普通高中物理选择性必修一第四章第5节光的衍射

关于普通高中物理选择性必修一第四章第5节光的衍射的竖屏导图，内容包括光的衍射、衍射光栅、以及关于泊松亮斑的趣闻，供备课参考。

• 普通高中物理选择性必修一 第四章第5节 光的衍射
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 光的衍射
• 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？
• 观察
  • 装置
    • 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。
  • 现象
    • 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。
    • 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。
    • 光的衍射现象：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。
    • 单缝衍射产生的图样
      • 单缝衍射图样：中央有一条较宽较亮的条纹，其余的亮条纹关于中央亮条纹成对称分布，亮条纹的强度从中间向两边快速减弱。 狭缝较窄的上图，衍射后在屏上产生的中央亮条纹较宽，衍射现象更明显。
      • 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，白光衍射得到彩色的条纹。
    • 各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射
      • 单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮条纹和暗条纹。
      • 亮条纹和暗条纹的出现，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削弱的结果。
      • 由于光的衍射，致使各种障碍物的影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。
• 光的衍射
  • 光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的。
  • 在障碍物或狭缝的尺寸很大时，衍射现象不明显，也可以近似认为光是沿直线传播的。
  • 在障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了。
• 衍射光栅
• 单缝衍射
  • 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。
    • 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。
    • 如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。
• 衍射光栅
  • 由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
    • 透镜光栅
      • 制作方法：在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕。
    • 反射光栅
      • 制作方法：在高反射率的金属上刻痕。
• 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。
  • 菲涅耳
    • 当时年轻的物理学家
      • 在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。
  • 泊松
    • 光的波动说的反对者
      • 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，认为这样就驳倒了光的波动说。
  • 阿拉果
    • 竞赛的评委
      • 在实验中观察到了泊松亮斑。
• 泊松的计算反而支持了光的波动说。为了纪念这个有意义的事件，这个亮斑称为泊松亮斑，或称阿拉果亮斑。
• 科学漫步 X射线衍射与双螺旋
• X射线衍射
  • 探测晶体的结构
    • 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。
  • 1912年德国科学家劳厄的观测
    • 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1914年诺贝尔物理学奖。
  • 英国布拉格父子
    • 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。
    • 父子共同获得了1915年诺贝尔物理学奖。
  • 应用广泛
    • 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。
    • 最重要的成果之一，就是DNA双螺旋结构的发现。
• DNA双螺旋
  • 20世纪50年代
    • 生物学家已经知道DNA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。
    • 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根据这些数据提出了DNA的双螺旋结构模型。
    • 沃森、克里克和威尔金斯获得了1962年的诺贝尔生理奖或医学奖。
• DNA双螺旋结构模型的发现，是生物学史上划时代的事件，它宣告了分子生物学的诞生，标示着生物学已经进入了分子水平。
• 亿图脑图MindMaster