高中物理第五章光的波动性第34节光的衍射与偏振激光教学案教科版选修34.docx
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高中物理第五章光的波动性第34节光的衍射与偏振激光教学案教科版选修34
第3、4节光的衍射与偏振__激光
1.障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多时，光将发生明显的衍射现象。
2．单色光的单缝衍射图像是中央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。
白光通过单缝产生的衍射图像中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹。
3．自然光透过偏振片后形成线偏振光，偏振光通过偏振片的情况与光的偏振方向和偏振片的偏振方向的夹角有关。
4．激光是人工产生的相干光，是原子受激辐射产生的光，具有频率单一、强度大、相干性好等特点。
光的衍射
[自读教材·抓基础]
（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亮条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑。
（2）衍射图样：
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。
白光通过狭缝时，中央为白条纹。
两边是很快减弱的彩色条纹。
（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。
[跟随名师·解疑难]
1．三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，越靠外，条纹间距越小。
②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低。
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，中央亮条纹仍然是最宽最亮的白条纹。
（2）圆孔衍射图样：
①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，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。
如图5－3－1所示。
图5－3－1
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。
③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大。
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环。
⑤只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样。
在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑（光的直线传播）、光源的像（小孔成像）、明暗相间的圆环（衍射图样）。
（3）不透明的小圆板衍射图样（泊松亮斑）：
①中央是亮斑。
②周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
2．单缝衍射和双缝干涉的比较
名称
项目
单缝衍射
双缝干涉
区别
产生条件
障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多
频率、振动方向相同，相位差恒定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，越靠外条纹间距越小
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮，两边变暗
清晰条纹，亮度基本相等
联系
干涉、衍射都是波特有的现象
干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）
在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，图5－3－2四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是（ ）
图5－3－2
A．a、c B．b、c
C．a、dD．b、d
解析：
选D a图中是等间距的光的干涉图样，b图是单色光的单缝衍射图样，c图是水波的衍射图样，d图是白光的单缝衍射图样，可见D正确。
光的偏振
[自读教材·抓基础]
1．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，只有沿这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做透振方向。
偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。
2．光的分类
（1）自然光：
太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光。
（2）线偏振光
自然光通过偏振片后，只有振动方向与偏振片的透光方向平行的成分才能通过，得到的就是线偏振光。
3．结论
光的偏振现象证实光是横波。
[跟随名师·解疑难]
1．自然光与偏振光的对比
自然光（非偏振光）
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过偏振片后的光
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（与偏振片的透振方向一致）
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，且是完全偏振光，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。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）
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 由定义可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同，故A错误。
自然光透过一个偏振片成为偏振光，但偏振光经过偏振片是不可以转化为自然光的，故C错误。
激 光
[自读教材·抓基础]
1．激光
原子受激辐射产生的光，它是人工产生的相干光。
2．激光的特点
（1）强度大：
激光的强度可达1017W/cm2。
（2）方向性好：
激光光束的发散角为10－3rad数量级。
（3）单色性好：
激光的谱线宽度可窄达Δλ<10－8nm。
（4）相干性好：
一束激光中所有光的频率相同，振动完全相同。
（5）覆盖波段宽而且可调谐。
3．激光的应用
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。
[跟随名师·解疑难]
1．光的产生：
原子获得能量后处于不稳定状态，会以光子的形式向外发射能量，这个能量就是光。
2．自然光：
一般光源自发地发出光，所发出的光频率不一、相差不稳定、方向不同。
这种光是自然光，即普通光。
3．激光：
原子受到外来光子的激发，会发射出与这个外来光子“四同”（同频率、同相差、同偏振、同传播方向）的光，这种光就是激光。
4．激光的特点及其应用：
特点（与普通光）
特点内容
应用
相干性好
频率单一，相差恒定，易发生干涉现象，可像无线电波一样调制
光纤通信
光的干涉
激光全息照相
方向性
激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行光，可以会聚到很小的点上
测距和跟踪目标DVD、CD唱片、计算机光盘
强度大
激光能在很小的空间、很短的时间内集中很大的能量
“光刀”
激发核反应
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）
关于激光与自然光，下列说法正确的是（ ）
A．激光是只含一种频率的光，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好
B．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的
C．激光和自然光都是横波
D．相干性好是激光与自然光的根本区别
解析：
选CD 激光的频率也有一定的范围，不能错误地理解激光单色性好的含义，所有的光都是由物质的原子发射的，故A、B错误。
不论是什么光都是横波，C正确。
由激光的特点可知，激光具有相干性，而自然光没有这个特点，则D正确。
对衍射现象的理解
[典题例析]
1．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
[思路点拨] 清楚发生明显衍射的条件；衍射图样在单缝宽度变化时的变化规律。
解析：
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。
答案：
A
[探规寻律]
狭缝宽度越小，光衍射现象越明显，衍射条纹越宽，但因通过狭缝的光的能量减小，衍射条纹亮度减弱，因此，观察衍射现象时，并不是狭缝越窄越好。
[跟踪演练]
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，衍射条纹间距变小（λ黄>λ绿）
B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变小
C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变大
D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变大
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A、C、D均正确，B错误。
对光的偏振的认识
[典题例析]
2．奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要指标，利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。
其原理是：
偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振光的偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关，将θ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5－3－3所示，S是自然光源，A、B是偏振片，绕中心轴转动偏振片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5－3－3
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处光的强度最大，则偏振片B转过的角度等于θ
D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，则偏振片A转过的角度等于θ
[思路点拨] 光线经过被测样品后，偏振方向旋转了θ角度，要使光能穿过两偏振片，则A、B相差的角度也需是θ角。
解析：
根据题意可知，开始A、B两偏振片的透光方向相同，当被测样品置于A、B之间时，光线旋转一个角度θ，因此到达O处光的强度会明显减弱；为了使得O处的光线强度最大，则必须将其中一个偏振片旋转角度θ，使光线穿过偏振片时，光的偏振方向与偏振片的透光方向一致，故A、C、D正确。
答案：
ACD
[探规寻律]
（1）自然光通过偏振片后，光的强度相同偏振方向可以不同。
（2）偏振光通过偏振片时，透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。
[跟踪演练]
如图5－3－4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）（ ）
图5－3－4
解析：
选ABD 自然光通过起偏器后变为偏振光，能照亮光屏，A、B正确；偏振光经过偏振片时，若偏振方向相互垂直，则无光通过，光屏上无亮光，C错误，D正确。
激光的应用
[典题例析]
3．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲。
若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11s，波长为694.3nm，发射功率为1.0×1010W，问：
（1）每个光脉冲的长度是多少？
（2）用红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60J以后，便逐渐消失。
一色斑的面积为50mm2，则它要吸收多少个红宝石激光脉冲，才能逐渐消失？
[思路点拨]
（1）光脉冲的速度大小等于c。
（2）明确每个光脉冲的能量与脉冲个数的关系。
解析：
（1）光脉冲持续的时间为一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲的长度为Δl＝cΔt＝3.0×108×1.0×10－11m＝3.0×10－3m
（2）一个光脉冲所携带的能量为ΔE＝PΔt＝1.0×1010×1.0×10－11J＝0.1J
消除面积为50mm2的色斑需要光脉冲数为n＝
＝
个＝300个
答案：
（1）3.0×10－3m
（2）300个
[跟踪演练]
一台激光器，它的功率为P，如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ，则这束单色光的频率是________，它在时间t内辐射的光能为________。
如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v，那这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为________。
解析：
根据v＝λf可得这束单色光的频率f＝
；激光器在时间t内所做的功W＝Pt转化为光能。
这束单色光对该介质的折射率n＝
，设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C，则sinC＝
＝
，所以有C＝arcsin
。
答案：
Pt arcsin
[课堂双基落实]
1．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红暗相间的直条纹
C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明光发生了衍射
D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，不存在光的衍射
解析：
选AC 单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹。
光照到不透明小圆盘上，在其阴影处出现光点，是衍射现象。
光的衍射现象只有明显与不明显之分，选项D中屏上大光斑只是衍射现象不明显，不能认为不存在衍射现象。
2．下图5－3－5为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则（ ）
图5－3－5
A．甲为紫光的干涉图样 B．乙为紫光的干涉图样
C．丙为红光的干涉图样D．丁为红光的干涉图样
解析：
选B 光通过双缝产生干涉图样，通过单缝产生衍射图样，选项C、D错误。
而干涉图样为明暗相间的条纹，且条纹间距为Δx＝
λ，光的波长越长，条纹间距越大，紫光的波长短，因而紫光干涉图样的条纹间距小，选项B正确。
3．激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛，下面关于激光的叙述正确的是（ ）
A．激光是纵波
B．频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C．两束频率不同的激光能产生干涉现象
D．利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
解析：
选D 激光是一种光，是横波，A错误；频率相同的激光在不同介质中的波长不同，B错误；两束频率不同的激光不能产生干涉现象，C错误；利用激光平行度好的特点可以测距，D正确。
4．（江苏高考）如图5－3－6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5－3－6
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：
选C 因白炽灯发出的光为自然光，含各个方向的偏振光，且各个方向的偏振光的强度都相同，偏振片P和Q都只允许特定方向的偏振光通过，不管偏振片P旋转到任何位置都有光线通过，而且强度不变，所以A点的光的强度不变，当自然光通过偏振片P后变为偏振光，再通过偏振片Q，旋转偏振片P，当偏振片P和Q允许通过的方向相同，则B点最亮，当偏振片P和Q允许通过的方向垂直时，B点最暗，所以B点光的强度会发生变化。
所以只有C正确。
[课下综合检测]
1．以下哪些现象可以说明光波是横波（ ）
A．光的干涉 B．光的偏振
C．光的色散D．光的反射
解析：
选B 光的干涉表明光的波动性，即光是一种波，选项A错。
光的偏振表明光是横波，因为只有横波能发生光的偏振现象，选项B正确。
光的色散可表明光是单色光还是复色光，选项C错。
光的反射不能说明啥问题，选项D错。
2．沙尘暴是由于土地的沙化引起的恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这种情况是由于（ ）
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 据光发生明显衍射的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光能到达地面；根据λ＝
知，到达地面的光的频率是较小的部分，故B、D正确。
3．在杨氏干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片，若两个偏振片的偏振方向相互垂直，则有（ ）
A．光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度减小
B．光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度增大
C．干涉条纹消失，光屏上一片黑暗
D．干涉条纹消失，但仍有光射到光屏上
解析：
选D 由于两个偏振片的偏振方向相互垂直，所以经偏振片后的两束光的振动方向不再相同，不满足干涉条件，但仍有光到达光屏上。
4．两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯前面以致没有光通过。
如果将其中的一片旋转180°，在旋转的过程中，将会产生（ ）
A．透过偏振片的光先增强，然后又减小到零
B．透过偏振片的光先增强，然后又减小到非零的最小值
C．透过偏振片的光在整个过程中都增强
D．透过偏振片的光先增强，再减弱，然后又增强
解析：
选A 本题考查起偏器和检偏器的作用。
当两个偏振片的偏振方向垂直时，没有光通过；当两个偏振片的偏振方向平行时，通过的光达最强。
将其中的一片旋转180°的过程中，两偏振片的偏振方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光先增强，然后又减小到零。
5．激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。
用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度与二次曝光时间间隔的乘积等于双缝间距。
实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之距离l以及相邻两条亮纹间距Δx。
若所用激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是（ ）
A．v＝
B．v＝
C．v＝
D．v＝
解析：
选B 双缝干涉相邻亮（或暗）条纹间距Δx＝
λ，又由d＝v·Δt可得v＝
，选项B对。
6．如图1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狭缝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。
现保持入射光不变，将半圆柱绕通过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，偏振片与入射光线垂直，其透振方向在纸面内，这时看到的现象是（ ）
图1
A．反射光束l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以入射光线为轴旋转90°角，透射光束2消失
解析：
选AD 自然光射到界面上，当反射光与折射光垂直时，反射光和折射光的透振方向相互垂直，且反射光的透振方向与纸面垂直，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在纸面内的偏振片P时，因垂直于纸面无光，反射光束1消失，A正确，B、C均错误；偏振片转动90°，平行于纸面内的光消失，则透射光束2消失，D正确。
7．如图2所示，A、B两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图像，其中图A是光的________（填“干涉”或“衍射”）图像。
由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径____________（填“大于”或“小于”）图B所对应的圆孔的孔径。
图2
解析：
小孔衍射时，孔的直径越小，衍射越明显。
答案：
衍射 小于
8．某同学自己动手制作如图3所示的装置观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，整个装置位于一暗箱中，实验过程如下：
图3
（1）该同学用一束太阳光照射A屏时，屏C上没有出现干涉条纹，移去B后，在屏上出现不等间距条纹，此条纹是由于________产生的。
（2）移去A后，遮住缝S1或缝S2中的任何一个，C上均出现一窄亮斑。
出现以上实验现象的主要原因是________________________________________________________________
_________________________________________________________________________。
解析：
（1）移去B后只剩下单缝，故发生单缝衍射形成条纹，故此条纹是由于光的衍射产生的。
（2）没有出现条纹而只出现一个窄亮斑，说明衍射现象不明显，故主要原因是双缝S1、S2太宽。
答案：
（1）光的衍射
（2）双缝S1、S2太宽
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