新教材适用2023-2024学年高中物理第四章光及其应用6.光的衍射与偏振7.激光课件教科版选择性必修第一册

6.光的衍射与偏振7.激光第四章内容索引010203自主预习新知导学合作探究释疑解惑随堂练习课标定位素养阐释1.知道光的衍射现象、光的偏振现象;知道明显衍射现象的条件,衍射条纹的特点;知道偏振光和自然光的区别。2.了解日常见到的光多数是偏振光,了解偏振光在生产生活中的一些应用。3.了解激光的特性。举例说明激光技术在生产生活中的应用。1.知道光的衍射现象、光的偏振现象,知道衍射条纹的特点及产生明显衍射现象的条件;知道偏振光和自然光的区别。形成正确的物理观念。2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。通过观察光的偏振实验,了解光的偏振现象,加深对偏振的理解,形成科学思维。3.了解激光的特性和应用,知道激光的科学技术上的应用,培养科学思维。自主预习新知导学一、光的衍射1.光的衍射。光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了直线传播方向,在屏上散开到相当大的范围,这种现象叫作光的衍射。2.衍射图样。(1)定义:衍射时产生的明暗的图样。(2)单缝衍射图样的特点①单色光:中央有一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,亮条纹的强度向两边很快减弱。②白光:中央是一条白色条纹,两边是很快减弱的彩色条纹。二、光的偏振1.偏振片。由特定的材料制成,每个偏振片都有一个特殊的方向,叫作“透光方向”,只有振动方向与透光方向平行的成分才能通过偏振片。2.自然光和线偏振光。(1)线偏振光:如果光振动的方向限在一个平面,这种光叫线偏振光。(2)自然光:通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的,称为自然光。(3)光的偏振现象表明光是一种横波。3.纵波有偏振现象吗?答案:没有。偏振现象是横波特有的现象,纵波没有偏振现象。三、激光1.激光的特性。(1)强度大:激光的强度可达1017W/cm2。(2)方向性好:光束方向性的好坏,是由光束的发散角的大小来量度的。激光光束的发散角在10-3rad数量级。(3)单色性好。(4)相干性好:一束激光中所有光子的频率是相同的,振动情况也完全相同,所以激光是最好的相干光。(5)覆盖波段而且可调谐。2.激光的应用。(1)激光加工。(2)激光全息照相。(3)激光检测。(4)激光通信。(5)激光医学。(6)激光照排。(7)激光的其他一些新技术、新应用。①人类第一次实际探测到引力波。②中国首次发现激光驱动流体新技术。【思考讨论】

1.判断下列说法的正误。(1)光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论。(

)(2)衍射条纹图样是光波相互叠加的结果。(

)(3)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹。(

)(4)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。(

)(5)自然界不存在偏振光,自然光只有通过偏振片才能变为偏振光。(

)(6)激光是自然界普遍存在的一种光。(

)(7)激光是一种人工产生的相干光。(

)√×××××√2.(多选)激光火箭的体积小,却可以装载更大、更重的卫星或飞船,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,以极高的速度喷出,产生巨大的推力,把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(

)A.单色性好 B.平行度好C.高能量 D.相干性好答案:BC解析:由于激光站与火箭相距较远,为了减少能量损失,必须要求激光具有很好的平行度,同时利用激光的高能量特点。3.在一次观察光的衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹),那么障碍物应是(

)A.很小的不透明的圆板B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C.很大的不透明的圆板D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板答案:D解析:由题图可知中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越向外,圆形条纹宽度越小,可判断此图样为圆孔衍射图样,故选项D正确;很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点,但其周围有一个大的阴影区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆环,它与圆孔衍射的图样是不同的。4.(多选)如图所示,一束自然光通过起偏振器照射到光屏上,则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透射方向)(

)答案:ABD解析:自然光通过起偏振器后成为偏振光,当偏振光的振动方向与起偏振器的透振方向平行时能够通过,垂直时不能通过,所以A、B、D正确,C错误。合作探究释疑解惑知识点一光的衍射的理解问题引领(1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上,逐渐减小两个卡脚之间的距离,使缝越来越小,观察照在屏幕上光斑的变化。缝宽大约多大时屏幕上出现条纹?缝间距变小时,条纹有什么变化?(2)用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔,用眼睛通过小孔观察太阳光,会观察到什么现象?提示:(1)大约0.4

mm时会出现条纹,当缝间距变小时,屏幕上条纹间距逐渐变宽,但亮度逐渐减弱。(2)会观察到中央为亮圆,周围为彩色的圆环。归纳提升1.单缝衍射图样的特点(1)中央条纹最亮、越向两边越暗,条纹间距不等。中央条纹最宽,越靠外,条纹间距越窄。(2)缝变窄,通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮条纹的亮度降低。(3)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越长,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。(4)用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,两边是彩色条纹,中央亮条纹仍然最宽最亮。2.圆孔衍射(1)圆孔衍射如图(a)所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图(b)所示的情形,无明显的衍射现象发生;当挡板AB上的圆孔很小时,光屏上出现图(c)所示的衍射图样,出现明暗相间的圆环。(a)(b)(c)(2)圆孔衍射的图样特征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,圆(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.圆板衍射(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,致使影的轮廓的边缘模糊不清,若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,如图(d)所示。(2)形成泊松亮斑时,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。(d)只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。典型例题【例题1】

(多选)在单缝衍射实验中,下列说法正确的是(

)A.将入射光由黄光换成绿光,衍射条纹间距变窄B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽答案:ACD解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大,A、C正确;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大,B错误;光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽,D正确。(1)衍射现象是否明显方面:入射光波长越长,障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显。(2)衍射条纹的亮度方面:小孔和狭缝的尺寸越小,衍射条纹的亮度越小。【变式训练1】

观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2mm逐渐增大到0.8mm,看到的现象是(

)A.衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显B.衍射条纹的间距逐渐变大,衍射现象越来越明显C.衍射条纹的间距不变,只是亮度增强D.以上现象都不会发生答案:A解析:由单缝衍射实验的调整与观察可知,狭缝宽度越小,衍射现象越明显,衍射条纹越宽,条纹间距也越大,本题是将缝调宽,现象向相反的方向变化,故选项A正确,B、C、D错误。【变式训练2】

如图,(a)、(b)两图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.图(a)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径B.图(a)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径C.图(b)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径D.图(b)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径答案:A解析:由题图可知,图(a)为明暗相间、间隔不均匀的衍射图像,而图(b)是光的直线传播形成的图样;单色光通过小孔发生了衍射,小孔越小,衍射越显著。由题图知,图(a)衍射显著,所对应的小孔直径小,故A正确,B、C、D错误。知识点二单缝衍射和双缝干涉的比较问题引领在光的干涉实验中,若挡住双缝其中的一个缝,而让光通过另一个狭缝,屏上是否还能出现条纹?单缝由宽变窄,观察到的条纹发生怎样的变化?换用圆孔做实验,观察到的实验现象是什么?提示:仍然能观察到条纹,但不是等间距的。单缝变窄时,观察到中央亮条纹的宽度变大,两侧条纹更加明显。用圆孔做实验,在屏上观察到中央为亮圆,周围为明暗相间的圆环。归纳提升项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多频率、振动方向相同,相位差恒定的两列光波相遇叠加不同点条纹宽度条纹宽度不等,中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等,越靠外条纹间距越小各相邻条纹等间距亮度中间条纹最亮,两边变暗清晰条纹,亮度基本相等相同点成因干涉、衍射都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果意义干涉、衍射都是波特有的现象,表明光是一种波(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增大,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)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。典型例题【例题2】

如图所示的四幅明暗相间的条纹,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)。则在下面的四幅图中从左到右排列,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解析:双缝干涉条纹平行等距,且波长越大,条纹间距越大,而红光波长大于蓝光波长,故第一幅图为红光,第三幅图为蓝光;又由于黄光波长比紫光波长大,故第四幅图为黄光的衍射图样,第二幅图为紫光的衍射图样。衍射和干涉图样的认识宽度上:双缝干涉的条纹是等宽等间距的,而单缝衍射的条纹是中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄。亮度上:双缝干涉条纹从中央往两侧亮度变化很小;而单缝衍射的中央条纹最亮,两侧逐渐变暗。【变式训练3】

(多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图。先做操作1:用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ;接着再做操作2:用不透明的挡板挡住b缝。若两块滤光片一块是红色,一块是蓝色,则(

)(a)(b)(c)A.完成操作1后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是红色条纹,乙是蓝色条纹B.完成操作1后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是蓝色条纹,丁是红色条纹C.完成操作2后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是蓝色条纹,乙是红色条纹D.完成操作2后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是红色条纹,丁是蓝色条纹答案:AD解析:题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹,是干涉图样,再根据条纹宽度的有关因素分析即可。题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹,是衍射条纹,再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可。操作1是双缝干涉实验,故条纹间距相等,光屏上出现题图(b)图案,由图案知甲的波长大于乙的波长,故甲为红色条纹,乙为蓝色条纹,A正确;操作2是单缝衍射,条纹间距不相等,光屏上为题图(c)图案,再结合波长关系可知D正确。知识点三光的偏振问题引领如图所示,取一个偏振片P,让阳光通过偏振片P,在P的另一侧观察,可以看到偏振片是透明的;在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片Q,会看到什么现象?这说明什么?提示:会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。偏振片的作用类似于狭缝的作用,只有振动方向与透振方向一致的光才能通过。当偏振片Q与P的透振方向平行时,穿过Q的光最强;当Q与P的透振方向垂直时,光不能透过Q。归纳提升1.振动方向比较自然光在垂直于光的传播方向的平面内,沿所有方向振动;偏振光在垂直于光的传播方向的平面内,沿某一特定的方向振动。2.经过偏振片时现象比较如图(a),自然光通过偏振片后变成偏振光,后面的屏是明亮的,转动偏振片时,偏振光的振动方向随之变化,但屏上亮度不变。(a)如图(b)甲、乙,偏振光经过偏振片时,若光的振动方向与偏振片的透光方向平行,屏是亮的;若光的振动方向与偏振片的透光方向垂直,屏是暗的;若既不平行也不垂直,屏的亮度介于两者之间,随着振动方向与透光方向的夹角变大,亮度逐渐变暗。(b)3.自然光、偏振光产生方式的比较太阳、电灯等直接发出的光是自然光;自然光经偏振片后都是偏振光,自然光射到两种介质的交界面上,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直。(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射和折射光线,尤其是二者互相垂直时,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直。(2)只有横波才能发生偏振现象,光是横波。典型例题【例题3】

(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光为偏振光B.图中b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处将看到光亮答案:BD解析:自然光沿各个方向发散是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只有沿着某一特定方向振动的光。从电灯直接发出的光为自然光,则A错误;它通过A偏振片后,即变为偏振光,则B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P处无光亮,将B转过180°后,P处仍无光亮,即C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确。本题考查自然光和偏振光的特征,以及偏振光的获得方法。开始时P处看不到光亮,是由于A、B两偏振片的偏振方向垂直,将A或B转过90°均可在P处看到光亮,其实在A或B转动过程中,P处都有光亮,只是当A或B转过90°时,P处光亮最大而已。本题易错之处主要表现在:其一是对自然光和偏振光的特征不熟悉;其二是对偏振片的作用不清楚。【变式训练4】

关于光的偏振现象,下列说法正确的是(

)A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同B.自然光在水面反射时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光C.光的偏振现象说明光是一种纵波D.照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用

答案:B解析:自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动,且各个方向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向上沿某个方向振动的光波强度最大,选项A错误;自然光在水面反射时,反射光和折射光的振动方向不同,但都是一定程度的偏振光,选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误;照相机的增透膜,使得光线因反射发生干涉现象从而增大透光性,属于光的薄膜干涉的应用,选项D错误。知识点四激光的特点及应用问题引领激光作为一种人造光源,在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,如激光干涉仪、激光切割机等,激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性?提示:相干性强、平行度好、亮度高。

归纳提升激光特性激光应用单色性好、相干性好在各种干涉仪中作为相干光源,用于长度、频率、转角等物理量的精密计量,并用来记录和再现全息照相等方向性好、平行度好记录和读取各种光盘上的信息等亮度高、能量大切割、焊接各种材料,医学上可用激光刀切开皮肤、切除肿瘤等典型例题【例题4】

关于激光的应用问题,下列说法正确的是(

)A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中传递信息B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点答案:C解析:由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性,A错误;计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好,B错误;医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点,C正确;激光测距利用的是激光的平行度好的特点,D错误。【变式训练5】

让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音或图像,这是利用激光的(

)A.平行度好,可以会聚到很小的一点上B.相干性好,可以很容易形成干涉图样C.亮度高,可以在很短时间内集中很大的能量D.波长长,很容易发生明显的衍射现象答案:A解析:激光的特点之一是平行度好,它可以会聚到一个很小的点上