学年高中物理第五章光的波动性第34讲光的衍射与偏振激光学案教科版.docx

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学年高中物理第五章光的波动性第34讲光的衍射与偏振激光学案教科版

第3讲　光的衍射与偏振

第4讲　激光

[目标定位]　1.知道光产生明显衍射现象的条件，了解几种不同衍射现象的图样.2.能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析.3.认识光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，能用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象.5.了解激光的特性及应用．

一、光的衍射

1．概念：

光通过很小的狭缝（或圆孔）时，明显地偏离了直线传播方向，在屏上散开到相当大的范围，这种现象叫做光的衍射．

2．衍射图像

（1）定义：

衍射时产生的明暗条纹或光环．

（2）特点：

①单色光：

中央有一条较宽较亮的条纹，两边是对称而明暗相间的条纹，亮条纹的强度向两边很快减弱．

②白光：

中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹．

3．光的衍射现象进一步证明了光具有波动性．

二、光的偏振

1．线偏振光：

如果光振动的方向限在一个平面，这种光叫线偏振光．

2．自然光：

通常光源发出的光（包括太阳光）是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的，称为自然光．

3．光的偏振现象进一步证实光是横波．

三、激光

1．激光的特殊性质：

强度大、方向性好、单色性好、相干性好、覆盖波段宽而且可调谐．

2．激光具有广泛的应用：

如激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘等.

一、对光的衍射的理解

1．光产生明显衍射的条件

障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长小．

2．衍射图样的特点

（1）单缝衍射：

①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，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．

②波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大．

图1

（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1所示．

（3）圆板衍射（泊松亮斑）

①若在单色光（如激光）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2所示．

图2

②中央是亮斑，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．

例1

　（多选）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

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．

答案　ACD

二、单缝衍射与双缝干涉的比较

1．不同点

（1）产生条件

（2）图样

2．相同点

（1）都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果．

（2）都是波特有的现象，表明光是一种波．

例2

　如图所示的4种明暗相间的条纹，是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样（黑色部分表示亮纹）．则在下面的四个图中，哪个图是蓝光形成的干涉图样（　　）

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；波长越短，条纹间距越小，故A是蓝光的干涉图样，C是红光的干涉图样；单缝衍射条纹是中间亮且宽，越向两侧宽度越小越暗；波长越长，中央亮条纹越宽，故B、D是衍射图样；因紫光比黄光波长短，所以B是紫光的衍射图样，D是黄光的衍射图样．选项A正确．

答案　A

三、对光的偏振的理解

1．偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是刻上的真实狭缝．

2．只要光的振动方向不与透振方向垂直，都可以不同程度地通过偏振片，不过强度要比振动方向与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

光的来源

直接从光源发出的光

自然光通过起偏器后的光

光的振

动方向

在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同

在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向（与起偏器透振方向一致）

举例

太阳、电灯、蜡烛火焰等直接发出的光

自然光在介质表面反射和折射形成的光

4.偏振现象的应用举例

（1）在摄影中的应用：

在镜头前安装一片偏振滤光片，可以阻挡反射光进入镜头．

（2）电子表的液晶显示屏：

在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，可以控制光线显示数字．

（3）夜晚行车时，车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理．

（4）立体电影也利用了光的偏振原理．

例3

　如图3所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是（　　）

图3

A．A、B均不变B．A、B均有变化

C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变

解析　白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，当P旋转时，透过Q的光的强度发生变化，因此B点的光强有变化，选项C正确．

答案　C

四、激光的应用

1．激光加工、激光医学（强度大、能量高度集中）．

2．激光雷达测距、测速、光盘（方向性好，结合多普勒效应）．

3．激光全息照相、激光检测（相干性好）．

4．激光通信（覆盖波段宽而且可调谐）．

例4

　（多选）下列说法正确的是（　　）

A．激光可用于测距

B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料

C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染

D．激光可用于全息照相，有独特的特点

解析　激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，选项D正确；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确．

答案　ACD

光的衍射现象

1．（多选）光的衍射现象，下面说法正确的是（　　）

A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

B．白光的单缝衍射图样是白暗相间的直条纹

C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射

D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射

解析　单色光照到狭缝上产生的衍射图样是明暗相间的直条纹．白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明小圆盘上，在其阴影处出现亮点，是衍射现象．光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．

答案　AC

单缝衍射与双缝干涉图样的比较

2．（多选）如图4所示，甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样．下列判断正确的是（图中黑色表示亮条纹）（　　）

图4

A．甲为单缝衍射的图样B．乙为双缝干涉的图样

C．甲为双缝干涉的图样D．乙为单缝衍射的图样

解析　双缝干涉图样的条纹间隔是均匀的，单缝衍射的条纹是中间宽、两侧逐渐变窄，由此可见选项A、B正确．

答案　AB

光的偏振

3．（多选）鉴别奶粉的质量，奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了．如图5所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法中正确的是（　　）

图5

A．到达O处光的强度会明显减弱

B．到达O处光的强度不会明显减弱

C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片B转过的角度等于α

D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片A转过的角度等于α

解析　自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；若将A或B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，说明它们转过的角度等于α，故C、D都正确．

答案　ACD

激光的应用

4．在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的（　　）

A．强度大B．方向性好

C．相干性好D．覆盖波段宽且可调谐

解析　频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光具有高度的相干性，通过双缝时能够得到两束相干光．故本题的正确答案是C．

答案　C

题组一　光的衍射

1．（多选）对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是（　　）

A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比相差不大甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象

B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果

C．光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论

D．光的衍射现象说明了光具有波动性

解析　光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的，只有在光的波长比障碍物小很多的情况下，光才可以看成是直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故上述选项中正确的是A、B、D．

答案　ABD

2．点光源照在一个剃须刀片上，在屏上形成了它的影子，其边缘较为模糊，原因是（　　）

A．光的反射B．光强太小

C．光的干涉D．光的衍射

答案　D

3．在一次观察光衍射的实验中，观察到如图1所示的清晰的明暗相间图样（黑线为暗条纹），那么障碍物应是（　　）

图1

A．很小的不透明的圆板

B．很大的中间有大圆孔的不透明的圆板

C．很大的不透明圆板

D．很大的中间有小圆孔的不透明的圆板

解析　由图可知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，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，故选项D正确；有的同学误选为A，要注意很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点，但其周围有一个大的阴影区，在阴影区的边缘有明暗相间的圆环，它与圆孔衍射的图样是不同的．

答案　D

4．使太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列________．

A．圆形光斑

B．明暗相间的彩色条纹

C．变暗消失

D．正方形光斑

E．正方形光斑由大变小

解析　由于光的波长很短，因此当孔很大时，不会发生明显的衍射现象，此时可看作光是近似沿直线传播的，在屏上得到孔的影；当孔继续减小时，虽不能使光发生明显的衍射现象，但可以在屏上得到太阳的像，即小孔成像；孔再继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹；孔进一步减小直到闭合时，由于穿过光的能量减小而使光线变暗直至消失．

答案　DEABC

题组二　光的衍射与干涉的比较

5．（多选）关于衍射，下列说法中正确的是（　　）

A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果

B．双缝干涉中也存在着光的衍射现象

C．一切波都很容易发生明显的衍射现象

D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实

解析　干涉和衍射都是波叠加的结果，干涉中有衍射现象，衍射中也有干涉现象．当障碍物的尺寸远大于波长时，衍射现象不明显，因而形成影，但影的形成与衍射现象并不矛盾．

答案　AB

6．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，图2的四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是（　　）

图2

A．a、cB．b、c

C．a、dD．b、d

解析　单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样．

答案　D

7．一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹，现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到（　　）

A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些

B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些

C．只有一条与缝宽对应的明条纹

D．无条纹，只存在一片红光

解析　双缝为相干光源的干涉，单缝为光的衍射，且干涉和衍射的图样不同．衍射图样和干涉图样的异同点：

中央都出现明条纹，但衍射图样中央明条纹较宽，两侧都出现明暗相间的条纹，干涉图样为等间距的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间距的明暗相间的条纹，且亮度迅速减弱，所以本题正确选项为B．

答案　B

题组三　光的偏振

8．（多选）如图3所示，P是一偏振片，P的透振方向（用带有箭头的实线表示）为竖直方向．下列四种入射光束中，照射P时能在P的另一侧观察到透射光的是（　　）

图3

A．太阳光

B．沿竖直方向振动的光

C．沿水平方向振动的光

D．沿与竖直方向成45°角振动的光

解析　太阳光是自然光，照射P时能在P的另一侧观察到透射光，选项A正确；光的偏振方向与偏振片的透振方向相同时，透过偏振片的光最强，选项B正确；光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，无法透过偏振片的光，选项C错误；光的偏振方向与偏振片的透振方向成一定角度时，可以透过偏振片，选项D正确．

答案　ABD

9．（多选）光的偏振现象说明光是横波，下列现象中能反映光的偏振特性的是（　　）

A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化

B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光线是偏振光

C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振片，可以使景象更清晰

D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹

解析　自然光通过第一个偏振片后形成单一振动方向的偏振光，再通过第二个偏振片时，若偏振片的透射方向与此偏振光的振动方向垂直，则无光透过第二个偏振片，若二者平行则透射光最强，故选项A反映了光的偏振现象；一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线垂直时，反射光线和折射光线都是偏振光且偏振方向垂直，选项B反映了光的偏振；拍摄水中景物或玻璃橱窗中景物时，由于水或玻璃表面反射光较强，使所拍摄景物不清晰，在照相机镜头前装上偏振片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，可以有效防止反射光进入照相机，从而所拍景象更清晰，选项C反映了光的偏振；通过手指间的缝隙观察日光灯，看到彩色条纹是光的衍射现象．

答案　ABC

10．（多选）下面关于光的偏振现象的应用正确的是（　　）

A．自然光通过起偏器后成为偏振光，利用检偏器可以检验出偏振光的振动方向

B．立体电影利用了光的偏振现象

C．茶色眼镜利用了光的偏振现象

D．拍摄日落时水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响

答案　ABD

11．（多选）如图4所示，A、B为两偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此时在光屏C上，透射光的强度最大，则下列说法中正确的是（　　）

图4

A．此时A、B的透振方向平行

B．只有将B绕OO′轴顺时针旋转90°，屏上透射光的强度最弱，几乎为零

C．不论将A或B绕OO′轴旋转90°，屏上透射光的强度最弱，几乎为零

D．将A沿顺时针旋转180°，屏上透射光的强度最弱，几乎为零

解析　当A、B两偏振片的透振方向平行时，光屏上的光强度最大；当二者透振方向垂直时，光屏上的光强度最小，几乎为零，由此可知A、C选项正确．

答案　AC

题组四　激光及应用

12．（多选）对于激光的认识，以下说法正确的是（　　）

A．普通光源发出的光都是激光

B．激光是自然界普遍存在的一种光

C．激光是一种人工产生的相干光

D．激光已深入到我们生活的各个方面

解析　激光是人工产生的相干光，并不能由普通光源发出，激光在我们日常生活中有着重要的应用．

答案　CD

13．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音或图像，这是利用激光的（　　）

A．方向性好，可以会聚到很小的一点上

B．相干性好，可以很容易形成干涉图样

C．强度大，可以在很短时间内集中很大的能量

D．波长短，很容易发生明显的衍射现象

解析　激光的特点之一是方向性好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．

答案　A

题组五　综合应用

14．如图5所示，两束单色光a、b从水下射向A点，光线经折射后合成一束光c，则下列说法正确的是________．

图5

A．用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距

B．用a、b光分别做单缝衍射实验时它们的衍射条纹宽度都是均匀的

C．在水中a光的速度比b光的速度小

D．在水中a光的临界角大于b光的临界角

E．若a光与b光以相同入射角从水射向空气，在不断增大入射角时水面上首先消失的是a光

F．a比b更容易发生衍射现象

解析　假设a为红光，b为紫光，红光的波长最长，在介质中的速度最大，临界角最大，不易发生全反射，衍射本领最强．据此可判断选项C、E错误，D、F正确；波长越长，干涉条纹间距越大，选项A正确；光的衍射条纹宽度不均匀，选项B错误．

答案　ADF