2017-2018學年高中物理 第五章 光的波動性 第3、4講 光的衍射與偏振 激光學案 教科版選修3-4.doc

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第3講　光的衍射與偏振 第4講　激光 [目標定位]　1.知道光產生明顯衍射現象的條件，了解幾種不同衍射現象的圖樣.2.能用衍射知識對生活中的現象進行解釋和分析.3.認識光的偏振現象，知道光是橫波.4.知道偏振光和自然光的區(qū)別，能用偏振知識來解釋生活中的一些常見光學現象.5.了解激光的特性及應用． 一、光的衍射 1．概念：光通過很小的狹縫(或圓孔)時，明顯地偏離了直線傳播方向，在屏上散開到相當大的范圍，這種現象叫做光的衍射． 2．衍射圖像 (1)定義：衍射時產生的明暗條紋或光環(huán)． (2)特點： ①單色光：中央有一條較寬較亮的條紋，兩邊是對稱而明暗相間的條紋，亮條紋的強度向兩邊很快減弱． ②白光：中央是一條白條紋，兩邊是很快減弱的彩色條紋． 3．光的衍射現象進一步證明了光具有波動性． 二、光的偏振 1．線偏振光：如果光振動的方向限在一個平面，這種光叫線偏振光． 2．自然光：通常光源發(fā)出的光(包括太陽光)是由大量的、振動方向不同而互不相干的線偏振光組成的，稱為自然光． 3．光的偏振現象進一步證實光是橫波． 三、激光 1．激光的特殊性質：強度大、方向性好、單色性好、相干性好、覆蓋波段寬而且可調諧． 2．激光具有廣泛的應用：如激光加工、激光全息照相、激光檢測、激光通信、激光醫(yī)學、激光照排、光盤等. 一、對光的衍射的理解 1．光產生明顯衍射的條件 障礙物或小孔的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長?。? 2．衍射圖樣的特點 (1)單縫衍射：①單色光通過狹縫時，在屏幕上出現明暗相間的條紋，中央為亮條紋．中央條紋最寬最亮，兩側的亮條紋逐漸變暗變窄；白光通過狹縫時，在屏上出現彩色條紋，中央為白條紋． ②波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大． 圖1 (2)圓孔衍射：光通過小孔(孔很小)時，在光屏上出現明暗相間的圓環(huán)，如圖1所示． (3)圓板衍射(泊松亮斑) ①若在單色光(如激光)傳播途中放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現在影的中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑，衍射圖樣如圖2所示． 圖2 ②中央是亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)． 例1　(多選)在單縫衍射實驗中，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 解析　當單縫寬度一定時，波長越長，衍射現象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠，條紋間距也越大，A、C正確；當光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現象越明顯，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． 答案　ACD 二、單縫衍射與雙縫干涉的比較 1．不同點 (1)產生條件 (2)圖樣 2．相同點 (1)都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時加強或削弱的結果． (2)都是波特有的現象，表明光是一種波． 例2　如圖所示的4種明暗相間的條紋，是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)．則在下面的四個圖中，哪個圖是藍光形成的干涉圖樣(　　) 解析　雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋，所有條紋寬度相同且等間距；波長越短，條紋間距越小，故A是藍光的干涉圖樣，C是紅光的干涉圖樣；單縫衍射條紋是中間亮且寬，越向兩側寬度越小越暗；波長越長，中央亮條紋越寬，故B、D是衍射圖樣；因紫光比黃光波長短，所以B是紫光的衍射圖樣，D是黃光的衍射圖樣．選項A正確． 答案　A 三、對光的偏振的理解 1．偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是刻上的真實狹縫． 2．只要光的振動方向不與透振方向垂直，都可以不同程度地通過偏振片，不過強度要比振動方向與透振方向平行的光弱一些． 3．自然光和偏振光 自然光 偏振光 光的來源 直接從光源發(fā)出的光 自然光通過起偏器后的光 光的振 動方向 在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光強度都相同 在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿某一特定方向(與起偏器透振方向一致) 舉例 太陽、電燈、蠟燭火焰等直接發(fā)出的光 自然光在介質表面反射和折射形成的光 4.偏振現象的應用舉例 (1)在攝影中的應用：在鏡頭前安裝一片偏振濾光片，可以阻擋反射光進入鏡頭． (2)電子表的液晶顯示屏：在兩塊透振方向垂直的偏振片當中插進一個液晶盒，可以控制光線顯示數字． (3)夜晚行車時，車燈眩光的消除用的就是光的偏振原理． (4)立體電影也利用了光的偏振原理． 例3　如圖3所示，白熾燈的右側依次平行放置偏振片P和Q，A點位于P、Q之間，B點位于Q右側．旋轉偏振片P，A、B兩點光的強度變化情況是(　　) 圖3 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 解析　白熾燈光包含各方向的光，且各個方向的光強度相等，所以旋轉偏振片P時各方向透射光強度相同，故A點光的強度不變；白熾燈光經偏振片P后為偏振光，當P旋轉時，透過Q的光的強度發(fā)生變化，因此B點的光強有變化，選項C正確． 答案　C 四、激光的應用 1．激光加工、激光醫(yī)學(強度大、能量高度集中)． 2．激光雷達測距、測速、光盤(方向性好，結合多普勒效應)． 3．激光全息照相、激光檢測(相干性好)． 4．激光通信(覆蓋波段寬而且可調諧)． 例4　(多選)下列說法正確的是(　　) A．激光可用于測距 B．激光能量十分集中，只可用于加工金屬材料 C．外科研制的“激光刀”可以有效地減少細菌的感染 D．激光可用于全息照相，有獨特的特點 解析　激光平行度好，即使在傳播了很遠的距離之后，它仍保持一定的強度，此特點可用于激光測距，選項A正確；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金屬加工、激光醫(yī)療、激光美容、激光武器等，選項B錯誤；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它記錄了光的相位信息，所以看起來跟真的一樣，立體感較強，選項D正確；由于激光亮度高、能量大，在切割皮膚的同時，也能殺滅細菌，所以選項C正確． 答案　ACD 光的衍射現象 1．(多選)光的衍射現象，下面說法正確的是(　　) A．紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋 B．白光的單縫衍射圖樣是白暗相間的直條紋 C．光照到不透明小圓盤上出現泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射 D．光照到較大圓孔上出現大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射 解析　單色光照到狹縫上產生的衍射圖樣是明暗相間的直條紋．白光的衍射圖樣是彩色條紋．光照到不透明小圓盤上，在其陰影處出現亮點，是衍射現象．光的衍射現象只有明顯與不明顯之分，D項中屏上大光斑的邊緣模糊，正是光的衍射造成的，不能認為不存在衍射現象． 答案　AC 單縫衍射與雙縫干涉圖樣的比較 2．(多選)如圖4所示，甲、乙為單色光通過窄縫后形成的明暗相間的兩種條紋圖樣．下列判斷正確的是(圖中黑色表示亮條紋)(　　) 圖4 A．甲為單縫衍射的圖樣 B．乙為雙縫干涉的圖樣 C．甲為雙縫干涉的圖樣 D．乙為單縫衍射的圖樣 解析　雙縫干涉圖樣的條紋間隔是均勻的，單縫衍射的條紋是中間寬、兩側逐漸變窄，由此可見選項A、B正確． 答案　AB 光的偏振 3．(多選)鑒別奶粉的質量，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．如圖5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(　　) 圖5 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處光的強度仍為最大，偏振片B轉過的角度等于α D．將偏振片A轉動一個角度，使得O處光的強度仍為最大，偏振片A轉過的角度等于α 解析　自然光通過偏振片后得到垂直于光的傳播方向與偏振片的透振方向平行的偏振光，該偏振光經被測樣品后，其偏振方向發(fā)生了偏轉，即相對于光的傳播方向向左或向右旋轉一個角度α，到達B的光的偏振方向與B的透振方向不完全一致，故O處光的強度會明顯減弱，故A正確，B錯誤；若將A或B轉動一個角度，使得O處光的強度仍為最大，說明它們轉過的角度等于α，故C、D都正確． 答案　ACD 激光的應用 4．在演示雙縫干涉的實驗時，常用激光做光源，這主要是應用激光的(　　) A．強度大 B．方向性好 C．相干性好 D．覆蓋波段寬且可調諧 解析　頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉，激光具有高度的相干性，通過雙縫時能夠得到兩束相干光．故本題的正確答案是C． 答案　C 題組一　光的衍射 1．(多選)對于光的衍射現象的定性分析，下列說法正確的是(　　) A．只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長相比相差不大甚至比波長還要小的時候，才能產生明顯的衍射現象 B．光的衍射現象是光波相互疊加的結果 C．光的衍射現象否定了光沿直線傳播的結論 D．光的衍射現象說明了光具有波動性 解析　光的干涉現象和衍射現象無疑說明了光具有波動性，而小孔成像說明光沿直線傳播，而要出現小孔成像，孔不能太小，光的直線傳播規(guī)律只是近似的，只有在光的波長比障礙物小很多的情況下，光才可以看成是直線傳播的，所以光的衍射現象和直線傳播是不矛盾的，它們是在不同條件下出現的兩種現象，故上述選項中正確的是A、B、D． 答案　ABD 2．點光源照在一個剃須刀片上，在屏上形成了它的影子，其邊緣較為模糊，原因是(　　) A．光的反射 B．光強太小 C．光的干涉 D．光的衍射 答案　D 3．在一次觀察光衍射的實驗中，觀察到如圖1所示的清晰的明暗相間圖樣(黑線為暗條紋)，那么障礙物應是(　　) 圖1 A．很小的不透明的圓板 B．很大的中間有大圓孔的不透明的圓板 C．很大的不透明圓板 D．很大的中間有小圓孔的不透明的圓板 解析　由圖可知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)，且越向外，圓形條紋寬度越小，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，故選項D正確；有的同學誤選為A，要注意很小的不透明的圓板產生的圖樣中心也是亮點，但其周圍有一個大的陰影區(qū)，在陰影區(qū)的邊緣有明暗相間的圓環(huán)，它與圓孔衍射的圖樣是不同的． 答案　D 4．使太陽光垂直照射到一塊遮光板上，板上有可以自由收縮的正方形孔，孔的后面放置一個光屏，在正方形孔逐漸變小直至閉合的過程中，光屏上依次可以看到幾種不同的現象，試把下列現象依次排列________． A．圓形光斑 B．明暗相間的彩色條紋 C．變暗消失 D．正方形光斑 E．正方形光斑由大變小 解析　由于光的波長很短，因此當孔很大時，不會發(fā)生明顯的衍射現象，此時可看作光是近似沿直線傳播的，在屏上得到孔的影；當孔繼續(xù)減小時，雖不能使光發(fā)生明顯的衍射現象，但可以在屏上得到太陽的像，即小孔成像；孔再繼續(xù)減小時，光開始發(fā)生明顯的衍射現象，出現明暗相間的彩色條紋；孔進一步減小直到閉合時，由于穿過光的能量減小而使光線變暗直至消失． 答案　DEABC 題組二　光的衍射與干涉的比較 5．(多選)關于衍射，下列說法中正確的是(　　) A．衍射現象中條紋的出現是光疊加后產生的結果 B．雙縫干涉中也存在著光的衍射現象 C．一切波都很容易發(fā)生明顯的衍射現象 D．影的存在是一個與衍射現象相矛盾的客觀事實 解析　干涉和衍射都是波疊加的結果，干涉中有衍射現象，衍射中也有干涉現象．當障礙物的尺寸遠大于波長時，衍射現象不明顯，因而形成影，但影的形成與衍射現象并不矛盾． 答案　AB 6．在光的單縫衍射實驗中可觀察到清晰的明暗相間的圖樣，圖2的四幅圖片中屬于光的單縫衍射圖樣的是(　　) 圖2 A．a、c B．b、c C．a、d D．b、d 解析　單縫衍射條紋的特點是中央亮條紋最寬、最亮，雙縫干涉條紋的特點是等間距的條紋，所以a是干涉條紋，b、d是單縫衍射條紋，c是水波的衍射圖樣． 答案　D 7．一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明暗相間的干涉條紋，現將其中一條窄縫擋住，讓這束紅光只通過一條窄縫，則在光屏上可以看到(　　) 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．與原來不相同的明暗相間的條紋，而中央明條紋變寬些 C．只有一條與縫寬對應的明條紋 D．無條紋，只存在一片紅光 解析　雙縫為相干光源的干涉，單縫為光的衍射，且干涉和衍射的圖樣不同．衍射圖樣和干涉圖樣的異同點：中央都出現明條紋，但衍射圖樣中央明條紋較寬，兩側都出現明暗相間的條紋，干涉圖樣為等間距的明暗相間的條紋，而衍射圖樣兩側為不等間距的明暗相間的條紋，且亮度迅速減弱，所以本題正確選項為B． 答案　B 題組三　光的偏振 8．(多選)如圖3所示，P是一偏振片，P的透振方向(用帶有箭頭的實線表示)為豎直方向．下列四種入射光束中，照射P時能在P的另一側觀察到透射光的是(　　) 圖3 A．太陽光 B．沿豎直方向振動的光 C．沿水平方向振動的光 D．沿與豎直方向成45角振動的光 解析　太陽光是自然光，照射P時能在P的另一側觀察到透射光，選項A正確；光的偏振方向與偏振片的透振方向相同時，透過偏振片的光最強，選項B正確；光的偏振方向與偏振片的透振方向垂直時，無法透過偏振片的光，選項C錯誤；光的偏振方向與偏振片的透振方向成一定角度時，可以透過偏振片，選項D正確． 答案　ABD 9．(多選)光的偏振現象說明光是橫波，下列現象中能反映光的偏振特性的是(　　) A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉其中一個偏振片，透射光的強度發(fā)生變化 B．一束自然光入射到兩種介質的分界面上，當反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90時，反射光線是偏振光 C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機鏡頭前裝上偏振片，可以使景象更清晰 D．通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋 解析　自然光通過第一個偏振片后形成單一振動方向的偏振光，再通過第二個偏振片時，若偏振片的透射方向與此偏振光的振動方向垂直，則無光透過第二個偏振片，若二者平行則透射光最強，故選項A反映了光的偏振現象；一束自然光入射到兩種介質的分界面上，當反射光線與折射光線垂直時，反射光線和折射光線都是偏振光且偏振方向垂直，選項B反映了光的偏振；拍攝水中景物或玻璃櫥窗中景物時，由于水或玻璃表面反射光較強，使所拍攝景物不清晰，在照相機鏡頭前裝上偏振片，使其透振方向與反射光的偏振方向垂直，可以有效防止反射光進入照相機，從而所拍景象更清晰，選項C反映了光的偏振；通過手指間的縫隙觀察日光燈，看到彩色條紋是光的衍射現象． 答案　ABC 10．(多選)下面關于光的偏振現象的應用正確的是(　　) A．自然光通過起偏器后成為偏振光，利用檢偏器可以檢驗出偏振光的振動方向 B．立體電影利用了光的偏振現象 C．茶色眼鏡利用了光的偏振現象 D．拍攝日落時水面下的景物時，在照相機鏡頭前裝一個偏振片可減弱水面反射光的影響 答案　ABD 11．(多選)如圖4所示，A、B為兩偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此時在光屏C上，透射光的強度最大，則下列說法中正確的是(　　) 圖4 A．此時A、B的透振方向平行 B．只有將B繞OO′軸順時針旋轉90，屏上透射光的強度最弱，幾乎為零 C．不論將A或B繞OO′軸旋轉90，屏上透射光的強度最弱，幾乎為零 D．將A沿順時針旋轉180，屏上透射光的強度最弱，幾乎為零 解析　當A、B兩偏振片的透振方向平行時，光屏上的光強度最大；當二者透振方向垂直時，光屏上的光強度最小，幾乎為零，由此可知A、C選項正確． 答案　AC 題組四　激光及應用 12．(多選)對于激光的認識，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．激光是一種人工產生的相干光 D．激光已深入到我們生活的各個方面 解析　激光是人工產生的相干光，并不能由普通光源發(fā)出，激光在我們日常生活中有著重要的應用． 答案　CD 13．讓激光照到VCD機、CD機或計算機的光盤上，就可以讀出盤上記錄的信息，經過處理后還原成聲音或圖像，這是利用激光的(　　) A．方向性好，可以會聚到很小的一點上 B．相干性好，可以很容易形成干涉圖樣 C．強度大，可以在很短時間內集中很大的能量 D．波長短，很容易發(fā)生明顯的衍射現象 解析　激光的特點之一是方向性好，它可以會聚到一個很小的點上，DVD、VCD、CD唱機或電腦上的光驅及刻錄設備就利用了激光的這一特點，選項A正確，B、C、D錯誤． 答案　A 題組五　綜合應用 14．如圖5所示，兩束單色光a、b從水下射向A點，光線經折射后合成一束光c，則下列說法正確的是________． 圖5 A．用同一雙縫干涉實驗裝置分別以a、b光做實驗，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距 B．用a、b光分別做單縫衍射實驗時它們的衍射條紋寬度都是均勻的 C．在水中a光的速度比b光的速度小 D．在水中a光的臨界角大于b光的臨界角 E．若a光與b光以相同入射角從水射向空氣，在不斷增大入射角時水面上首先消失的是a光 F．a比b更容易發(fā)生衍射現象 解析　假設a為紅光，b為紫光，紅光的波長最長，在介質中的速度最大，臨界角最大，不易發(fā)生全反射，衍射本領最強．據此可判斷選項C、E錯誤，D、F正確；波長越長，干涉條紋間距越大，選項A正確；光的衍射條紋寬度不均勻，選項B錯誤． 答案　ADF