第6、7节 光的衍射与偏振 激光

第6、7节光的衍射与偏振激光核心素养导学物理观念(1)认识光的衍射、衍射条纹的特点。(2)认识光的偏振的特点。(3)掌握激光的特点和各种应用。科学探究(1)探究光发生明显衍射的条件。(2)观察光的偏振现象。科学态度与责任认识光学知识在现代生活和科技等方面的应用。一、光的衍射1．实验观察在不透明的屏上安装一个______可调的单缝，缝后放一个光屏，用激光照射单缝。2．实验现象(1)缝比较宽时，在屏上产生一条与缝宽相当的____线。(2)缝调到很窄时，亮条纹亮度降低，但宽度_____，而且还出现了_________的条纹，中央亮条纹较宽。宽度亮增大明暗相间(3)用白光做实验，得到的条纹是_____的，但中央条纹是白色的。3．明显衍射的条件障碍物或狭缝的尺寸______的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了。[微点拨]

光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的。彩色很小二、光的偏振1．偏振(1)横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直，具有偏振现象，质点振动方向称为偏振方向。(2)纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上，没有偏振现象。2．光的偏振(1)研究表明：光是一种______。(2)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，这个方向叫作透光方向(也叫“透振方向”)。光的振动方向与这个透光方向______的成分才能通过偏振片，______时不能通过偏振片。横波平行垂直(3)线偏振光：光振动的方向限在一个平面，沿着某一特定方向振动的光。(4)自然光：由大量的、______________的线偏振光组成的光。三、激光1．普通光源的特点：发出的自然光是许多频率、相位、偏振以及传播方向各不相同的光的杂乱无章的混合。2．激光：_____相同、________恒定、振动方向一致的光波。3．激光的特点：强度大；__________；__________；相干性好；覆盖波段宽而且可调谐。4．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；激光探测引力波；激光驱动流体。振动方向不同频率相位差方向性好单色性好1．用三块不透光的板，在每块板的中间各开一个圆孔，各板所开的圆孔直径依次变小。装置如图甲所示，先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个如图乙所示的明亮圆形光斑；再换上圆孔较小的那块板，在屏上会出现如图丙所示较小的明亮圆形光斑；最后用圆孔最小(直径约为1mm)的那块板，在屏上会出现如图丁所示的明暗相间的条纹。(1)图乙中的情境是_____________现象。(2)图丙中的情境是_____________现象。(3)图丁中的情境是__________现象。光的直线传播光的直线传播光的衍射2．通过一块偏振片观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？提示：通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化。因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了(肉眼对此不能感觉)，但光的强弱没有改变。月亮和黑板反射的光是偏振光，它们通过偏振片透射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化。3．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重要的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极大的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。则激光火箭利用了激光哪些性质？提示：由于激光站与卫星相隔距离远，为了减少能量损失，必须利用激光方向性好、强度大的性质。新知学习(一)|三种常见的衍射[任务驱动]三种衍射图样如图所示：试判断三种衍射的类型。提示：a为单缝衍射，b为圆孔衍射，c为泊松亮斑。

[重点释解]1．单缝衍射(1)现象：如图，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象。(2)单缝衍射图样的四个特点：①中央条纹亮而宽；②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱；③波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大，单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大；④白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。2．圆孔衍射(1)现象：圆孔衍射如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图乙中a所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙中b所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环。(2)圆孔衍射图样的两个特点①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环；越向外，亮环亮度越低。②白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。3．泊松亮斑——障碍物的衍射现象(1)现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，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，如图乙中c所示。(2)障碍物的衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。[典例体验][典例]如图a、b是由单色光分别入射到a圆孔和b圆孔形成的图像，由两图可以得出

(

)A．a图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径B．a图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径C．b图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径D．b图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径[解析]

因为干涉图样为等宽度亮暗相间的条纹，a图是衍射图像，所以B、D错误；衍射发生的条件是缝隙宽度小于光的波长才能有清晰的衍射图像，如果缝隙宽度过大会观察不到衍射图像，光会沿直线传播，根据图像信息可知，b图是光沿直线传播形成的图像，所以a孔直径小于b孔直径，故A正确、C错误。[答案]

A/方法技巧/大孔、小孔、小圆盘的区别(1)大孔光沿直线传播、不形成衍射条纹。(2)小孔形成明显的衍射条纹。(3)小圆盘出现泊松亮斑。[针对训练]1．光可以通过小孔形成清晰的明暗相间的衍射图样，下列四幅图片中属于光的小孔衍射图样的是(图中白色和黑色分别表示明亮和黑暗程度)(

)解析：小孔衍射条纹的特点是圆形条纹，中心圆形亮条纹大且亮，B项符合这个特点。答案：B

2．让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，观察在孔后的屏上将先后出现什么现象？并解释产生该现象的原因？提示：当孔足够大时，由于光沿直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着小孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着小孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长差不多时，出现了明暗相间的衍射条纹，最后随小孔的闭合而全部消失。新知学习(二)|单缝衍射和双缝干涉的对比[重点释解]单缝衍射与双缝干涉的比较名称项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能明显发生频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光波相遇叠加条纹宽度条纹宽度不相等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不相等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点成因都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果意义都是波特有的现象，表明光是一种波图样光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。续表[典例体验][典例]如图所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(

)A．红黄蓝紫 B．红紫蓝黄C．蓝紫红黄 D．蓝黄红紫[答案]

B/方法技巧/区分双缝干涉图样与单缝衍射图样的方法(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的，而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄。(2)根据条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮条纹的亮度变化很小，而单缝衍射条纹的中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗。[拓展]

(多选)对应[典例]的情境，结合其中蓝光产生的干涉图样和黄光产生的衍射图样，下列能使条纹变宽的方法是

(

)A．把蓝光换成紫光B．把双缝干涉仪器中的双缝间距变小C．把黄光换成红光D．把单缝的宽度变小[答案]

BCD[针对训练]1．(多选)下列各选项所示的四种明暗相间的条纹，是红光、紫光分别通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和通过同一个单缝形成的衍射图样。图中黑色部分代表亮条纹，下列四幅图中由红光形成的图样是

(

)答案：AD2．利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是

(

)A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大解析：单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A选项正确。答案：A

新知学习(三)|光的偏振及应用[任务驱动]立体电影放映时通过两台放映机，同步放映两组胶片，观众必须戴上特制的“3D眼镜”观看，就会产生立体感，使观众有身临其境的体验，若不戴上述眼镜，则看到银幕上的画面就会出现重影而模糊不清。请思考戴上“3D眼镜”观看立体电影应用了什么原理？提示：应用了光的偏振现象。

[重点释解]1．偏振片和透光方向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，只有沿着某个特定方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作透光方向(也叫透振方向)。说明：光的偏振现象表明光是横波。2．自然光和偏振光的比较

自然光偏振光成因从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光振动方向在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动在垂直于传播方向的平面内，沿着某个特定的方向振动经偏振片后现象比较如上图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化如上图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗续表[典例体验][典例]

(多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光

(

)A．太阳光B．沿竖直方向振动的光C．沿水平方向振动的光D．沿与竖直方向成45°角的方向振动的光[解析]

偏振片只让沿某一方向振动的光顺利通过，当偏振片的透振方向与光的振动方向的夹角不为90°时，有光透过偏振片，但透射光的强度变弱。太阳光是自然光，光波可沿任何方向振动，所以在P的另一侧能观察到透射光；沿竖直方向振动的光，振动方向与偏振片的透振方向相同，当然也可看到透射光；沿水平方向振动的光，其振动方向与偏振片的透振方向垂直，所以看不到透射光；沿与竖直方向成45°角的方向振动的光，其振动方向与透振方向不垂直，仍可看到透射光。故选项A、B、D正确。[答案]

ABD[针对训练]1．如图所示，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

(

)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：白炽灯发出的光为自然光，通过偏振片P后产生偏振光，旋转P，A处光的强度不变；当P与Q的偏振方向一致时B点光的强度最强；当P与Q的偏振方向垂直时B点光的强度最弱，所以选项C正确。答案：C

2．(多选)如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则

(

)A．图中a处光为偏振光B．图中b处光为偏振光C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮解析：自然光通过偏振片后，透射光是沿着某一特定方向振动的光。电灯直接发出的光为自然光，故A错误；自然光通过A偏振片后即变为偏振光，故B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，因P点无光亮，则B偏振片的透振方向沿水平方向，将B转过180°后P处仍无光亮，若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故C错误，D正确。答案：BD

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——太阳光的衍射1.(选自鲁科版新教材课后练习)如图所示，让太阳光通过窗上的小孔

射进漆黑的室内，并落在光滑的反射面(如玻璃、瓷碗、镀铬器件

或涂有油漆的门窗等)上。这时，你眯着眼并迎着反射方向看去，

不但能看到反射面上的白点(太阳虚像)，同时还能看到在它的两旁出现一排对称的彩带，眼缝越细，这种现象越显著，请分析原因。提示：这是一种光的衍射现象，光通过眼缝时产生衍射现象，不同色光衍射条纹间距不同，因此，可以看到一排对称的彩带，眼缝越细，衍射现象越明显。

科学探究——偏振光的检测2．(选自粤教版新教材“观察与思考”)如图所示，偏振片是一种由特殊的材料制成的元件，它有一个特殊的方向，叫作透振方向。当光的振动方向与透振方向平行时，光能完全通过偏振片；当光的振动方向与透振方向垂直时，光不能通过偏振片；当处于两者之间时，光只能部分通过。(1)让太阳光或灯光通过偏振片，旋转偏振片，从偏振片的另一侧观察到的光有什么变化？(2)