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第2講　光的衍射　光的偏振　激光與全息照相 [目標定位]　1.觀察光的衍射現(xiàn)象，認識衍射條紋的特點．區(qū)分雙縫干涉與單縫衍射的圖樣.2.知道產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件.3.觀察光的偏振現(xiàn)象，知道光是橫波.4.知道自然光和偏振光的區(qū)別，知道偏振現(xiàn)象的一些應(yīng)用.5.了解激光的特性和應(yīng)用，知道全息照相的原理及特點． 一、光的衍射 1．衍射現(xiàn)象 (1)定義：光的傳播繞到原來應(yīng)該是陰影的范圍之內(nèi)的現(xiàn)象． (2)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有當障礙物或孔的尺寸接近光的波長甚至比光的波長更小時，衍射才是明顯的． (3)衍射現(xiàn)象是波動性最基本的表現(xiàn)之一． 想一想　衍射現(xiàn)象明顯就是衍射條紋更亮嗎？ 答案　衍射現(xiàn)象明顯是指光繞到陰影區(qū)域的范圍更大，隨著縫、孔的減小，衍射條紋的寬度增大，但條紋亮度減弱． 2．衍射對分辨本領(lǐng)的影響 光學儀器上用的透鏡的直經(jīng)越小，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)就越低． 3．衍射光柵 (1)定義：在兩個螺桿上繃上許多平行的細金屬線，或者在玻璃片上刻上許多均勻細槽的光學器件． (2)種類：透射光柵和反射光柵． (3)透射光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果．多縫干涉的結(jié)果使光柵衍射的亮條紋的寬度比單縫衍射時窄得多，明條紋又細又亮． 二、光的偏振 1．偏振現(xiàn)象： (1)波的偏振：如果橫波只沿著某一個特定的方向振動，在物理學上就叫做波的偏振． (2)只有橫波才存在偏振． (3)偏振光：通過偏振鏡的光． 2．偏振片 (1)自然光：在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，可沿任何方向振動，振動在平面內(nèi)的分布大致均勻的光． (2)→ 自然光通過偏振片后，只有振動方向和“狹縫”方向一致的那些光波才能完全通過，而振動方向和“狹縫”垂直的光波就完全不能通過．偏振光能完全通過的方向稱為偏振器的偏振化方向． (3)起偏器和檢偏器 ①起偏器：用于獲得偏振光的偏振片． ②檢偏器：為了檢查通過起偏器的光是不是偏振光，在起偏器后面再放的那一個偏振片． ③起偏器和檢偏器都是偏振片． 3．偏振現(xiàn)象的應(yīng)用：立體電影、照相機鏡頭前的偏振鏡、檢查應(yīng)力的分布情況、地震預(yù)報． 三、激光與全息照相 1．激光及其特性 激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，激光光束中所有光子都是相互關(guān)聯(lián)的，它們的頻率一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致，所以激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點． 2．激光的應(yīng)用 (1)在家中，CD、VCD、有線電視； (2)在聯(lián)網(wǎng)的計算機上，收集圖文信息、收發(fā)電子郵件、網(wǎng)上購物； (3)在醫(yī)院里，治療疾病、整容美容； (4)在軍事領(lǐng)域，激光制導炸彈、測量距離、跟蹤目標、傳遞軍事情報． 3．激光與全息照相 (1)全息照相的原理 全息照相是應(yīng)用光的干涉實現(xiàn)的． (2)全息照相與普通照相相比具有的突出特點： ①觀察再現(xiàn)的圖象時，看到的三維立體圖象和原來的物體幾乎一模一樣． ②發(fā)現(xiàn)一個物體部分被遮擋了，改變一下角度，就能觀察到被遮擋的部分． ③一張全息照片的大部分被損壞或丟失，只留下一小部分，從這一小部分照片仍可再現(xiàn)原物的全貌． ④可以在同一張底片上記錄多張圖象，再現(xiàn)時可以在不同的角度上分別觀察到兩個不同物體的像而不互相干擾． 一、對光的衍射的理解 1．光產(chǎn)生明顯衍射的條件 障礙物或小孔的尺寸跟光的波長相比差不多，甚至比光的波長小． 2．衍射圖樣的特點 (1)單縫衍射：①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，兩側(cè)的亮紋逐漸變暗變窄；白光通過狹縫時，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白條紋． ②波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時，光波波長越長的中央條紋寬，條紋間距大． 圖1 (2)圓孔衍射：光通過小孔(孔很小)時，在光屏上出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)．如圖1所示． (3)圓板衍射(泊松亮斑) 圖2 ①若在單色光(如激光)傳播途中放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑．衍射圖樣如圖2所示． ②中央是亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)． 例1　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 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，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬，D正確． 答案　ACD 二、單縫衍射與雙縫干涉的比較 1．不同點 (1)產(chǎn)生條件 (2)圖樣 2．相同點 (1)都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時加強或削弱的結(jié)果． (2)都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波． 例2　如圖3所示，a、b、c、d四個圖是不同的單色光形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣，分析各圖樣的特點可以得出的正確結(jié)論是(　　) 圖3 A．a(chǎn)、b是光的干涉圖樣 B．c、d是光的干涉圖樣 C．形成a圖樣的光的波長比形成b圖樣光的波長短 D．形成c圖樣的光的波長比形成d圖樣光的波長短 解析　干涉條紋是等間距的條紋，因此，a、b圖是干涉圖樣，c、d圖是衍射圖樣，故A項正確，B項錯誤；由公式Δy＝λ可知，當l和d相同時，條紋寬的入射光的波長長，所以a圖樣的光的波長比b圖樣的光的波長長，故C項錯誤；c圖樣的光的波長比d圖樣的光的波長長，故D項錯誤． 答案　A 三、對光的偏振的理解 1．偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是刻上的真實狹縫． 2．只要光的振動方向不與透振方向垂直，都可以不同程度地通過偏振片，不過強度要比振動方向與透振方向平行的光弱一些． 3．自然光和偏振光 自然光 偏振光 光的來源 直接從光源發(fā)出的光 自然光通過起偏器后的光 光的振動方向 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光強度都相同 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿某一特定方向(與起偏器透振方向一致) 舉例 太陽、電燈、蠟燭火焰等直接發(fā)出的光 自然光在介質(zhì)表面反射和折射形成的光 4.偏振現(xiàn)象的應(yīng)用舉例 (1)在攝影中的應(yīng)用：在鏡頭前安裝一片偏振濾光片，可以阻擋反射光進入鏡頭． (2)電子表的液晶顯示屏：在兩塊透振方向垂直的偏振片當中插進一個液晶盒，可以控制光線顯示數(shù)字． (3)夜晚行車時，車燈眩光的消除用的就是光的偏振原理． (4)立體電影也利用了光的偏振原理． 例3　如圖4所示，白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q，A點位于P、Q之間，B點位于Q右側(cè)．旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點光的強度變化情況是(　　) 圖4 A．A、B均不變B．A、B均有變化 C．A不變，B有變化D．A有變化，B不變 解析　白熾燈光包含各方向的光，且各個方向的光強度相等，所以旋轉(zhuǎn)偏振片P時各方向透射光強度相同，故A點光的強度不變；白熾燈光經(jīng)偏振片P后為偏振光，只有Q與P的偏振方向一致時才有光透過Q，因此B點的光的強度有變化，選項C正確． 答案　C 四、激光的應(yīng)用 1．利用激光通過光導纖維實現(xiàn)通信(利用激光的單色性好，便于調(diào)制)． 2．激光雷達測距、測速(方向性好，結(jié)合多普勒效應(yīng))． 3．DVD、CD唱機、電腦光驅(qū)(方向性好)． 4．醫(yī)學上的“激光刀”、激光雕刻、激光切割、激光焊接、受控核聚變(能量集中及高能量)． 5．全息照相技術(shù)． 例4　下列說法正確的是(　　) A．激光可用于測距 B．激光能量十分集中，只可用于加工金屬材料 C．外科研制的“激光刀”可以有效地減少細菌的感染 D．激光可用于全息照相，有獨特的特點 解析　激光平行度好，即使在傳播了很遠的距離之后，它仍保持一定的強度，此特點可用于激光測距，選項A正確；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金屬加工、激光醫(yī)療、激光美容、激光武器等，選項B錯誤；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它記錄了光的相位信息，所以看起來跟真的一樣，立體感較強，選項D正確；由于激光亮度高、能量大，在切割皮膚的同時，也能殺滅細菌，所以選項C正確． 答案　ACD 　　　　　　　　　　　　　　　　　　光的衍射現(xiàn)象 1．光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是(　　) A．紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋 B．白光的單縫衍射圖樣是白暗相間的直條紋 C．光照到不透明小圓盤上出現(xiàn)泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射 D．光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射 解析　單色光照到狹縫上產(chǎn)生的衍射圖樣是亮暗相間的直條紋．白光的衍射圖樣是彩色條紋．光照到不透明圓盤上，在其陰影處出現(xiàn)亮點，是衍射現(xiàn)象．光的衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分，D項中屏上大光斑的邊緣模糊，正是光的衍射造成的，不能認為不存在衍射現(xiàn)象． 答案　AC 單縫衍射與雙縫干涉的比較 2．如圖5所示，甲、乙為單色光通過窄縫后形成的明暗相間的兩種條紋圖樣．下列判斷正確的是(圖中黑色表示亮條紋)(　　) 圖5 A．甲為單縫衍射的圖樣B．乙為雙縫干涉的圖樣 C．甲為雙縫干涉的圖樣D．乙為單縫衍射的圖樣 解析　雙縫干涉圖樣的條紋間隔是均勻的，單縫衍射的條紋是中間寬、兩側(cè)逐漸變窄，由此可見選項A、B正確． 答案　AB 光的偏振 3．如圖6所示，A、B為兩偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此時在光屏C上，透射光的強度最大，則下列說法中正確的是(　　) 圖6 A．此時A、B的透振方向平行 B．只有將B繞OO′軸順時針旋轉(zhuǎn)90，屏上透射光的強度才最弱，幾乎為零 C．不論將A或B繞OO′軸旋轉(zhuǎn)90，屏上透射光的強度都將最弱，幾乎為零 D．將A沿順時針旋轉(zhuǎn)180，屏上透射光的強度最弱，幾乎為零 解析　當A、B兩偏振片的透振方向平行時，光屏上的光強度最大；當二者透振方向垂直時，光屏上的光強度最小，幾乎為零，由此可知A、C選項正確． 答案　AC 激光的特點及應(yīng)用 4．下列說法中正確的是(　　) A．激光是自然光被放大而產(chǎn)生的 B．激光是原子受激輻射而得到的加強光 C．激光的能量一定大于其他光的能量 D．激光的傳播速度比普通光大 解析　激光是由人工產(chǎn)生的光，它是由于原子受到激發(fā)而產(chǎn)生的，它具有平行度好、相干性強和亮度高的特點，其傳播速度仍然是光速，故B對． 答案　B (時間：60分鐘) 題組一　光的衍射 1．對于光的衍射現(xiàn)象的定性分析，下列說法正確的是(　　) A．只有障礙物或孔的尺寸跟光波波長相差不大甚至比波長還要小的時候，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象 B．光的衍射現(xiàn)象是光波相互疊加的結(jié)果 C．光的衍射現(xiàn)象否定了光沿直線傳播的結(jié)論 D．光的衍射現(xiàn)象說明了光具有波動性 解析　光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象都說明了光具有波動性，而小孔成像說明光沿直線傳播，而要出現(xiàn)小孔成像，孔不能太小，光的直線傳播規(guī)律只是近似的，只有在光的波長比障礙物小很多的情況下，光才可以看成是直進的，所以光的衍射現(xiàn)象和直線傳播是不矛盾的，它們是在不同條件下出現(xiàn)的兩種現(xiàn)象． 答案　ABD 2．關(guān)于衍射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．泊松亮斑是光的衍射現(xiàn)象 B．當障礙物的尺寸比波長大很多時，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 C．縫的寬度越小，光的傳播路線越接近直線 D．只有橫波才能發(fā)生衍射現(xiàn)象，縱波不能發(fā)生衍射現(xiàn)象 答案　A 圖1 3．在一次觀察光衍射的實驗中，觀察到如圖1所示的清晰的明暗相間圖樣(黑線為暗紋)，那么障礙物應(yīng)是(　　) A．很小的不透明的圓板 B．很大的中間有大圓孔的不透明的圓板 C．很大的不透明圓板 D．很大的中間有小圓孔的不透明的圓板 解析　由題圖可知中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越向外，圓形條紋寬度越小，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，選項D正確． 答案　D 4．使太陽光垂直照射到一塊遮光板上，板上有可以自由收縮的正方形孔，孔的后面放置一個光屏，在正方形孔逐漸變小直至閉合的過程中，光屏上依次可以看到幾種不同的現(xiàn)象，試把下列現(xiàn)象依次排列________． A．圓形光斑 B．明暗相間的彩色條紋 C．變暗消失 D．正方形光斑 E．正方形光斑由大變小 解析　由于光的波長很短，因此當孔很大時，不會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，此時可看作光是近似沿直線傳播的，在屏上得到孔的影；隨著孔的減小，正方形的光斑逐漸減?。划斂桌^續(xù)減小時，雖不能使光發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，但可以在屏上得到太陽的像，即小孔成像，即圓形光斑；孔再繼續(xù)減小時，光開始發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的彩色條紋；孔進一步減小直到閉合時，由于穿過光的能量減小而使光線變暗直至消失，故合理順序為DEABC. 答案　DEABC 題組二　光的衍射與干涉的比較 5．關(guān)于衍射，下列說法中正確的是(　　) A．衍射現(xiàn)象中條紋的出現(xiàn)是光疊加后產(chǎn)生的結(jié)果 B．雙縫干涉中也存在著光的衍射現(xiàn)象 C．一切波都很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實 解析　干涉和衍射都是波疊加的結(jié)果，干涉中有衍射現(xiàn)象，衍射中也有干涉現(xiàn)象，故A、B對；當障礙物的尺寸遠大于波長時，衍射現(xiàn)象不明顯，因而形成影．但影的形成與衍射現(xiàn)象并不矛盾，故C、D錯． 答案　AB 6．在光的單縫衍射實驗中可觀察到清晰的明暗相間的圖樣，圖2的四幅圖片中屬于光的單縫衍射圖樣的是(　　) 圖2 A．a(chǎn)、cB．b、cC．a(chǎn)、dD．b、d 解析　單縫衍射條紋的特點是中央亮條紋最寬、最亮，雙縫干涉條紋的特點是等間距的條紋，所以a是干涉條紋，b、d是單縫衍射條紋，c是水波的衍射圖樣． 答案　D 7．一束紅光射向一塊有雙縫的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈現(xiàn)明、暗相間的干涉條紋，現(xiàn)將其中一條窄縫擋住，讓這束紅光只通過一條窄縫，則在光屏上可以看到(　　) A．與原來相同的明暗相間的條紋，只是明條紋比原來暗些 B．與原來不相同的明暗相間的條紋，而中央亮條紋變寬些 C．只有一條與縫寬對應(yīng)的亮條紋 D．無條紋，只存在一片紅光 解析　雙縫為相干光源的干涉，單縫為光的衍射，且干涉和衍射的圖樣不同．衍射圖樣和干涉圖樣的異同點：中央都出現(xiàn)亮條紋，但衍射圖樣中央亮條紋較寬，兩側(cè)都出現(xiàn)明暗相間的條紋，干涉圖樣為等間隔的明暗相間的條紋，而衍射圖樣兩側(cè)為不等間隔的明暗相間的條紋，且亮度迅速減弱． 答案　B 題組三　光的偏振 8．下列現(xiàn)象中可以說明光是橫波的是(　　) A．光的干涉現(xiàn)象B．光的衍射現(xiàn)象 C．光的全反射現(xiàn)象D．光的偏振現(xiàn)象 解析　光能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，說明光是一種波，具有波動性；光的全反射現(xiàn)象，說明光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)和由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)會有不同的現(xiàn)象；光的偏振現(xiàn)象說明光的振動方向與傳播方向垂直，即說明光是橫波，所以正確選項為D. 答案　D 9．關(guān)于自然光和偏振光，以下說法正確的是(　　) A．自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，但是沿各個方向振動的光波的強度可以不相同 B．偏振光是在垂直于傳播方向上，只沿著某一特定方向振動的光 C．自然光透過一個偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個偏振片后又還原為自然光 D．太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光 答案　BD 10．光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波，下列現(xiàn)象中能反映光的偏振特性的是(　　) A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片，透射光的強度發(fā)生變化 B．一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當反射光與折射光線之間的夾角恰好是90時，反射光是偏振光 C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機鏡頭前裝上偏振光片，可以使景象更清晰 D．通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋 解析　自然光通過第一個偏振片后形成單一振動方向的偏振光，再通過第二個偏振片時，若偏振片的透射方向與此偏振光的振動方向垂直，則無光透過第二個偏振片，若二者平行則透射光最強，故選項A反映了光的偏振現(xiàn)象；一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當反射光與折射光線垂直時，反射光線和折射光線都是偏振光且偏振方向垂直，選項B反映了光的偏振；拍攝水中景物或玻璃櫥窗中景物時，由于水或玻璃表面反射光較強，使所拍攝景物不清晰，在照相機鏡頭前裝上偏振光片，使其透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以有效防止反射光進入照相機，從而所拍景象更清晰，選項C反映了光的偏振；通過手指間的縫隙觀察日光燈，看到彩色條紋是光的衍射現(xiàn)象，故選A、B、C. 答案　ABC 圖3 11．如圖3所示，P是偏振片(用實線表示透振方向)為豎直方向，下列四種光束中，哪幾種照射P時能在P的另一側(cè)觀察到透射光(　　) A．太陽光 B．沿豎直方向振動的光 C．沿水平方向振動的光 D．沿與豎直方向成45角振動的光 解析　根據(jù)光的現(xiàn)象，只要光的振動方向不與偏振片的透振方向垂直，光都能通過偏振片，故A、B、D正確． 答案　ABD 12．在垂直于太陽光的傳播方向上，前后放置兩個偏振片P和Q.在Q的后邊放上光屏，以下說法正確的是(　　) A．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度不變 B．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度時強時弱 C．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上的光的亮度不變 D．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱 解析　P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆?，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強最小，即無論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強都是時強時弱的． 答案　BD 題組四　激光及應(yīng)用 13．對于激光的認識，以下說法正確的是(　　) A．普通光源發(fā)出的光都是激光 B．激光是自然界普遍存在的一種光 C．激光是一種人工產(chǎn)生的相干光 D．激光已深入到我們生活的各個方面 解析　激光是人工產(chǎn)生的相干光，并不能由普通光源發(fā)出，故A、B錯，C對；激光在我們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾膽?yīng)用，故D對． 答案　CD 14．關(guān)于激光在以下用途中的說法正確的是(　　) A．光纖通信是激光和光導纖維相結(jié)合的產(chǎn)物，它是利用激光具有相干性，它像無線電波一樣能調(diào)制，用來傳遞信息 B．按照信息論的理論，電磁波的頻率越高，它所攜帶的信息量越大，用激光可以比無線電波傳遞更多的信息 C．在戰(zhàn)爭中，常用激光制導炸毀目標，這是由于激光平行度高，方向性強，在傳播很遠后仍保持一定強度，指示目標準確 D．激光在醫(yī)學上當做“光刀”進行手術(shù)，利用的是激光“相干性好”這一特點 解析　由激光的特點及應(yīng)用可知A、B、C正確． 答案　ABC 題組五　綜合應(yīng)用 15．如圖4所示，兩束單色光a、b從水下面射向A點，光線經(jīng)折射后合成一束光c，則下列說法正確的是(　　) 圖4 A．用同一雙縫干涉實驗裝置分別以a、b光做實驗，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距 B．用a、b光分別做單縫衍射實驗時它們的衍射條紋寬度都是均勻的 C．在水中a光的速度比b光的速度小 D．在水中a光的臨界角大于b光的臨界角 解析　由題圖知：na＜nb，則a光的波長比b光的長，在介質(zhì)中的速度比b光的大，臨界角比b光的大，不易發(fā)生全反射，衍射本領(lǐng)比b光強．據(jù)此可判斷選項C錯誤，D正確；波長越長，干涉條紋間距越大，選項A正確；光的衍射條紋寬度不均勻，選項B錯誤． 答案　AD