第4章 第6节　光的衍射和偏振 第7节　激光-高中物理 选择性必修第1册(配粤教版)

第六节光的衍射和偏振第七节激光[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道光的衍射现象，明确产生明显衍射现象的条件物理观念知道光的偏振现象和激光科学方法知道光的衍射条纹与干涉条纹的区别科学态度与责任了解偏振光和激光的应用知识点一光的衍射1．定义光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，会偏离原有直线传播的途径而绕到障碍物后面的现象．2．常见的衍射现象(1)狭缝衍射现象．(2)圆孔衍射现象．3．光的明显衍射的条件当障碍物或孔的尺寸与光的波长相当，甚至小于光的波长时，衍射现象将十分明显．知识点二光的偏振1．偏振片是一种由特殊材料制成的元件，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．2．只有横波才具有偏振性，光的偏振现象验证了光是横波．3．偏振现象在生活中的应用：(1)保护眼睛的偏振光眼镜．(2)摄影爱好者常备的偏振滤光片．知识点三激光1．激光的特性(1)单色性好．(2)相干性好．(3)平行度好．(4)亮度高．2．激光的应用(1)光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体．(2)激光在雷达上用于测量距离和跟踪目标．(3)工业上的激光切割、激光焊接技术，医学上切割肿瘤的“光刀”等．(4)全息照相．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．(1)衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的． (×)(2)所有光都能发生衍射现象． (√)(3)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好． (√)(4)光的偏振现象说明光是横波． (√)2．(多选)关于衍射，下列说法正确的是()A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在衍射现象C．一切波都很容易发生明显的衍射现象D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实AB[衍射花纹图样是光波相互叠加的结果，故A正确；双缝干涉中缝的宽度与波长差不多，光通过逢时，也发生了衍身现象，故B正确；衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射，但只有波长大于或相当于障碍物或小孔的尺寸时，才能发生明显的衍射，故C错误；当波长比障物或孔的宽度小得多时，不能发生明显的衍物，这是表现出直线传播的特征，出现了影，影的存在与衍射现象并不是相互矛盾的，故D错误．]3．(多选)一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)()ABD[自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向平行时能够通过，否则不能通过，所以A、B、D正确．]考点1光的衍射取3块不透光的板，在每块板的中间各开1个圆孔，3块板所开的圆孔大小不一．先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑图a；再换上圆孔中等的那块板，在屏上会出现图b；最后用圆孔最小(直径约为1mm)的那块板，在屏上会出现图c．(1)屏上图b产生了什么现象？(2)比较屏上图b和图c，说明了什么？提示：(1)衍射现象．(2)孔越小，衍射现象越明显．1．单缝衍射图样(1)中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小，中央条纹最宽，两边条纹宽度变窄．(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，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．(4)用白光做单缝衍射实验时，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．圆孔衍射图样(1)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，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小，如图所示．(2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．(3)用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．(4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．(5)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，光屏上依次得到几种不同的现象——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)．3．不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)(1)中央是亮斑．(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．(3)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小．【典例1】对于单缝衍射现象，下列说法正确的是()A．缝的宽度d越小，衍射条纹越亮B．缝的宽度d越小，衍射现象越明显C．缝宽度d越小，光传播路线越接近直线D．入射光的波长越短，衍射现象越明显B[单缝衍射现象中，波长越长越容易衍射，中央亮纹越宽，所以d减小，相对波长变长，因此衍射现象越明显．缝宽度d越小，越体现光子的随机性，衍射越明显，入射光的波长越长，衍射现象越明显，所以答案为B．][跟进训练]1．(多选)在观察光的衍射实验中，分别观察到如图甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹．那么障碍物应是()甲乙A．甲图对应的障碍物应是小圆孔B．甲图对应的障碍物是小圆板C．乙图对应的障碍物应是小圆板D．乙图对应的障碍物是小圆孔AC[比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑．故A、C正确，B、D错误．]考点2单缝衍射、双缝干涉的比较如图甲是光的干涉图样，如图乙是光的衍射图样，在条纹宽度和条纹间距方面有什么不同？提示：甲图条纹宽度相等，乙图不等．甲图条纹间距等距，乙图不等．单缝衍射与双缝干涉的比较名称单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生频率相同的两列光波相遇叠加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【典例2】如图所示的4种明暗相间的条纹，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(黑色部分表示亮纹)．则在下面的四个图中从左往右排列，哪个图是黄光形成的条纹()ABCDD[双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故A、C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；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越长，中央亮条纹越粗，故B、D是衍射图样，紫光波长较短，则中央亮条纹较细，故B是紫光的衍射条纹，D是黄光的衍射条纹．故选D．]区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法(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，而两侧的亮条纹逐渐变窄．(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，而两侧的亮纹逐渐变暗．考点3激光激光作为一种人造光源在科研、通讯、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、激光炮等．激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？激光干涉仪激光切割机激光炮提示：激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点．激光的特性及应用特点(与普通光相比)特点内容应用单色性好相干性好频率单一，相位差恒定，易发生干涉现象，可像无线电波一样调制激光全息照相、光纤通信、光的干涉方向性好激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行光，可以会聚到很小的点上测距和跟踪目标、CD唱片、计算机光盘亮度高激光能在很小的空间、很短的时间内集中很大的能量“光刀”、激发核反应【典例3】关于激光的应用，下列说法正确的是()A．全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息D．利用激光亮度高，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜D[全息照片拍摄是利用了激光的频率单一，相干性好，能够产生明显的干涉，故A错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故B错误；利用激光相干性好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故C错误；利用激光光强度大、能量集中，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确．][跟进训练]2．激光可以用来进行精确的测距，激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置，它是利用了激光的什么特点()A．激光具有高度的相干性B．激光的平行度非常好C．激光的亮度高D．激光的单色性好B[“激光测距雷达”利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度好，方向性好．故B正确．]考点4光的偏振如图所示是立体电影中的图片．为什么立体电影会产生如此神奇的效果？提示：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片．1．偏振现象对于横波通过狭缝的情况，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能无阻碍地通过狭缝，而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时，横波不能通过狭缝，说明偏振是横波特有的现象．2．自然光与偏振光的区别种类自然光(非偏振光)偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光通过起偏器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与起偏器透振方向一致)【典例4】(多选)在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图所示，则下列说法正确的是()A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱[思路点拨]该题可按如下思路分析：太阳光是自然光振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．BD[P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P的透振方向一致，所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时通过Q的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱．]关于“偏振”的几个注意事项(1)偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．(2)偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝．(3)光的偏振现象说明光是一种横波．(4)自然光透过偏振片可以变成偏振光．(5)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．[跟进训练]3．关于自然光和偏振光，下列观点正确的是()A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光D．自然光和偏振光都能使感光底片感光D[振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光，所以B错；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D对．]1．物理观念：光的衍射、光的偏振、激光．2．科学思维：光明显衍射的条件．3．科学方法：比较光的衍射和光的干涉．4．科学态度与责任：全息照相．1．对衍射现象的定性分析，不正确的是()A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论D[衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误．]2．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．衍射条纹的间距不变，只是亮度减弱A[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．将缝调宽，现象向相反方向变化，故选项A正确．]3．2016年，科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，下列说法中正确的是()A．激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光B．激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉C．用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环D．激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息D[激光是人造光，也是偏振光，故A