2024-2025學年高中物理第四章光56光的衍射光的偏振激光教案新人教版選擇性必修第一冊

PAGE15-5光的衍射6光的偏振激光學問結構圖解重點問題聚焦1.發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？2．單縫衍射條紋的特點是什么？條紋寬度與波長是什么關系？3．圓孔衍射與圓板衍射圖樣有什么不同？1.什么叫自然光？什么叫偏振光？2．獲得偏振光的方式有哪些？3．偏振現(xiàn)象有哪些方面的應用？1.激光有哪些特性？2．激光有哪些應用？一、光的衍射1．衍射現(xiàn)象和衍射條紋(1)衍射現(xiàn)象：光通過很窄的縫或很小的孔時，光沒有沿直線傳播，而是繞過縫或孔的邊緣傳播到相當寬的地方的現(xiàn)象．(2)衍射條紋特點：衍射條紋是一些明暗相間的條紋，中心條紋最寬、最亮，離中心條紋越遠，亮條紋的寬度越窄，亮度越低．2．光產生明顯衍射現(xiàn)象的條件障礙物或孔的尺寸比波長小或跟波長相差不多．二、衍射光柵1．衍射光柵的結構：由很多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學儀器．2．衍射圖樣的特點：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加．3．衍射光柵的種類：反射光柵、透射光柵．三、光的偏振1．自然光和偏振光(1)自然光：太陽、電燈等一般光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，沿著各個方向振動的光波的強度都相同．(2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光．(3)光的偏振現(xiàn)象，表明光是一種橫波．2．光的偏振偏振現(xiàn)象只有沿偏振片的“透振方向”振動的光波才能通過偏振片結論偏振現(xiàn)象表明，光是一種橫波偏振光的形成(1)自然光通過偏振片后，得到偏振光(2)自然光在介質表面反射時，反射光和折射光都是偏振光偏振現(xiàn)象的應用(1)照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片(2)電子表的液晶顯示你看過立體電影嗎？你知道它的原理嗎？在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，從銀幕上看到的景象才有立體感．假如不戴這副眼鏡看，銀幕上的圖像就模糊不清了．你知道這是為什么嗎？提示：立體電影是應用光的偏振現(xiàn)象的一個例子．觀眾所戴的眼鏡是一對透振方向相互垂直的偏振片．人的兩只眼睛同時視察物體，不但能擴大視野，而且能推斷物體的遠近，產生立體感．這是由于人的兩只眼睛同時視察物體時，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物體的左側面較多，右眼看到物體的右側面較多，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠近，從而產生立體視覺．立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像，制成電影膠片．在放映時，通過兩個放映機，把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上．這時假如用眼睛干脆觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架放映機前裝一塊偏振片，它的作用相當于起偏器．從兩架放映機射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光．左右兩架放映機前的偏振片的偏振方向相互垂直，因而產生的兩束偏振光的偏振方向也相互垂直．這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不變更．觀眾用上述的偏振眼鏡觀看，每只眼睛只看到相應的偏振光圖像，即左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，這樣就會像干脆觀看那樣產生立體感覺．四、激光激光的特點和應用(1)純凈的特性與應用①純凈的特性：1960年，美國物理學家梅曼領先在試驗室制造出了傳播方向、偏振、相位等性質完全相同的光波，這就是激光．激光的誕生使人類獲得了極其志向的、自然界中不存在的光源．②應用：用來傳遞信息．光纖通信就是激光和光導纖維相結合的產物．每時每刻都有多數(shù)激光信號承載著多數(shù)信息在海底光纜中傳輸．(2)平行度及應用①平行度：激光的平行度特別好，所以它在傳播很遠的距離后仍能保持肯定的強度．②應用：進行精確的測距．對準目標發(fā)出一個極短的激光脈沖，測量放射脈沖與收到反射回波的時間間隔，就可以求出目標的距離．(3)亮度及應用①亮度高，它可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量．②可用激光束來切割、焊接以及在很硬的材料上打孔，醫(yī)學上可以用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤．1960年5月15日，在休斯公司的一個探討室里，年輕的美國物理學家梅曼正在進行一項重要的試驗．他的試驗裝置里有一根人造紅寶石棒，突然，一束深紅色的亮光從裝置中射出——從今一項宏大的獨創(chuàng)誕生了，它比太陽表面還要亮4倍！這就是激光．在日常生活中，我們可以隨時感受到激光的存在．如在超級市場里，你會看到用激光在商品的條形碼上掃描，結算賬目(如圖所示)，你能再舉幾個生活中應用激光的例子嗎？提示：如：用CD或VCD播放影片，電視或網(wǎng)絡信息的傳輸光纜，激光測距等．考點一光的衍射現(xiàn)象泰山佛光是一種光的衍射現(xiàn)象.1.定義：光照到小孔或障礙物上之后，離開直線傳播的路徑，在背后的陰影區(qū)形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象．2．產生明顯衍射現(xiàn)象的條件：障礙物或孔的尺寸跟光波波長相差不大或比光波波長還要小，才能產生明顯的衍射現(xiàn)象．3．衍射條紋的特點：①單色光通過單縫衍射時，在光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋，且中間亮條紋又寬又亮，兩側對稱出現(xiàn)的亮條紋寬度窄且亮度隨距中間亮條紋的距離的增加而快速降低，而暗條紋的寬度明顯小于亮條紋．②光屏上相鄰兩條亮(或暗)條紋的距離不等．③白光通過單縫衍射時，光屏上出現(xiàn)的是中間較寬的白色條紋，白色條紋的兩側對稱分布著彩色條紋．4．衍射條紋產生的實質：衍射條紋的產生實質上是光波發(fā)生干涉的結果，即相干波疊加的結果．當光源發(fā)出的光照耀到小孔或障礙物時，小孔處或障礙物的邊緣可看成很多點光源，這些點光源是相干光源，發(fā)出的光相互干涉，形成明暗相間的條紋．5．光的衍射和機械波的衍射相同，都不須要條件，但發(fā)生明顯的衍射是須要條件的，都是障礙物或孔的尺寸與波長相差不大，或小于波長，由于光波的波長很小，不易滿意衍射條件．【例1】關于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是()A．只有當光的波長等于障礙物或小孔的尺寸時，才會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象B．當光的波長大于障礙物的尺寸時，完全不發(fā)生光的衍射現(xiàn)象C．發(fā)生單縫衍射時，若減小單縫寬度，條紋變亮D．發(fā)生單縫衍射時，若略微增大單縫寬度，條紋變亮【審題指導】1．光發(fā)生衍射必需有條件嗎？2．衍射現(xiàn)象越明顯是不是條紋越亮呢？【解析】本題易錯選A、B，是因為沒有很好地理解衍射的條件．光離開直線傳播的路徑進入障礙物的陰影里去的現(xiàn)象叫作光的衍射．任何障礙物都可以使光發(fā)生衍射，但當障礙物或孔的尺寸跟光的波長相差不多或小于光的波長時，將產生明顯的衍射現(xiàn)象．現(xiàn)象“明顯”了，才簡單被視察到．當發(fā)生單縫衍射時，縫寬越小，衍射越明顯．但由于單縫窄通過單縫的光的能量少，故而圖樣將變暗．選C是誤認為衍射越明顯就是衍射條紋越亮．【答案】D1衍射是光所具有的特點，使光發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象則須要滿意肯定的條件.2衍射條紋的亮度是由光照耀的能量確定的，并不是衍射現(xiàn)象越明顯條紋越亮.視察單縫衍射現(xiàn)象時，把縫寬由0.2mm漸漸增大到0.8mm，看到的現(xiàn)象是(A)A．衍射條紋的間距漸漸變小，衍射現(xiàn)象漸漸不明顯B．衍射條紋的間距漸漸變大，衍射現(xiàn)象越來越明顯C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增加D．以上現(xiàn)象都不會發(fā)生解析：由單縫衍射試驗的視察可知，狹縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大，本題是將縫調寬，現(xiàn)象向相反的方向變更，故選項A正確，B、C、D錯.考點二衍射與干涉的區(qū)分1．幾種衍射現(xiàn)象(1)單縫衍射圖樣①縫變窄，通過的光變少，而光分布的范圍更寬，所以亮紋的亮度降低．②中心亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長及單縫寬度有關，入射光波長越大，單縫越窄，中心亮條紋的寬度及條紋間距就越大．③用白光做單縫衍射時，中心亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中心亮條紋仍舊最寬最亮．(2)圓孔衍射圖樣①中心是大且亮的圓形亮斑，四周分布著明暗相間的同心圓環(huán)，當圓孔的直徑取某些特定值時，圓形亮斑的中心還會出現(xiàn)一個黑斑，且越靠外，環(huán)形亮條紋的亮度越弱，寬度越?。鐖D所示．②只有圓孔足夠小時，才能得到明顯的衍射圖樣．在圓孔由較大直徑漸漸減小的過程中，光屏依次得到幾種不同現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)、完全黑暗．③用不同色光照耀圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越大，中心圓形亮斑的直徑越大．④白光的圓孔衍射圖樣中，中心是大且亮的白色光斑，四周是彩色同心圓環(huán)．⑤圓孔越小，中心亮斑的直徑越大，同時亮度越弱．(3)不透亮的小圓板衍射圖樣①泊松亮斑圖樣中的亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減小．②與圓孔衍射圖樣比較a．均是明暗相間的環(huán)形條紋，中心均有亮斑．b．圓孔衍射圖樣中心亮斑較大，而泊松亮斑較?。甤．圓孔衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而增大，圓板衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。甦．圓孔衍射圖樣的背景是黑暗的，而小圓板衍射圖樣中的背景是光明的．2．單縫衍射與雙縫干涉的比較【例2】(多選)關于衍射，下列說法正確的是()A．衍射條紋的出現(xiàn)是光疊加后產生的結果B．雙縫干涉中也存在衍射現(xiàn)象C．一切波都很簡單發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相沖突的客觀事實【審題指導】1．光的干涉和衍射現(xiàn)象的區(qū)分是什么？2．光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象有什么聯(lián)系？【解析】衍射是很困難的光波的疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過三個狹縫時均發(fā)生衍射現(xiàn)象，一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射．一切波都能發(fā)生衍射，但要發(fā)生明顯的衍射，須要滿意障礙物的尺寸小于波長或與波長相差不大的條件．雙縫干涉離不開衍射現(xiàn)象，衍射條紋是光波疊加的結果．【答案】AB一束紅光射向一塊有雙縫的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈現(xiàn)明、暗相間的干涉條紋．現(xiàn)在將其中一條窄縫攔住，讓這束紅光只通過一條窄縫，則在光屏上可以看到(B)A．與原來相同的明暗相間的條紋，只是明條紋比原來暗些B．與原來不同的明暗相間的條紋，而中心明條紋變寬些C．只有一條與縫寬相對應的明條紋D．無條紋，只存在一片紅光解析：本題中紅光通過雙縫時產生了干涉現(xiàn)象，說明每條縫都很窄，也應滿意發(fā)生明顯衍射的條件，所以攔住一條縫時發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，出現(xiàn)單縫衍射條紋．條紋的特點是中心亮條紋較寬且亮度大，應選B.考點三偏振現(xiàn)象除了從光源(如太陽、電燈等)干脆發(fā)出的光以外，我們通?？吹降慕^大部分光都是偏振光.1.光的偏振(1)自然光：太陽、電燈等一般光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同．這種光是自然光．(2)偏振光：光在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動．這種光叫作偏振光．(3)偏振光一般用自然光透過偏振片得到．(4)偏振光的另一種產生方式：自然光射到兩種介質的交界面上，假如光入射的方向合適，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°時，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．2．用偏振光驗證光是一種橫波只有一個振動方向的光叫偏振光．如經(jīng)過偏振片后的自然光．若偏振光再經(jīng)過一個偏振片后，狀況會怎樣呢？如圖1所示，當兩偏振片的“狹縫”平行時，光屏上仍有亮光．當兩偏振片的“狹縫”相互垂直時，透射光的強度幾乎為零，光屏上是暗的．如圖2所示．光的偏振現(xiàn)象表明：光是一種橫波．當兩個偏振片的透振方向平行時，透過的光強度最強；當兩個偏振片的透振方向相互垂直時，透射光的強度最弱，幾乎為零．【例3】兩個偏振片緊靠在一起，將它們放在一盞燈的前面以致沒有光通過．假如將其中的一片旋轉180°，在旋轉過程中，將會產生下述的哪一種現(xiàn)象()A．透過偏振片的光先增加，然后又減弱到零B．透過的光先增加，然后減弱到非零的最小值C．透過的光在整個過程中都增加D．透過的光先增加，再減弱，然后又增加【審題指導】每個偏振片都有一個固定的偏振方向，燈光為自然光，通過一個偏振片后則變成偏振光．【解析】起偏器和檢偏器的偏振方向垂直時，沒有光通過，偏振方向平行時，光的強度達到最大．當其中一個偏振片轉動180°的過程中，兩偏振片的偏振方向由垂直到平行再到垂直，所以通過的光先增加，又減小到零，故選A.【答案】A(多選)在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏，如圖所示，則下列說法正確的是(BD)A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱解析：P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉變?yōu)槠窆?，該偏振光的振動方向與P的透振方向一樣．所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強最?。礋o論旋轉P或Q，屏上的光強都是時強時弱.考點四偏振現(xiàn)象的應用光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波.①光的偏振現(xiàn)象有很多應用．如在拍攝日落時水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里的陳設物時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，常使景像不清晰，假如在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以減弱反射光而使景像清晰．②夜晚行車時，對方車燈照耀過來的光很強，若加一個偏振片，可減弱對眼睛的照耀．③立體電影也是利用了光的偏振原理．平常我們所看到的光，除干脆從光源射來的以外絕大部分都是偏振光．④各種液晶顯示器．【例4】在拍攝日落水面下的景物時，應在照相機鏡頭前裝一個偏振片，其目的是()A．減弱反射光，從而使景物的像清晰B．增加反射光，從而使景物的像清晰C．增加透射光，從而使景物的像清晰D．減弱透射光，從而使景物的像清晰【審題指導】拍水面下景物時，由于水面反射光，會使景物的像不清晰．【解析】反射光為偏振光，當照相機鏡頭前裝一個偏振片時，調整偏振片的方向可減弱進入鏡頭的反射光，從而使景物的像清晰，故A正確．反射光為偏振光，平常我們看到的光，除干脆從光源射出來的以外絕大部分都是偏振光．【答案】A(多選)毒奶粉作為食品加工業(yè)中的添加劑或調味劑，做成了糖果面包等，讓人防不勝防．奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量．偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”．α的值只與糖溶液的濃度有關，將α的測量值與標準值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了．如下圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉動B，使到達O處的光最強，然后將被測樣品P置于A、B之間，則下列說法中正確的是(ACD)A．到達O處光的強度會明顯減弱B．到達O處光的強度不會明顯減弱C．將偏振片B轉動一個角度，使得O處光強度最大，偏振片B轉過的角度等于αD．將偏振片A轉動一個角度，使得O處光強度最大，偏振片A轉過的角度等于α解析：A、B間不放糖溶液時，自然光通過偏振片A后，變成偏振光，通過B后到O.當在A、B間放糖溶液時，由于溶液的旋光作用，使通過A的偏振光振動方向轉動了肯定角度，通過B到達O處的光強會明顯減弱，A正確，B錯誤；但當B轉過一個角度，恰好使透振方向與經(jīng)過糖溶液后的偏振光振動方向一樣時，O處光強又為最強，故B的旋轉角度即為糖溶液的旋光度；因為A、B的偏振方向一樣，故轉動偏振片A也可以，D正確.考點五激光的產生和特點1．激光的產生激光是人類在試驗室里激發(fā)出的在自然界中沒有的光．激光是一種特別的光，自然界中的發(fā)光體不能發(fā)出激光．2．激光的特點可以用激光測量月球到地球的距離.(1)激光是人工產生的“純凈”光激光的傳播方向、偏振、相位等性質完全相同，激光可以像無線電波那樣進行調制，用來傳遞信息，光纖通信就是激光和光導纖維相結合的產物．(2)激光束的平行度和方向性特別好激光的光束高度平行，這樣，激光的能量就不簡單發(fā)散，激光在傳播很遠距離后仍能保持肯定的強度．(3)激光的強度大，亮度高激光可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量，可使被照耀物體在不到千分之一秒的時間內產生幾千萬度的高溫．(4)激光單色性很好激光的頻率范圍極窄，顏色幾乎是完全一樣的．【例5】(多選)對激光的相識，下列說法中正確的是()A．一般光源發(fā)出的光都是激光B．激光是自然界普遍存在的一種光C．激光是一種人工產生的“純凈”光D．激光已經(jīng)深化到我們生活的各個方面【審題指導】1．激光與自然光有什么區(qū)分？2．激光是怎么產生的？【解析】要知道激光的產生、特點及應用．【答案】CD(多選)關于激光與自然光，下列說法中正確的是(AC)A．激光只含一種頻率的光，而自然光含有各種頻率的光，所以激光的相干性好B．自然光是由物質的原子放射出來的，而激光是人工產生的，所以激光不是由物質的原子放射出來的C．激光和自然光都具有相同的電磁本質，它們都是電磁波D．激光與自然光沒有區(qū)分考點六激光的應用激光的應用舉例與對應的特性特點性質應用純凈的特性激光是人工產生的傳播方向、偏振、相位等性質完全相同，具有純凈的特性光纖通信平行度激光的平行度特別好，傳播很遠的距離仍能保持肯定的強度精確的測距，讀取光盤上記錄的信息等亮度高它可以在很小的范圍和很短的時間內集中很大的能量切割金屬，醫(yī)用激光，激發(fā)核反應，激光育種，激光武器等【例6】在演示雙縫干涉的試驗時，常用激光做光源，這主要是應用激光的什么特性()A．亮度高 B．平行性好C．單色性好 D．波動性好【審題指導】1．光發(fā)生干涉的條件是什么？2．激光的什么特性與干涉條件相符合？【解析】頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉，激光的單色性好，頻率單一，通過雙縫時能夠得到兩束相干光．故本題的正確選項是C.激光的單色性好，也就是頻率單一．【答案】C(多選)下列說法中正確的是(BCD)A．假如地球表面沒有大氣層，太陽照亮地球的范圍要比有大氣層時略大些B．激光是一種人工產生的相干光，因此可對它進行調制來傳遞信息C．激光雷達能依據(jù)多普勒效應測出目標的運動速度，從而對目標進行跟蹤D．從本質上說激光是一種橫波解析：假如地球表面沒有大氣層，太陽照亮地球的范圍要比有大氣層時略小些；激光是一種人工產生的相干光，因此可對它進行調制來傳遞信息；激光雷達能依據(jù)多普勒效應測出目標的運動速度，從而對目標進行跟蹤；激光是一種橫波，故B、C、D正確.1．(多選)在單縫衍射試驗中，下列說法正確的是(ACD)A．其他條件不變，將入射光由黃色換成綠色，衍射條紋間距變窄B．其他條件不變，使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄C．其他條件不變，換用波長較長的光照耀，衍射條紋間距變寬D．其他條件不變，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬解析：當單縫寬度肯定時，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距也越大，黃光波長大于綠光波長，所以A、C正確；當光的波長肯定時，