2024年高中物理新教材（人教版2019）講義選擇性第4章6光的偏振激光

6光的偏振激光[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道光的偏振現(xiàn)象，知道光是一種橫波(重點(diǎn))。2.知道偏振光和自然光的區(qū)別，能運(yùn)用偏振知識(shí)來解釋生活中的一些常見光學(xué)現(xiàn)象(重難點(diǎn))。3.了解激光的特點(diǎn)和應(yīng)用。一、光的偏振如圖所示，取一個(gè)偏振片P，讓陽光通過偏振片P，在P的另一側(cè)觀察，可以看到偏振片是透明的，只是透射光暗了一些；在偏振片P的后面再放置另一個(gè)偏振片Q，以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)偏振片Q，會(huì)看到什么現(xiàn)象？這說明什么？答案會(huì)看到在旋轉(zhuǎn)Q時(shí)光的亮度發(fā)生變化。偏振片的作用類似于狹縫，只有振動(dòng)方向與透振方向一致的光才能通過。當(dāng)偏振片Q與P的透振方向平行時(shí)，穿過Q的光最強(qiáng)；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時(shí)，光不能透過Q。1．偏振現(xiàn)象：不同的橫波，即使傳播方向相同，振動(dòng)方向也可能不同，這種現(xiàn)象稱為“偏振現(xiàn)象”，橫波的振動(dòng)方向稱為“偏振方向”。2．光的偏振(1)偏振片由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，沿著這個(gè)方向振動(dòng)的光波能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫作“透振方向”。(2)自然光和偏振光①自然光：太陽、日光燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同。這種光是“自然光”。②偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)，這種光叫作偏振光。(3)光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波。偏振現(xiàn)象的應(yīng)用1．?dāng)z影技術(shù)中的應(yīng)用：攝影師在拍攝池中的游魚、玻璃櫥窗里的陳列物時(shí)，由于水面和玻璃表面的反射光的干擾，景象會(huì)不清楚。如果在照相機(jī)鏡頭前裝一片偏振濾光片，轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片，讓它的透振方向與水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰。2．偏振片在汽車擋風(fēng)玻璃上的應(yīng)用：汽車夜間行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí)，如遇遠(yuǎn)光燈引發(fā)炫目，極易引起車禍。如果駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振方向都沿同一方向并與水平面成45°角，可避免遠(yuǎn)光燈引發(fā)炫目，保證行車安全。3．立體電影：在每架放映機(jī)前裝有一塊偏振片，其透振方向互相垂直。觀眾所戴的偏振眼鏡的兩只鏡片透振方向互相垂直，且左眼鏡片與左放映機(jī)前偏振片的透振方向一致，右眼鏡片與右邊放映機(jī)前偏振片的透振方向一致。這樣，左眼只能看到左邊放映機(jī)放映出的畫面，右眼只能看到右邊放映機(jī)放映出的畫面，兩眼看到的畫面略有差別，因而產(chǎn)生立體感。(1)橫波和縱波都能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。(×)(2)自然光通過偏振片可以獲得偏振光。(√)例1(多選)(2023·廣東韶關(guān)實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二月考)關(guān)于自然光和偏振光，以下說法正確的是()A．自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，但是沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度可以不相同B．偏振光是在垂直于傳播方向的平面上、只沿著某一特定方向振動(dòng)的光C．自然光透過一個(gè)偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個(gè)偏振片后又還原為自然光D．太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光答案BD解析自然光沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度相同，故A錯(cuò)誤；偏振光是在垂直于傳播方向的平面上、只沿著某一特定方向振動(dòng)的光，故B正確；自然光透過一個(gè)偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個(gè)偏振片后不能還原為自然光，故C錯(cuò)誤；太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光，故D正確。自然光與偏振光的比較自然光偏振光不同點(diǎn)光的來源直接從光源發(fā)出的光自然光通過偏振片后的光或由某種介質(zhì)反射或折射的光光的振動(dòng)方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿所有方向，且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿某個(gè)特定方向(與偏振片透振方向一致)相同點(diǎn)不管是自然光還是偏振光，傳播方向與振動(dòng)方向一定垂直例2(多選)如圖所示，電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B，人眼在P處迎著入射光方向看不到光亮，則()A．圖中a光為偏振光B．圖中b光為偏振光C．以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后，在P處將看到光亮D．以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后，在P處將看到光亮答案BD解析自然光在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向的振動(dòng)是均勻分布的，通過偏振片后，透射光是只沿著某一特定方向振動(dòng)的光。從電燈直接發(fā)出的光為自然光，它通過偏振片A后，即變?yōu)槠窆猓蔄錯(cuò)，B對(duì)；設(shè)通過A的光沿豎直方向振動(dòng)，而偏振片B只能通過沿水平方向振動(dòng)的偏振光，則P點(diǎn)無光亮，以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后，P處仍無光亮；以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后，則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^沿豎直方向振動(dòng)的光的偏振片，則偏振光能通過B，即在P處有光亮，故C錯(cuò)，D對(duì)。針對(duì)訓(xùn)練(2022·重慶南開中學(xué)高二期末)用如圖所示裝置研究偏振現(xiàn)象，P1、P2是兩塊完全相同的圓形偏振片，A、B為觀測點(diǎn)，A、B和兩塊偏振片的中心共線，且偏振片與AB連線垂直，兩偏振片可繞AB連線轉(zhuǎn)動(dòng)，下列說法正確的是()A．固定P1，轉(zhuǎn)動(dòng)P2，則A、B處光強(qiáng)均發(fā)生變化B．固定P2，轉(zhuǎn)動(dòng)P1，則A、B處光強(qiáng)均不發(fā)生變化C．同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)P1和P2，A處光強(qiáng)不變，B處光強(qiáng)可能變化D．同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)P1和P2，A、B處光強(qiáng)均發(fā)生變化答案C解析自然光沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度均相同，故無論是否轉(zhuǎn)動(dòng)P1，A處光強(qiáng)不變，故A、D錯(cuò)誤；若轉(zhuǎn)動(dòng)P1，固定P2，當(dāng)兩偏振片的狹縫平行時(shí)，B處光強(qiáng)最大，當(dāng)狹縫垂直時(shí)，B處光強(qiáng)最小，故B處光強(qiáng)發(fā)生變化，故B錯(cuò)誤；同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)P1和P2，同理當(dāng)兩偏振片的狹縫平行時(shí)，B處光強(qiáng)最大，當(dāng)狹縫垂直時(shí)，B處光強(qiáng)最小，故B處光強(qiáng)可能變化，故C正確。二、激光1．激光的產(chǎn)生激光是一種頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向一致的人造(選填“人造”或“自然”)光波，具有高度的相干性。2．激光的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)性質(zhì)應(yīng)用相干性高激光具有頻率單一、相位差恒定、偏振方向相同的特點(diǎn)，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性單縫衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光纖通信全息照相平行度好激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度精確的測距；提供目標(biāo)指引；讀取光盤上記錄的信息等亮度高它可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量用激光束切割、焊接；醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”(1)用激光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用了激光平行度好的特點(diǎn)。(×)(2)利用激光的亮度高的特點(diǎn)，可以利用激光進(jìn)行距離測量。(×)例3關(guān)于激光的應(yīng)用，下列說法正確的是()A．光纖通信是應(yīng)用激光平行度非常好的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中傳遞信息的B．計(jì)算機(jī)內(nèi)的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應(yīng)用激光有相干性的特點(diǎn)C．醫(yī)學(xué)上用激光做“光刀”來切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)D．“激光測距雷達(dá)”利用激光測量很遠(yuǎn)目標(biāo)的距離是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)答案C解析由激光的特點(diǎn)及應(yīng)用可知光纖通信主要利用了激光的相干性，A錯(cuò)誤；計(jì)算機(jī)內(nèi)的“磁頭”讀出光盤上的信息主要應(yīng)用了激光的平行度好，B錯(cuò)誤；醫(yī)學(xué)上用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特點(diǎn)，C正確；激光測距利用的是激光的平行度好的特點(diǎn)，D錯(cuò)誤。例4(多選)激光火箭的體積小，卻可以裝載更大、更重的衛(wèi)星或飛船，激光由地面激光站或空間激光動(dòng)力衛(wèi)星提供，通過一套裝置，像手電筒一樣，讓激光束射入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，使推進(jìn)劑受熱而急劇膨脹，于是形成一股高溫高壓的燃?xì)饬?，以極高的速度噴出，產(chǎn)生巨大的推力，把衛(wèi)星或飛船送入太空。激光火箭利用了激光的()A．單色性好 B．平行度好C．高能量 D．相干性好答案BC解析由于激光站與火箭相距較遠(yuǎn)，為了減少能量損失，必須要求激光具有很好的平行度，同時(shí)利用激光的高能量特點(diǎn)。課時(shí)對(duì)點(diǎn)練考點(diǎn)一光的偏振1．(多選)關(guān)于光的偏振，下列說法正確的是()A．自然光通過偏振片后就變成了偏振光B．立體電影就利用了光的偏振現(xiàn)象C．在拍攝日落時(shí)水面、池中的魚等景物時(shí)，可在鏡頭前裝一偏振濾光片，使圖像清晰D．一束自然光在界面上發(fā)生反射與折射，反射光與折射光都是偏振光，且偏振方向都相同答案ABC解析自然光在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)且各個(gè)方向振動(dòng)的強(qiáng)度都相同，透過一個(gè)偏振片后就成為偏振光，A正確；立體電影利用的是光的偏振，B正確；拍攝日落時(shí)水面、池中的魚等景物時(shí)，為防止反射光干擾，在照相機(jī)鏡頭前裝一個(gè)偏振片可減弱水面反射光的影響，C正確；一束自然光在界面上發(fā)生反射與折射，反射光與折射光都是偏振光，偏振方向不相同，D錯(cuò)誤。2.如圖所示，白熾燈的右側(cè)依次放置偏振片P和Q，A點(diǎn)位于P、Q之間，B點(diǎn)位于Q右側(cè)，旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點(diǎn)光的強(qiáng)度變化情況是()A．A、B均不變B．A、B均有變化C．A不變，B有變化D．A有變化，B不變答案C解析旋轉(zhuǎn)偏振片P，A處得到的是強(qiáng)度始終相同的偏振光，偏振光再經(jīng)過偏振片Q，B處的光強(qiáng)隨著P的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，當(dāng)Q的透振方向與經(jīng)過P的偏振光的振動(dòng)方向垂直時(shí)，B處的光強(qiáng)最弱，選項(xiàng)C正確。3．(多選)當(dāng)以入射光線的方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)，通過偏振片觀察電燈、燭焰、月球、反光的黑板，看到現(xiàn)象有何不同()A．觀察電燈和燭焰時(shí)，透射光的強(qiáng)弱隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化B．觀察電燈和燭焰時(shí)，透射光的強(qiáng)弱不隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化C．觀察月球和反光的黑板時(shí)，透射光的強(qiáng)弱不隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化D．觀察月球和反光的黑板時(shí)，透射光的強(qiáng)弱隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化答案BD解析通過偏振片去觀察電燈、燭焰時(shí)，透射光的強(qiáng)弱不隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化，因?yàn)闊艄?、燭光都是自然光，沿各個(gè)方向振動(dòng)的光的強(qiáng)度相同，因此當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)，透射出來的光波的振動(dòng)方向雖然改變了，但光的強(qiáng)弱沒有改變；月球和黑板反射的光是偏振光，它通過偏振片透射過來的光線和強(qiáng)弱都會(huì)隨偏振片的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，故B、D正確，A、C錯(cuò)誤。4．(2022·南通市期中)用圖示實(shí)驗(yàn)裝置演示光的偏振現(xiàn)象，白熾燈O發(fā)出的光通過兩個(gè)透振方向平行的偏振片P、Q照到光屏上，通過偏振片前后的光束分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，下列說法正確的是()A．白熾燈發(fā)出的光是縱波B．偏振片Q起到檢偏的作用C．光束Ⅱ中光的振動(dòng)方向與透振方向垂直D．將偏振片P以光傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)45°，光束Ⅲ將消失答案B解析光是一種橫波，A錯(cuò)誤；白熾燈發(fā)出的光經(jīng)過偏振片P后就成為了偏振光，又經(jīng)與P透振方向平行的偏振片Q照到光屏上，所以偏振片Q起到檢偏作用，B正確；光束Ⅱ中的光是經(jīng)偏振片P透射來的，所以光束Ⅱ中光的振動(dòng)方向與透振方向不可能垂直，C錯(cuò)誤；將偏振片P以光傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)45°，光束Ⅲ將會(huì)減弱但不會(huì)消失，D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)二激光的特點(diǎn)及應(yīng)用5．使激光束的寬度在納米級(jí)范圍內(nèi)，可恢復(fù)人體已損壞的器官，對(duì)DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把至今尚令人類無奈的癌癥徹底根除，這主要是利用激光的()A．單色性 B．方向性C．高能量 D．偏振性答案C解析激光由于能把巨大能量高度集中地輻射出來，所以在醫(yī)學(xué)上做“光刀”切開皮膚、切除腫瘤或做其他外科手術(shù)，故C正確。6．(2022·江蘇啟東市期中)關(guān)于激光，下列說法正確的是()A．激光是自然界中某種物質(zhì)直接發(fā)光產(chǎn)生的B．激光的相干性好，任何兩束激光都能發(fā)生干涉C．用激光照射不透明擋板上的小圓孔時(shí)，光屏上能觀測到等間距的光環(huán)D．激光全息照片是利用光的干涉記錄下物體三維圖像的信息答案D解析激光是人造光，不是自然界中某種物質(zhì)直接發(fā)光產(chǎn)生的，故A錯(cuò)誤；激光相干性好，但只有頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同的兩束激光才能發(fā)生干涉，故B錯(cuò)誤；用激光照射不透明擋板上的小圓孔時(shí)，光屏上能觀測到衍射條紋，間距不等，故C錯(cuò)誤；激光全息照片是利用光的干涉記錄下物體三維圖像的信息，故D正確。7．(多選)(2022·遂寧市月考)激光的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)一項(xiàng)劃時(shí)代的重要成就。下列關(guān)于激光的說法正確的是()A．可利用激光進(jìn)行通信B．可利用激光加工較硬材料C．可利用激光進(jìn)行室內(nèi)照明D．激光是由自然界中某種物質(zhì)直接發(fā)光產(chǎn)生的答案AB解析激光能夠傳遞聲音、圖像等信息，因此可以利用激光進(jìn)行通信，故A正確；激光的強(qiáng)度很大，可以用來切割、加工較硬的材料，故B正確；室內(nèi)照明需要更多的散射光，而激光的平行度比較好，是單方向的光，不適合室內(nèi)照明，故C錯(cuò)誤；激光是人造光，自然界中無法直接產(chǎn)生，故D錯(cuò)誤。8．(多選)激光被譽(yù)為“神奇的光”，關(guān)于激光的應(yīng)用，下列說法中正確的是()A．激光用來控制核聚變，是因?yàn)樗姆较蛐院?，光源的能量能集中在很小一點(diǎn)上，可以在空間某個(gè)小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度B．由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調(diào)制，用來傳遞信息C．用激光攔截導(dǎo)彈，摧毀衛(wèi)星，是因?yàn)榧す庠诖髿庵袀鞑ゲ皇艽髿獾挠绊慏．能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因?yàn)榧す馔ㄟ^地球大氣不會(huì)發(fā)生折射答案AB解析激光用來控制核聚變，是因?yàn)樗姆较蛐院?，光源的能量能集中在很小一點(diǎn)上，可以在空間某個(gè)小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，故A正確；由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調(diào)制，用來傳遞信息，故B正確；用激光攔截導(dǎo)彈，摧毀衛(wèi)星，是因?yàn)榧す夥较蛐院?、能量高，故C錯(cuò)誤；能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因?yàn)榧す馄叫卸群谩⒎较蛐院?，故D錯(cuò)誤。9．拍攝立體電影時(shí)用一臺(tái)攝影機(jī)，讓它通過兩個(gè)窗口(相當(dāng)于人的雙眼)交替拍攝，兩套圖像交替地印在同一條電影膠片上，放映時(shí)用一臺(tái)放映機(jī)，通過左右兩個(gè)窗口，把兩套圖像交替地映在銀幕上。在每個(gè)放映窗口前安裝一塊偏振片，兩個(gè)窗口射出的光，通過偏振片后成了偏振光。左右兩個(gè)窗口前的偏振片的透振方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾那里，偏振方向不變，觀眾用偏振眼鏡觀看時(shí)，左眼只看到左窗口映出的畫面，右眼只看到右窗口映出的畫面，這樣就會(huì)像直接觀看物體那樣產(chǎn)生立體感，下列說法正確的是()A．偏振眼鏡的左、右兩個(gè)鏡片透振方向應(yīng)保持一致B．偏振眼鏡的左、右兩個(gè)鏡片透振方向互換后不能正常觀影C．只用一只眼睛透過偏振眼鏡也可以產(chǎn)生立體感，但是亮度減弱D．把放映窗口的兩個(gè)偏振片透振方向改為相互平行，把偏振眼鏡兩個(gè)鏡片的透振方向也改為相互平行，并使兩者偏振方向一致，也可以正常觀影答案B解析由于影片播放時(shí)，投射到銀幕上的兩束偏振光的振動(dòng)方向不同，故偏振眼鏡的左、右兩個(gè)鏡片透振方向不同，否則，只能看到一種偏振光，故A錯(cuò)誤；由于左眼只能看到左窗口映出的畫面(比如左窗口偏振光水平，左眼鏡片透振方向水平)，右眼只能看到右窗口映出的畫面(比如右窗口偏振光豎直，右眼鏡片透振方向豎直)，如果左、右鏡片互換，兩偏振光均不能通過偏振眼鏡，無法正常觀影，故B正確；人眼接收到兩個(gè)偏振方向不同的偏振光，兩個(gè)像經(jīng)過大腦綜合以后，就能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體感，所以只用一只眼睛透過偏振眼鏡不能產(chǎn)生立體感，故C錯(cuò)誤；根據(jù)上述分析可知，若兩個(gè)偏振片透振方向改為相互平行，同時(shí)把偏振眼鏡兩個(gè)鏡片的透振方向也改為相互平行，只能接收到一種偏振光，可以看到影片，但沒有立體效果，所以不能正常觀影，故D錯(cuò)誤。10．夜晚，汽車前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來的汽車司機(jī)照得睜不開眼，嚴(yán)重影響行車安全。若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?；同時(shí)汽車前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好與對(duì)面燈光的振動(dòng)方向垂直，但還要能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體。假設(shè)所有的汽車前窗玻璃和前燈玻璃均按同一要求設(shè)置，如下措施可行的是()A．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是水平的B．前窗玻璃和車燈玻璃的透振方向都是豎直的C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45°D．前窗玻