2024-2025学年高中物理第五章光的波动性3光的衍射与偏振教案3教科版选修3-4

PAGE7-光的衍射与偏振【学习目标】1.通过试验视察，相识光的衍射现象，知道光发生明显衍射现象的条件，从而对光的波动性有进一步的相识，知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律；2.通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习，培育学生坚决的自信念、踏实勤奋的学习看法和科学探讨品德；3.相识光的偏振现象，知道光是横波；4.知道偏振光与自然光的区分，能用偏振学问来说明生活中的一些常见光学现象。【学习过程】一．光的衍射【探讨沟通1】通过光的干涉的学习，我们知道光具有波动性。光既然是一种波，那么光在传播过程中也会发生衍射现象。大家有没有见过光的衍射现象呢？为什么平常我们不易视察到光的衍射现象呢？没有。可能是因为光波波长很短(～)，而平常我们遇到的障碍物或孔的尺寸比较大。【视频1】单缝衍射试验在不透亮的屏上装有一个宽度可以调整的单缝，用氦氖激光器照耀单缝，在缝后适当距离处放一光屏，如右图所示。调整单缝宽度演示，得出下列结果。(见教材图5-3-2)试验现象记录：缝宽较宽较窄屏上现象与缝等宽的亮线明暗相间的条纹光波衍射的物理意义(1)进一步证明光具有波动性；(2)光沿直线传播只是一种近似规律。障碍物尺寸比光的波长大得多时，衍射现象不明显，光几乎沿直线传播；障碍物尺寸跟光的波长小或相差不多时，衍射现象明显，光不行看为沿直线传播。【探讨沟通2】视察课件上的衍射图样，分析衍射规律。入射光波长肯定时，狭缝越窄，中心亮条纹越宽，衍射现象越明显；狭缝宽度肯定时，波长越长，中心亮条纹越宽，衍射现象越明显。【留意】白光衍射时，中心是白色亮纹，两边是彩色条纹且外侧呈红色，内侧为紫色。【动手试验】将两支笔紧靠在一起，形成狭缝，狭缝方向与日光灯灯管平行，透过狭缝可以看到白光的衍射现象。【探讨沟通3】红光的单缝衍射图样与红光的双缝干涉图样有什么相同之处和不同之处？相同处：图样都是明暗相间的条纹不同处：衍射图样：中间亮纹最宽最亮，亮条纹的亮度向两边很快减弱，条纹间距不等，向两边渐渐减小；干涉图样：亮条纹的亮度向两边减弱较慢，条纹间距相等。【例1】(单选)如图所示的4种明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和黄光、紫光通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分代表亮纹),那么1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是(B)A.红、黄、蓝、紫 B.红、紫、蓝、黄C.蓝、紫、红、黄 D.蓝、黄、红、紫【解析】由于双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中心亮条纹最宽最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都渐渐减小,因此1、3为双缝干涉条纹,2、4为单缝衍射条纹。又双缝干涉条纹的间距Δx=λ,在l、d都不变的状况下,干涉条纹间距Δx与波长λ成正比,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距比蓝光干涉条纹间距大,即1、3分别对应红光和蓝光。而在单缝衍射中,当单缝宽度肯定时,波长越长,衍射越明显,即中心条纹越宽越亮,黄光波长比紫光波长长,则黄光的中心条纹较宽较亮,故2、4分别对应紫光和黄光。综上所述,1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄,B正确。【视频2】圆孔衍射试验(1)孔径较大时：在光屏上出现：圆形亮斑；(2)孔径较小时：在光屏上出现：中心是大而亮的圆形亮斑，四周分布着明暗相间的同心圆环，且越向外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。(见教材图5-3-2)【留意】只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径渐渐减小的过程中，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)。【例2】让烛光照耀到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)。【解析】当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示，随着三角形缓慢地收缩，光斑渐渐变小；当三角形孔小到肯定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；接着使三角形孔缓慢收缩，可以视察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗．【视频3】不透亮的小圆板衍射图样“泊松亮斑”试验闻名数学家泊松依据物理学家菲涅耳提出的波动理论推算出不透亮的圆板阴影的中心应当是一个亮斑，想借此驳倒菲涅耳的波动理论，菲涅耳与阿拉果接受了泊松的挑战，通过多次试验，发觉圆板中心确有一个亮斑。这样“泊松亮斑”试验就成了光的波动理论的精彩验证。(见教材图5-3-1)(1)中心是亮斑；(2)四周的亮环或暗环间距随半径增大而减小。二．光的偏振质点的振动方向和波传播方向垂直的波叫横波，抖动水平软绳时产生的波就是横波；质点的振动方向和波传播方向在同一条直线上的波叫纵波，水平悬挂的弹簧一端振动时形成的沿弹簧传播的波就是纵波。能否用试验证明绳波是横波？让软绳穿过一块带有狭缝的木板，假如狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧(图甲)；假如狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝拦住而不能向前传播(图乙)。假如将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧。试验结论：横波具有偏振现象通过光的干涉和光的衍射内容的学习，我们知道光具有波动性，那么光波原委是横波还是纵波呢？【观看视频1】偏振片：由高分子薄膜制成的光学器件，它上面有一个特别的方向(透振方向)。只有振动方向与透振方向平行的光能够完全通过偏振片；振动方向与透振方向垂直的光，完全不能通过。试验1：让太阳光或灯光通过偏振片，在的另一侧进行视察透射光的强度。旋转偏振片，视察透射光的强度是否变更。试验现象：可以看到偏振片是透亮的。以光的传播方向为轴旋转偏振片，透射光强度不变；试验2：偏振片的后面再放一个偏振片，视察通过两个偏振片的透射光。什么时候最亮？什么时候最暗？试验现象：当和的透振方向平行时，透射光强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱。当和的透振方向垂直时，透射光强度最弱，几乎为零。试验现象分析：通过第一个偏振片(起偏器)的偏振光再通过其次个偏振片(检偏器)时,假如两个偏振片的透振方向平行,那么,通过第一个偏振光的振动方向跟其次个偏振片的透振方向平行,透射光的强度最大。假如两个偏振片的透振方向垂直,那么,偏振光的振动方向跟其次个偏振片的透振方向垂直,偏振光不能通过其次个偏振片,透射光的强度为零。试验结论：光是横波!自然光：太阳、电灯等一般光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波强度都相同。偏振光：自然光通过偏振片之后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一样的光才能通过．也就是说，通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动。光的偏振现象并不罕见．除了从光源（如太阳、电灯等）干脆发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光．自然光射到两种介质的界面上，假如光入射的方向合适，使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振方向相互垂直．【留意】光波的电场强度矢量E称为光振动。光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E所引起的。偏振现象的应用(1)摄影中的偏振滤光片：在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈设物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清晰。假如在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以消减反射光而使景像清晰。(2)消退汽车大灯产生的眩光：汽车夜间在马路上行驶与对面的车辆相遇时,为了避开双方车灯的眩目,司机都关闭大灯，只开小灯，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么,司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光经对方车反射回来的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，可以保证平安。另外，在阳光足够的白天驾驶汽车，从路面或四周建筑物的玻璃上反射过来的刺眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些剧烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可拦住部分的散射光。(3)观看立体电影:在拍摄时,用两个摄影机(两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛)同时拍下同一物体的两个画像；放映时把两个画像同时映在银幕上,假如设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画像,另一只眼睛看到另一个画像,就可以使观众感到有立体感。为此,在放映时，每个放像机的镜头上放一个偏振片,两个偏振片的偏振方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化向相同，这样，银幕上的两个画面分别同时通过两只眼睛视察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。(4)液晶显示液晶具有旋光性(变更光的振动方向)电极间不加电压：自然光→上偏振片→液晶→下偏振片→反射镜→下偏振片→液晶→上偏振片→出去→看上去液晶是透亮的电极间加电压：液晶旋光性消逝,光线通不过下偏振片,打不到反射镜上,液晶看上去是不透亮的,显示出电极板上的数字笔画假如有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子渐渐变更偏振方向.（液晶的旋光性）假如两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过其次个极板．液晶显示器就是利用这一特性,在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充溢液晶,利用电场限制液晶的转动.不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度．(5)生物的生理机能与偏振光人的眼睛对光的偏振状态是不能辨别的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五只眼：三只复眼、两只单眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能依据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来推断方向，所以蜜蜂可以精确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，假如不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。【例3】(多选)如图所示，是一偏振片，的透振方向(用带有箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中，哪几种照耀时能在的另一侧视察到透射光(ABD)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°角振动的光【例4】(多选)利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。其原理是：偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来