高中物理第十三章光第56节光的衍射光的偏振学案新人教版选修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学案新人教版选修34

第5、6节光的衍射__光的偏振

光的衍射

[探新知·基础练]

1．衍射现象

光通过很窄的缝或很小的孔时，光没有沿直线传播，而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象。

2．衍射条纹特点

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。

[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）

1．一切光都会发生衍射。

（√）

2．单缝衍射中，中央条纹亮而宽。

（√）

3．阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。

（×）

[释疑难·对点练]

1．单缝衍射图样的特点

（1）中央条纹亮而宽。

（2）两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱。

（3）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，波长大的中央条纹宽，各条纹间距大。

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

2．圆孔衍射

（1）圆孔衍射：

如图甲所示，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、暗相间的圆环（衍射图样）。

（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）圆板衍射图样中的亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小。

[试身手]

1．（多选）下列说法正确的是（　　）

A．当光的波长比圆孔的直径大时，可以产生明显的衍射现象

B．衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律

C．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的干涉现象

D．用平行的单色光垂直照射一个刀片，发现屏上刀片的阴影的边缘模糊不清，这是光的衍射现象

解析：

选ABD　当波长比障碍物的尺寸大或相差不多时，可以产生明显衍射现象，A正确；光沿直线传播是一种近似规律，B正确；泊松亮斑、刀片阴影边缘模糊都是光的衍射现象，C错误，D正确。

光的偏振

[探新知·基础练]

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

[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）

1．太阳光是沿某个特定方向振动的偏振光。

（×）

2．只要是波都能发生偏振现象。

（×）

3．自然观通过偏振片是得到偏振光的唯一办法。

（×）

[释疑难·对点练]

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。

（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。

[试身手]

2．（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。

光的衍射现象

[典例1]　某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图所示的衍射图样。

据此可以判断出（　　）

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]选A　甲图的衍射图样为明暗相间的圆环，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。

（1）衍射条纹的特征可用十二个字概括：

“中宽边窄”“中亮边暗”“中白边彩”。

其中“中白边彩”只适用于白光光源。

（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。

单缝衍射与双缝干涉

[典例2]　如图所示的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（　　）

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，因此第1、3幅图是干涉条纹，第2、4幅图是衍射条纹。

干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此第1幅图是红光，第3幅图是蓝光。

同一单缝衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此第2幅图是紫光，第4幅图是黄光。

故B正确。

区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法

（1）根据条纹的宽度区分：

双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的，而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄。

（2）根据亮条纹的亮度区分：

双缝干涉条纹，从中央亮条纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗。

光的偏振现象

[典例3]　（多选）在垂直于太阳光的传播方向上前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后面放上光屏，以下说法正确的是（　　）

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

[思路点拨]　P是起偏器，它的作用是把太阳光（自然光）转变成偏振光，该偏振光的方向与P的透振方向一致。

[解析]选BD　当Q和P的透振方向平行时，通过Q的光强最大，当Q和P的透振方向垂直时，通过Q的光强最小，即无论是旋转P还是旋转Q，屏上得到的光都是时强时弱的。

B、D正确。

[课堂对点巩固]

1．关于光现象的叙述，以下说法正确的是（　　）

A．水中的气泡看起来特别明亮，是光发生了全反射的缘故

B．雨后天空中出现的彩虹属于光的衍射

C．通过捏紧的两只铅笔间的狭缝观看工作着的日光灯管，看到的彩色条纹，属于光的色散

D．阳光照射下，树影中呈现的一个个小圆形光斑，属于光的衍射现象

解析：

选A　光从水射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射，因而进入观察者眼睛中的光线强，气泡看起来特别明亮，A正确；雨后天空中出现的彩虹，是天空中小水滴对阳光色散形成的；通过笔间狭缝观看日光灯管出现彩色，属于单缝衍射；阳光下树影中呈现的小圆斑，属于树叶间形成的小孔成像，故B、C、D均错误。

2．（多选）沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下（　　）

A．只有波长较短的一部分光才能到达地面

B．只有波长较长的一部分光才能到达地面

C．只有频率较大的一部分光才能到达地面

D．只有频率较小的一部分光才能到达地面

解析：

选BD　根据光能发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线能绕过沙尘颗粒发生衍射到达地面，据λ＝

知，到达地面的光是频率较小的部分。

故B、D正确。

3．（多选）在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是（　　）

A．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变窄

B．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽

C．使单缝宽度变小，衍射条纹的亮度降低、间距变窄

D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽

解析：

选BD　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，换用波长较长的光照射，条纹间距变宽，故A错误，B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，故C错误；当光的波长一定，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D正确。

4．（多选）如图所示，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（　　）

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．在SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮

解析：

选BD　从电灯直接发出的光为自然光，A错；它通过偏振片A后，即变为偏振光，B对；设通过A的光沿竖直方向振动，则偏振片B只能通过沿竖直方向振动的偏振光，若P点无光亮，将B转过180°后，P处仍无光亮，C错；若将B转过90°，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处将看到光亮，D对。

[课堂小结]

[课时跟踪检测十五]

一、单项选择题

1．在用单色平行光照射单缝观察衍射现象的实验中，下列哪些说法是正确的（　　）

①缝越窄，衍射现象越显著

②缝越宽，衍射现象越显著

③照射光的波长越长，衍射现象越显著

④照射光的频率越高，衍射现象越显著

A．①③　　　　　　　　B．②④

C．②③D．①④

解析：

选A　根据发生明显衍射现象的条件可知①③正确，②错误。

当光的频率越高时，由c＝λf知，其波长越短，衍射现象越不显著，④错误。

故选A。

2．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，自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，选项A错误；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，通常看到的绝大部分光，都是偏振光，选项B错误；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，选项C错误；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，选项D正确。

3．将两个偏振片紧靠在一起，放在一盏灯的前面，眼睛通过偏振片看到的光很弱。

如果将其中一个偏振片旋转180°，在旋转过程中会观察到（　　）

A．灯光逐渐增强，然后逐渐减弱

B．灯光强度保持不变

C．灯光逐渐增强，没有减弱现象

D．灯光逐渐增强，再减弱，然后增强到最亮

解析：

选A　眼睛通过两偏振片看到的光很弱，是因为两偏振片的透振方向垂直，在旋转其中一个偏振片的过程中，透振方向逐渐一致，灯光逐渐增强，当两个偏振片的透振方向一致时，灯光最强，继续旋转偏振片时，透振方向又逐渐偏离，灯光逐渐减弱。

所以选项A正确。

4．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2mm逐渐增大到0.8mm，看到的现象是（　　）

A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显

B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显

C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强

D．以上现象都不会发生

解析：

选A　由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大。

将缝调宽，现象向相反方向变化，故选项A正确。

5．在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的游标卡尺卡脚形成的狭缝，观察远处的线状白炽灯丝（灯管或灯丝都要平行于狭缝），可以看到（　　）

A．黑白相间的直条纹

B．黑白相间的弧形条纹

C．彩色的直条纹

D．彩色弧形条纹

解析：

选C　白炽灯发出的是复色光，其中各种色光的波长不同，产生的衍射条纹间距不同，各单色光相互叠加，形成彩色直条纹。

故C正确。

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

A．减少阳光在水面上的反射光

B．阻止阳光在水面上的反射光进入照相机镜头

C．增强光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度

D．减弱光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度

解析：

选B　日落时分的阳光照射到水面上时，反射光很强，照相机镜头对着水面时，进入镜头的光线既有阳光经水面的反射光，又有由水中折射入空气的折射光。

折射光线进入镜头所摄得照片才是水下景物的像，在镜头上安装一偏振片，转动偏振片方向使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，即可最大限度地阻止反射光进入镜头，增强图象的清晰度。

B正确。

7．抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则下列说法正确的是（　　）

①这是利用光的干涉现象；

②这是利用光的衍射现象；

③如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了；

④如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了。

A．①③B．②④

C．①④D．②③

解析：

选B　上述现象符合光的衍射现象产生的条件，故②正确；由衍射现象产生的条件可知：

丝越细衍射现象越明显，故④也正确，则选项B正确。

8．夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全。

若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。

假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施中可行的是（　　）

A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的

B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的

C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°

D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°

解析：

选D　若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的照射到物体上反射的光将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，所以选项A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼，选项B错误；若前窗玻璃透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透振进本车车窗内，却可以透振进对面车的车窗内，选项C错误。

正确的措施是D。

二、多项选择题

9．关于衍射，下列说法正确的是（　　）

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：

选AB　衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过两个狭缝时均会发生衍射现象，一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件，故衍射现象与影的存在不矛盾，A、B正确。

10．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：

选ABD　光的衍射现象无疑说明了光具有波动性，是光波相互叠加产生的，只有障碍物或孔的尺寸接近或小于光波波长时，衍射现象才明显，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前进的，所以两者是不矛盾的，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。

11．如图所示，一玻璃柱体的横截面为半圆形，让太阳光或白炽灯光通过小孔S形成细光束从空气射向柱体的O点（半圆的圆心），产生反射光束1和透射光束2，现保持入射光方向不变，将半圆玻璃柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动，使反射光束1和透射光束2恰好垂直。

在入射光线的方向上加偏振片P，偏振片所在平面与入射光束垂直，其透振方向与纸面平行，这时看到的现象是（　　）

A．反射光束1消失

B．透射光束2消失

C．反射光束1和透射光束2都消失

D．偏振片P以入射光束为轴旋转90°角，透射光束2消失

解析：

选AD　自然光射到柱体的O点，当反射光束与折射光束垂直时，反射光束和折射光束的偏振方向相互垂直，且反射光束的偏振方向与纸面垂直，折射光的透振方向与纸面平行，因此当在入射光线方向垂直放上透振方向与纸面平行的偏振片P时，因垂直于纸面方向无光透过；反射光束1消失，选项A正确，选项B、C错误；偏振片转动90°，因平行于纸面内的光消失，则透射光束2消失，选项D正确。