高中物理 第5章 光的波動性 3 光的衍射與偏振 4 激光教師用書 教科版選修3-4

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3．光的衍射與偏振 4．激光 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.觀察光的衍射現(xiàn)象進(jìn)一步認(rèn)識光的波動性. 2.了解光明顯衍射的條件，了解衍射圖樣．(重點(diǎn)) 3.觀察光的偏振現(xiàn)象，了解自然光與偏振光的區(qū)別．(難點(diǎn)) 4.了解激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用，知道激光和自然光的區(qū)別. 光的衍射 1．單縫衍射現(xiàn)象 (1)當(dāng)單縫較寬時，光沿著直線方向通過單縫，在光屏上可以看到一條跟單縫(或圓孔)寬度相當(dāng)?shù)牧辆€． (2)把單縫調(diào)窄些，可以看到屏上亮線也隨之減?。? (3)當(dāng)單縫調(diào)到很窄時，光通過單縫后就明顯地偏離了直線傳播方向，到達(dá)屏上以后，不再是一條很窄的亮線，而是照到了相當(dāng)寬的地方，并且出現(xiàn)了明暗相間的條紋；再調(diào)小單縫，條紋也隨之變得清晰、細(xì)?。? 2．光的衍射 光在傳播過程中遇到障礙物或小孔(狹縫)時，繞過障礙物或通過小孔、狹縫傳播到陰影區(qū)域的現(xiàn)象． 3．衍射圖像 衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)． 1．白光通過盛水的玻璃杯，在適當(dāng)?shù)慕嵌?，可看到彩色光，是光的衍射現(xiàn)象．() 2．菜湯上的油花呈現(xiàn)彩色，是光的折射現(xiàn)象．() 3．用兩支圓柱形鉛筆并在一起，形成一個狹縫，使狹縫平行于日光燈，會看到彩色的衍射條紋．(√) 1．白光經(jīng)單縫衍射和雙縫干涉產(chǎn)生的條紋有什么共同特點(diǎn)？ 【提示】　都是中央為白色條紋，兩側(cè)為彩色條紋． 2．光遇到小孔、單縫或障礙物時，衍射現(xiàn)象可能發(fā)生，也可能不發(fā)生，這種說法對嗎？ 【提示】　不對．光遇到小孔、單縫或障礙物時，衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分，無發(fā)生與不發(fā)生之別． 1．三種衍射圖樣的比較 (1)單縫衍射圖樣(如圖531所示) 單色光衍射　　　白光衍射 圖531 ①中央條紋最亮，越向兩邊越暗；條紋間距不等，越靠外，條紋間距越小． ②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． ③中央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(guān)，入射光波長越大，單縫越窄，中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大． ④用白光做單縫衍射時，中央亮條紋仍然是最寬最亮的白條紋． (2)圓孔衍射圖樣 ①中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越?。? 如圖532所示． 圖532 ②圓孔越小，中央亮斑的直徑越大，同時亮度越弱． ③用不同色光照射圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越大，中央圓形亮斑的直徑越大． ④白光的圓孔衍射圖樣中，中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色同心圓環(huán)． ⑤只有圓孔足夠小時才能得到明顯的衍射圖樣．在圓孔由較大直徑逐漸減小的過程中，光屏上依次得到幾種不同的現(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)． (3)不透明的小圓板衍射圖樣(泊松亮斑)(如圖533所示) 圖533 ①中央是亮斑． ②周圍的亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。? 2．單縫衍射與雙縫干涉的異同點(diǎn) 單縫衍射 雙縫干涉 不同點(diǎn) 產(chǎn)生條件 只要狹縫足夠小，任何光都能發(fā)生 頻率相同的兩列光相遇疊加 條紋寬度 條紋寬度不等，中央最寬 條紋寬度相等 條紋間距 各相鄰條紋間距不等 各相鄰條紋等間距 亮度 中央條紋最亮，兩邊變暗 清晰條紋，亮度基本相等 相同點(diǎn) 干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋 1．在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是(　　) A．將入射光由黃光換成綠光，衍射條紋間距變窄 B．使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄 C．換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變寬 D．增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬 E．條紋間距與單縫到屏的距離無關(guān) 【解析】　當(dāng)單縫寬度一定時，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠(yuǎn)，條紋間距也越大，A、C正確；當(dāng)光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大，B錯誤；光的波長一定、單縫寬度也一定時，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬，D正確，E錯誤． 【答案】　ACD 2．如圖534甲、乙所示，是單色光通過窄縫后形成明暗相間的兩種條紋圖樣，________為單縫衍射的圖樣，________為雙縫干涉的圖樣． 圖534 【解析】　甲圖中的條紋寬度不等，中央寬，兩側(cè)窄，應(yīng)為單縫衍射圖樣．乙圖中的條紋等寬等距，應(yīng)為雙縫干涉圖樣． 【答案】　甲　乙 區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法 1．根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的；而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，兩側(cè)的條紋變窄． 2．根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側(cè)亮度變化很??；而單縫衍射條紋中央亮紋最亮，兩側(cè)的亮紋逐漸變暗． 光 的 偏 振 1．光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性． 2．偏振片：由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿這個方向振動的光波才能通過偏振片，這個方向叫做透光方向． 3．線偏振光：光的振動方向限在一個平面內(nèi)的光． 4．自然光：通常光源發(fā)出的光是由大量的振動方向不同而互不相干的線偏振光組成． 5．光的偏振現(xiàn)象證明光是橫波． 1．凡是波都有偏振現(xiàn)象．() 2．反射可以引起自然光的偏振．(√) 3．拍攝水中游魚時，在鏡前裝一偏振片是利用光的偏振現(xiàn)象．(√) 1．自然光和偏振光的主要區(qū)別是什么？ 【提示】　在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，自然光沿所有方向振動，偏振光沿某一特定方向振動． 2．自然光經(jīng)水面反射的光一定是偏振光嗎？ 【提示】　經(jīng)水面反射和折射的光都是偏振光． 1．幾個概念 (1)自然光——沿各個方向均勻分布振動的光． (2)偏振光——沿著特定方向振動的光． (3)起偏器——自然光通過后變?yōu)槠窆獾钠衿? (4)檢偏器——檢測投射光是否為偏振光的偏振片． 2．偏振原因 光是橫波，是電磁波，電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的振動方向均與波傳播的方向垂直，所以光有偏振現(xiàn)象． (1)自然光經(jīng)過反射或折射后會變成偏振光，如自然光射到兩介質(zhì)分界面時同時發(fā)生反射和折射(反射角和折射角之和為90時)，反射光線和折射光線是光振動方向互相垂直的偏振光． (2)光波的感光作用主要是由電場強(qiáng)度E引起的，因此常將E的振動稱為光振動．在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，光振動的方向可以沿任意的方向，光振動沿各個方向均勻分布的光就是自然光，光振動沿著特定方向的光就是偏振光． 3．偏振光的兩種產(chǎn)生方式 (1)讓自然光通過偏振片． (2)自然光射到兩種介質(zhì)的交界面上，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直． 3.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535所示，則下列說法正確的是(　　) 圖535 A．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度不變 B．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度時強(qiáng)時弱 C．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度不變 D．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時強(qiáng)時弱 E．偏振現(xiàn)象表明光是橫波 【解析】　P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆?，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致．所以當(dāng)Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強(qiáng)最大；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強(qiáng)最?。礋o論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強(qiáng)都是時強(qiáng)時弱．故正確答案為B、D、E. 【答案】　BDE 4．電子表的顯示屏利用了液晶的旋光性，當(dāng)液晶上不加電壓時，偏振光通過液晶時偏振方向會旋轉(zhuǎn)90，這就是液晶的旋光性；如果在液晶上加上電壓，則旋光性消失．有一種電子表的顯示屏是透明的，而在顯示數(shù)字的 筆畫處不透光，則上下兩個偏振片的透振方向相互________；筆畫處為________電極，因此加上電壓時變?yōu)開_______的． 【解析】　假設(shè)光從下向上傳播，光線通過下偏振片時成為偏振光，如果不加電壓，偏振光通過液晶時偏振方向旋轉(zhuǎn)90，此時光線能透過上偏振片，可知上偏振片的透振方向應(yīng)與此時偏振光的偏振方向相同，即與下偏振片的透振方向垂直；組成數(shù)字的筆畫處有時透明，有時不透明，可知筆畫處為透明電極，當(dāng)加上電壓時液晶旋光性消失，光線不能透過． 【答案】　垂直　透明　不透明 1．偏振片是由特定的材料制成的，每個偏振片都有一個特定的方向，這個方向叫做“透振方向”，只有沿透振方向振動的光才能通過偏振片． 2．偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是真實(shí)狹縫． 3．光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波． 4．自然光透過偏振片可以變成偏振光． 5．當(dāng)偏振片的偏振方向與光的偏振方向的夾角不同時，透過偏振片的光的強(qiáng)度不同． 激 光 的 特 性 及 其 應(yīng) 用 1．激光的特性體現(xiàn)在以下幾個方面：強(qiáng)度大、方向性好、單色性好、相干性好、覆蓋波段寬而且可調(diào)諧． 2．激光的應(yīng)用：根據(jù)激光的特性，在工、農(nóng)、科技及社會各方面有廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)在以下幾方面：激光加工、激光全息照相、激光檢測、激光通信、激光醫(yī)學(xué)、激光照排、光盤等方面． 1．激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn)．(√) 2．激光可用做“光刀”來切開皮膚是利用激光的相干性好．() 3．全息照相技術(shù)只能記錄光波的強(qiáng)弱信息．() 1．利用激光測量地球到月球的距離，應(yīng)用了激光哪方面的性質(zhì)？ 【提示】　應(yīng)用了“平行度”非常好的性質(zhì)． 2．在演示雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)時，常用激光作光源，這主要是應(yīng)用激光的什么特征？ 【提示】　應(yīng)用了激光單色性好的特性． 激光的應(yīng)用與對應(yīng)的特性 特點(diǎn) 性質(zhì) 應(yīng)用 強(qiáng)度大 可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量 激光加工激光醫(yī)學(xué) 方向性好 激光的平行度非常好、傳播很遠(yuǎn)的距離而不發(fā)散，仍能保持其高能量 激光測距、雷達(dá)激光檢測、光盤 單色性好 激光的頻率范圍較窄、顏色幾乎是相同的 激光照排 相干性好 激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向相同的特點(diǎn) 干涉、衍射光源激光全息照相 覆蓋波段寬且可調(diào)諧 用不同的激光器可獲得從X射線到遠(yuǎn)紅外波段的激光，且像無線電波一樣進(jìn)行調(diào)制 激光通信 5．對于激光的認(rèn)識，以下說法正確的是(　　) A．普通光源發(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(chǎn)生的相干光 D．激光已經(jīng)深入我們生活的各個方面 E．激光具有單色性好、方向性好、亮度高的特點(diǎn) 【解析】　普通光源不能產(chǎn)生激光，A錯誤；激光要通過人工控制才能產(chǎn)生，B錯誤，C正確；激光具有單色性好、方向性好、亮度高的特點(diǎn)，已深入我們生活各個方面，D、E正確． 【答案】　CDE 6．應(yīng)用激光平行性好的特性，可以精確地測量距離．對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射一個極短的激光脈沖，測量發(fā)射脈沖與收到反射脈沖的時間間隔，就可以求出激光器到目標(biāo)的距離．若在地球上向月球發(fā)射一個激光脈沖，測得從發(fā)射到收到反射脈沖所用的時間為2.56 s，求月球到地球的距離大約是多少？ 【解析】　真空中的光速c＝3.0108 m/s， 從發(fā)射脈沖到收到反射脈沖所用時間t＝2.56 s，月球與地球距離為：l＝ct＝3.01082.56 m＝3.84105 km. 【答案】　3.84105 km 激光的特點(diǎn) 1．激光首先是光，激光遵循光的一切規(guī)律，如折射、反射、衍射、干涉等． 2．激光是一種新型光源，具有一般光源所不具備的特點(diǎn)，如單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等． 3．針對激光的每一個特點(diǎn)，都有很多方面的應(yīng)用．