最新高中物理 第五章 光的波动性 3 光的衍射与偏振 4 激光学案 教科版选修34考试必备.docx

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最新高中物理第五章光的波动性3光的衍射与偏振4激光学案教科版选修34考试必备

3　光的衍射与偏振

4　激光

[学习目标]　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.光的衍射：

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）单缝衍射图像的特点

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

激光的特点及应用

特点

应用

强度大

激光加工、激光医学、激光检测、激光照排

方向性好

单色性好

激光全息照相

相干性好

覆盖波段宽且可调谐

激光通信

[即学即用]

1.判断下列说法的正误.

（1）衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.（　×　）

（2）只有波长长的光才发生明显的衍射现象.（　×　）

（3）横波和纵波都能产生偏振现象.（　×　）

（4）自然光通过偏振片可以获得偏振光.（　√　）

（5）用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点.（　√　）

2.下列四幅图片中属于光的干涉的是________，属于光的的衍射的是________.

答案　a　bd

一、光的衍射

[导学探究]　

（1）让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上，逐渐减小两个卡脚之间的距离，使缝越来越小，观察照在屏幕上光斑现象的变化.缝宽大约多大时屏幕上出现条纹？

缝间距变小时，条纹有什么变化？

（2）用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔，用眼睛通过小孔观察太阳光，会观察到什么现象？

答案　

（1）大约0.4mm时会出现条纹，当缝间距变小时，屏幕上条纹间距逐渐变宽，但亮度逐渐减弱.

（2）会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环.

[知识深化]　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，中央为白色条纹.

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.

（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.

图1

（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）关于光的衍射现象，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黑相间的直条纹

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

答案　AC

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

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减弱的结果.

（2）都是波特有的现象，表明光是一种波.

例2

　如图3所示的四幅明暗相间的条纹，分别是红光、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（黑色部分表示亮条纹）.则在下面的四幅图中从左到右排列，亮条纹的颜色依次是（　　）

图3

A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄

C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫

答案　B

解析　双缝干涉条纹平行等距，且波长越长，条纹间距越大，而红光波长比蓝光波长长，故第一幅图为红光，第三幅图为蓝光；又由于黄光波长比紫光波长长，故第四幅图为黄光的衍射图样，第二幅图为紫光的衍射图样.

针对训练　（多选）如图4（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，则（　　）

图4

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）中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样，再根据条纹宽度的有关因素分析即可.题图（c）为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹，再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可.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.

三、光的偏振

[导学探究]　如图5所示，取一个偏振片P，让阳光通过偏振片P，在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的；在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，会看到什么现象？

这说明什么？

图5

答案　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化.

偏振片的作用类似于狭缝的作用，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过.当偏振片Q与P的透振方向平行时，穿过Q的光最强；当偏振片Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q.

[知识深化]　对偏振方向与透振方向的理解

透振方向：

偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”.

①当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片.

②当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间.

例3

　（多选）如图6所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向看不到光亮，则（　　）

图6

A.图中a光为偏振光

B.图中b光为偏振光

C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮

D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮

答案　BD

解析　自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光.从电灯直接发出的光为自然光，故A错；它通过偏振片A后，即变为偏振光，故B对；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无光亮，故C错；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故D对.

四、激光的特点和应用

[导学探究]　激光作为一种人造光源在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等，如图7.激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？

图7

答案　1.强度大.2.方向性好.3.单色性好.4.相干性好.5.覆盖波段宽而且可调谐.

例4

　关于激光的应用问题，下列说法中正确的是（　　）

A.光纤通信是应用激光方向性非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的

B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点

C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点

D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点

答案　C

解析　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性好，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的方向性好，B错误；医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高、强度大的特点，C正确；激光测距利用的是激光的方向性好的特点，D错误.

1.（光的衍射）让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，则在孔后的屏上将先后出现的现象（遮住侧面光）（　　）

A.三角形光斑　倒立的烛焰　明暗相间的圆环

B.三角形光斑　圆形光斑　倒立的烛焰

C.倒立的烛焰　圆形光斑　明暗相间的圆环

D.三角形光斑　明暗相间的圆环　倒立的烛焰

答案　A

解析　当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示，随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗.

2.（单缝衍射与双缝干涉的比较）如图8所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是（　　）

图8

A.a、b是光的干涉图样

B.c、d是光的干涉图样

C.形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长短

D.形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短

答案　A

解析　干涉条纹是等间距的条纹，因此a、b是干涉图样，c、d是衍射图样，故A项正确，B项错误；由公式Δx＝

λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长，故C项错误；c图样的光的波长比d图样的光的波长长，故D项错误.

3.（光的偏振的应用）（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9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9

A.到达O处的光的强度会明显减弱

B.到达O处的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

答案　ACD

解析　自然光通过偏振片后得到振动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.

4.（激光的应用）（多选）激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间