，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $