高中物理 第十三章 光 第56节 光的衍射 光的偏振教学案 新人教版选修34.docx

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高中物理第十三章光第56节光的衍射光的偏振教学案新人教版选修34

第5、6节光的衍射__光的偏振

1.衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央条纹最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低。

2．白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹，外侧呈红色，靠近白色亮纹的内侧为紫色。

3．偏振光：

在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。

一、光的衍射

1．定义：

光通过很小的狭缝（或圆孔）时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。

2．衍射图像：

衍射时产生的明暗条纹或光环。

3．单缝衍射：

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，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。

4．圆孔衍射：

光通过小孔时（孔很小）在屏幕上会出现明暗相间的圆环。

5．泊松亮斑：

障碍物的衍射现象。

在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。

二、衍射光栅

1．衍射光栅的结构

由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学仪器。

2．衍射图样的特点

与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。

3．衍射光栅的种类

反射光栅、透射光栅。

三、光的偏振

1．横波与纵波的特点

横波中各点的振动方向总与波的传播方向垂直。

纵波中，各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上。

横波有偏振现象。

2．自然光和偏振光

（1）自然光：

太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，沿着各个方向振动的光波的强度都相同。

（2）偏振光：

在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。

3．光的偏振

偏振现象

只有沿偏振片的“透射方向”振动的光波才能通过偏振片

结论

偏振现象表明，光是一种横波

偏振光的形成

①自然光通过偏振片后，得到偏振光

②自然光在介质表面反射时，反射光和折射光都是偏振光

偏振现象

的应用

①把偏振片装在照相机镜头前

②电子表的液晶显示

1．自主思考——判一判

（1）白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象。

（×）

（2）菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象。

（×）

（3）用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹。

（√）

（4）凡是波都有偏振现象。

（×）

（5）反射可以引起自然光的偏振。

（√）

（6）拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）衍射和干涉条纹都是明暗相间的，两种条纹是否完全一样？

提示：

不一样。

衍射条纹是中间最宽、最亮，从中央向两侧逐渐变窄、变暗；干涉条纹是等间距的条纹，即宽度和亮度相同。

（2）自然光和偏振光有什么不同？

提示：

自然光沿各个方向振动的光波的强度都相同，而偏振光只在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动。

三种衍射图样的特点比较

1．单缝衍射图样

（1）中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，中央条纹最宽，两边条纹宽度变窄。

（2）缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮条纹的亮度降低。

（3）中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。

（4）用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮。

2．圆孔衍射

（1）圆孔衍射：

如图1351甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图乙所示的圆形亮斑（光的直线传播）；减小圆孔，光屏上出现光源的像（小孔成像）；当圆孔很小时，光屏上出现图丙所示的亮、暗相间圆环（衍射图样）。

图1351

（2）圆孔衍射的图样特征：

①单色光的圆孔衍射图样：

中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环；越向外，圆（亮）环亮度越低。

②白光的圆孔衍射图样：

中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。

3．圆板衍射

（1）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，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。

（2）形成泊松亮斑时，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。

（3）周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。

[典例]　某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图1352所示的衍射图样。

据此可以判断出（　　）

图1352

A．甲是光线射到圆孔后的衍射图样，乙是光线射到圆板后的衍射图样

B．乙是光线射到圆孔后的衍射图样，甲是光线射到圆板后的衍射图样

C．甲、乙都是光线射到圆孔后的衍射图样，甲孔的直径较大

D．甲、乙都是光线射到圆板后的衍射图样，乙板的直径较大

[解析]　甲图的衍射图为明暗相间的圆环，而乙图为在影的中心有一个亮斑——泊松亮斑，故甲为光线通过圆孔后形成的衍射图样，乙为光线射到不透光的圆板上形成的衍射图样，故A正确。

[答案]　A

衍射图样的特征

（1）对于衍射条纹的特征用十二个字概括：

“中宽边窄”“中亮边暗”“中白边彩”。

其中“中白边彩”只适合于白光光源。

（2）各种衍射图样的形状不同，而图样的分布规律、影响因素都是类似的。

1．（多选）在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是（　　）

A．将入射光由黄色换成绿色，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：

选ACD　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；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；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，故选项A、C、D正确。

2．（多选）平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有（　　）

A．在衍射图样的中心都是亮斑

B．泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽

C．小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑

D．小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的

解析：

选AB　小孔衍射的图样是中心亮点，向外依次为明暗相间的环状条纹；泊松亮斑的图样是中心亮点，向外是圆板的黑影，再向外是明暗相间的环状条纹，如图所示。

3.如图1353，在“观察光的衍射现象”实验中，保持缝到光屏的距离不变，增加缝宽，屏上衍射条纹间距将________（选填：

“增大”“减小”或“不变”）；该现象表明，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在___________________________________________情况下，光才可以看作是沿直线传播的。

图1353

解析：

根据条纹间距由d、L和波长决定可知，增加缝宽，可以使条纹间距离减小；光遇到障碍物时，当障碍物的尺寸与波长接近时，会发生明显的衍射现象，当障碍物较大时，光近似沿直线传播。

答案：

减小　光的波长比障碍物小得多

单缝衍射与双缝干涉的比较

1．单缝衍射与双缝干涉的对比

单缝衍射

双缝干涉

不同点

产生条件

只要狭缝足够小，任何光都能发生明显衍射现象

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，两边最暗

条纹清晰，亮度基本相等

相同点

成因

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

意义

都是波特有的现象，表明光是一种波

2．三点提醒

（1）单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列。

（2）光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。

（3）复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。

1．（多选）如图1354甲、乙所示，是单色光通过窄缝后形成明暗相间的两种条纹图样，下列判断正确的是（　　）

图1354

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：

选AB　甲图中的条纹宽度不等，中央宽，两侧窄，应为单缝衍射图样。

乙图中的条纹等宽等距，应为双缝干涉图样，故A、B正确，C、D错误。

2．如图1355所示的4幅明暗相间的条纹图样，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（黑色部分表示亮纹）。

则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是（　　）

图1355

A．红　黄　蓝　紫B．红　紫　蓝　黄

C．蓝　紫　红　黄D．蓝　黄　红　紫

解析：

选B　双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹。

干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光。

同一单缝衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光。

偏振光的理解及应用

1．自然光与偏振光的对比

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（与起偏器的透振方向一致）

2．偏振光的产生方式

（1）自然光在玻璃、水面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，入射角变化时偏振的程度也会变化。

自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。

（2）自然光经过偏振片（起偏器）后能形成偏振光。

偏振光可以用另一个偏振片（检偏器）检验。

3．光的偏振的应用

（1）摄影技术中的应用

光的偏振现象有很多应用，如在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景象不清楚，如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可使反射来的偏振光不能进入照相机内，从而可拍出清晰的照片。

故人们把偏振滤光片叫做摄像机的“门卫”。

（2）偏振片在汽车挡风玻璃上的应用

偏振片——汽车司机的福音。

在夜间行车时，迎面开来的车灯眩光常常使司机看不清路面，容易发生事故。

如果在每辆车灯玻璃上和司机坐椅前面的挡风玻璃上安装一片偏振片，并使它们的透振方向跟水平方向成45°角，就可以解决这一问题。

从对面车灯射来的偏振光，由于振动方向跟司机坐椅前挡风玻璃偏振片的透振方向垂直，所以不会射进司机眼里。

而从自己的车灯射出去的偏振光，由于振动方向跟自己的挡风玻璃上的偏振片的透振方向相同，所以司机仍能看清自己的车灯照亮的路面和物体。

[典例]　（多选）电子表的显示屏利用了液晶的旋光性，当液晶上不加电压时，偏振光通过液晶时偏振方向会旋转90°，这就是液晶的旋光性；如果在液晶上加上电压，则旋光性消失。

有一种电子表的显示屏是透明的，而在显示数字的笔画处不透光，则关于该显示屏，下列说法正确的是（　　）

A．上下两个偏振片的透振方向相互垂直

B．上下两个偏振片的透振方向相互平行

C．笔画处为透明电极，因此加上电压时变为不透明的

D．笔画处没有电极，其余部分为透明电极

[审题指导]　第一个偏振片为起偏器，液晶有旋光性（加电压时消失），第二个偏振片为检偏器。

解答本题的关键在于分析光的偏振方向的变化。

[解析]　假设光从下向上传播，光线通过下偏振片时成为偏振光，如果不加电压，偏振光通过液晶时偏振方向旋转90°，此时光线能透过上偏振片，可知上偏振片的透振方向应与此时偏振光的偏振方向相同，即与下偏振片的透振方向垂直，选项A正确，B错误；组成数字的笔画处有时透明，有时不透明，可知笔画处为透明电极，当加上电压时液晶旋光性消失，光线不能透过，选项C正确，D错误。

[答案]　AC

（1）自然光通过偏振片后变成偏振光。

（2）当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，通过偏振片的光的强度不同。

（3）当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角为90°时，将无光通过偏振片。

1．关于自然光和偏振光，下列观点正确的是（　　）

A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能

B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光

C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光

D．自然光和偏振光都能使感光底片感光

解析：

选D　振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错。

光的偏转现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光，所以B错。

光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错。

自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D正确。

2．在拍摄日落时水面下的景物时，应在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是（　　）

A．减弱反射光，从而使景物的像清晰

B．增强反射光，从而使景物的像清晰

C．增强透射光，从而使景物的像清晰

D．减弱透射光，从而使景物的像清晰

解析：

选A　由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光。

3.（多选）在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图1356所示，则下列说法正确的是（　　）

图1356

A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变

B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱

C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变

D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱

解析：

选BD　P是起偏器，它的作用是把太阳光（自然光）转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P的透振方向一致，所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时通过Q的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱。

1．（多选）下列说法中正确的是（　　）

A．光振动沿各个方向均匀分布的光是自然光

B．光振动沿各个方向均匀分布的光是偏振光

C．光振动沿特定方向的光才是偏振光

D．光振动沿特定方向的光才是自然光

解析：

选AC　根据自然光、偏振光的概念易判断出选项A、C正确。

2．对衍射现象的定性分析，不正确的是（　　）

A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象

B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果

C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据

D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论

解析：

选D　衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误。

3．（多选）关于自然光和偏振光，以下说法正确的是（　　）

A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同

B．偏振光是垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光

C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光

D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光

解析：

选BD　自然光沿各振动方向的光波的强度相同，A错误；偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，B正确；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，C错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D正确。

4．（多选）如图所示，一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有（起偏器上用箭头表示其透射方向）（　　）

解析：

选ABD　自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光的振动方向与偏振片的透振方向平行时能够通过，垂直时不能通过，所以A、B、D正确。

5.（多选）如图1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1

A．此时A、B的偏振方向平行

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．将A或B绕OO′轴旋转90°时，屏上透射光的强度最弱，几乎为零

D．将A沿顺时针方向旋转180°时，屏上透射光的强度最弱，几乎为零

解析：

选AC　当两偏振片平行时，透射光强度最强，当两偏振片垂直时，透射光强度最弱，几乎为零，故选项A、C正确。

6．如图2所示，甲、乙两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像，其中图甲是光的________（选填“干涉”或“衍射”）图像。

由此可以判断出图甲所对应的圆孔的孔径________（选填“大于”或“小于”）图乙所对应的圆孔的孔径。

图2

解析：

根据甲图中图样的特点可知甲图为单孔衍射的图样。

乙图中只有一个圆形亮斑，周围没有衍射条纹说明乙图所对应的情景中没有发生明显衍射，说明孔的尺寸比波长大得多。

答案：

衍射　小于

7．如图3所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置，一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的振动方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化。

设起偏器和检偏器透振方向相同，关于这种温度计的工作原理。

正确的说法是（　　）

图3

A．到达检偏器的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大

B．到达检偏器的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大

C．到达检偏器的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小

D．到达检偏器的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小

解析：

选B　根据题意知，温度变化越大，光通过光纤时振动方向变化越大，起偏器和检偏器的透振方向是相同的，光从光纤中通过时振动方向变化越大，透过检偏器的光强度就会越小，所以光接收器接收的光强度也就会越小。

因此选项B正确。

8．使太阳光垂直照射到一块遮光板，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，此时光可看做是近似直线传播，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

9.如图4所示，杨氏双缝实验中，下述情况能否看到干涉条纹？

说明理由。

图4

（1）在单色自然光源S后加一偏振片P。

（2）在

（1）情况下，再加P1、P2，P1与P2透振方向垂直。

解析：

（1）到达S1、S2的光是从同一线偏振光分解出来的，它们满足相干条件，故能看到干涉条纹。

（2）由于从P1、P2射出的光透振方向相互垂直，不满足干涉条件，若P1和P2中有一个与P的透振方向垂直，在光屏上也没有其中之一的光波，两振动方向相互垂直的光不能产生干涉现象，故不能看到与双缝平行的干涉条纹。

答案：

见解析