第5、6節(jié) 光的衍射 光的偏振 激光

第5、6節(jié)光的衍射

光的偏振

激光物理觀念(1)認(rèn)識光的衍射、衍射條紋的特點(diǎn)。(2)認(rèn)識光的偏振的特點(diǎn)。(3)掌握激光的特點(diǎn)和各種應(yīng)用。科學(xué)探究(1)探究光發(fā)生明顯衍射的條件。(2)觀察光的偏振現(xiàn)象?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任認(rèn)識光學(xué)知識在現(xiàn)代生活和科技等方面的應(yīng)用。一、光的衍射1．填一填(1)實(shí)驗(yàn)觀察：在擋板上安裝一個

可調(diào)的狹縫，縫后放一個光屏，用單色平行光照射狹縫。(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

①縫比較寬時，在屏上產(chǎn)生一條與縫寬相當(dāng)?shù)?/p>

條紋。

②縫調(diào)到很窄時，亮條紋亮度

，但寬度

，而且還出現(xiàn)了

_________

的條紋，中央亮條紋較寬。

③用白光做實(shí)驗(yàn)，得到的條紋是

的，但中央條紋是白色的。寬度亮降低增大明暗相間彩色(3)明顯衍射的條件：

障礙物或狹縫的尺寸_______的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時就不能說光沿直線傳播了。(4)衍射光柵

①衍射光柵：由許多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學(xué)元件。

②衍射圖樣特點(diǎn)：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度

，亮度

。

③分類：

光柵和反射光柵。2．判一判(1)單縫衍射圖樣中，中央條紋最寬最亮。

()(2)入射光的波長越短，衍射現(xiàn)象越明顯。

()(3)用兩支圓柱形鉛筆并在一起，形成一個狹縫，使狹縫平行于日光燈，會看到彩色的衍射條紋。

()足夠小變窄增加透射√×√二、光的偏振1．填一填(1)偏振

①橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向

，具有偏振現(xiàn)象，質(zhì)點(diǎn)振動方向稱為

方向。

②縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向在

上，沒有偏振現(xiàn)象。(2)光的偏振

①研究表明：光是一種

。②偏振片：由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，這個方向叫作“透振方向”。光的振動方向與這個透振方向

時能順利通過偏振片，

_____時不能通過偏振片。垂直偏振同一直線橫波平行垂直③自然光：垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強(qiáng)度都

。④偏振光：自然光透過某一偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，沿著某一特定方向振動的光。(3)偏振現(xiàn)象的應(yīng)用照相機(jī)鏡頭前裝一片偏振濾光片，轉(zhuǎn)動濾光片，讓它的透振方向與水面和玻璃表面的反射光的偏振方向

，就可以減弱反射光進(jìn)入鏡頭。相同垂直2．判一判(1)橫波和縱波都有偏振現(xiàn)象。

()(2)自然光通過偏振片可以得到偏振光。

()(3)只要光的偏振方向與偏振片的透振方向不垂直，就有光通過偏振片。

()3．想一想自然光和偏振光有什么不同？

提示：自然光沿各個方向振動的光波的強(qiáng)度都相同，而偏振光只在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個特定的方向振動?！痢獭倘?、激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用1．填一填(1)普通光源發(fā)出的自然光是許多頻率、相位、偏振以及傳播方向各不相同的光的雜亂無章的混合。(2)激光：

相同、

恒定、振動方向一致的光波。(3)激光的三個特點(diǎn)

①相干性好，頻率單一：可以做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和衍射實(shí)驗(yàn)，可被調(diào)制，用來傳遞信息。

②平行度非常好：傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度?？捎糜诩す鉁y距。頻率相位差③亮度很高：可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量。可用于切割、焊接、打孔等，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”切除腫瘤，也可“焊接”剝落的視網(wǎng)膜。2．判一判(1)激光頻率單一，可以進(jìn)行光纖通信。

()(2)激光可以切割、焊接，是因?yàn)榧す獾牧炼雀撸芰看蟆?/p>

()(3)激光可以在醫(yī)學(xué)上被用作“光刀”，是因?yàn)榧す獾钠叫卸群芎谩?/p>

()3．想一想利用激光測量地球到月球的距離，應(yīng)用了激光哪方面的性質(zhì)？提示：應(yīng)用了“平行度”非常好的性質(zhì)?！痢獭烫骄?一)三種常見的衍射[問題驅(qū)動]：取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一。先用點(diǎn)光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現(xiàn)一個明亮的圓形光斑圖a；再換上圓孔中等的那塊板，在屏上會出現(xiàn)圖b；最后用圓孔最小(直徑約為1mm)的那塊板，在屏上會出現(xiàn)圖c。(1)屏上圖b產(chǎn)生了什么現(xiàn)象？(2)圖b和c屏上的條紋有什么區(qū)別？提示：(1)發(fā)生了明顯的衍射現(xiàn)象。(2)c屏上的條紋比b屏上條紋更清晰，但亮度減小。

[重難釋解]1．光的衍射現(xiàn)象和光的直線傳播的關(guān)系光的直線傳播只是一個近似的規(guī)律，當(dāng)光的波長比障礙物或小孔尺寸小得多時，光可以看成沿直線傳播；在小孔或障礙物尺寸跟波長相當(dāng)，甚至比波長還要小時，衍射現(xiàn)象就十分明顯。2．三種衍射圖樣的比較三種衍射圖樣如圖所示：

在一次觀察光衍射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖所示的清晰的明暗相間圖樣(黑線為暗紋)，那么障礙物應(yīng)是

(

)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]

由題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，圓環(huán)形亮條紋寬度越窄，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，故D選項(xiàng)正確；有的同學(xué)誤選為A，要注意很小的不透明的圓板產(chǎn)生的圖樣中心也是亮點(diǎn)，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大孔、小孔、小圓盤的區(qū)別(1)大孔光沿直線傳播、不形成衍射條紋。(2)小孔形成明顯的衍射條紋。(3)小圓盤出現(xiàn)泊松亮斑。[針對訓(xùn)練]1．光可以通過小孔形成清晰的明暗相間的衍射圖樣，下列四幅圖片中屬于光的小孔衍射圖樣的是(圖中白色和黑色分別表示明亮和黑暗程度) (

)

解析：小孔衍射條紋的特點(diǎn)是圓形條紋，中心圓形亮條紋大且亮，B項(xiàng)符合這個特點(diǎn)。

答案：B

2．用單色光通過小圓盤和小圓孔做衍射實(shí)驗(yàn)時，在光屏上得到衍射圖形，它們的特征是

(

)A．中央均為亮點(diǎn)的同心圓形條紋B．中央均為暗點(diǎn)的同心圓形條紋C．用小圓盤時中央是暗的，用小圓孔時中央是亮的D．用小圓盤時中央是亮的，用小圓孔時中央是暗的解析：圓孔衍射實(shí)驗(yàn)圖樣與單色光通過小圓盤得到的泊松亮斑，它們中央均為亮點(diǎn)的同心圓形條紋。故A正確，B、C、D錯誤。答案：A

3．讓太陽光垂直照射一塊遮光板，板上有一個可以自由收縮的三角形孔，當(dāng)此三角形孔緩慢縮小直至完全閉合時，在孔后的屏上將先后出現(xiàn)

(

)A．由大變小的三角形光斑，直至光斑消失B．由大變小的三角形光斑，明暗相間的彩色條紋，直至條紋消失C．由大變小的三角形光斑，明暗相間的黑白色條紋，直至條紋消失D．由大變小的三角形光斑，小圓形的光斑，明暗相間的彩色條紋，直至條紋消失解析：當(dāng)孔足夠大時，由于光的直線傳播，所以屏上首先出現(xiàn)的是三角形光斑，之后隨著小孔的繼續(xù)縮小，出現(xiàn)小孔成像，成的是太陽的像，故為小圓形光斑，隨著小孔的進(jìn)一步縮小，當(dāng)尺寸與光波波長相當(dāng)時，出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，最后隨小孔的閉合而全部消失，所以只有D是正確的。答案：D

探究(二)單縫衍射和雙縫干涉的對比[重難釋解]單縫衍射與雙縫干涉的比較

名稱項(xiàng)目單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)產(chǎn)生條件只要狹縫足夠小，任何光都能明顯發(fā)生頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列光波相遇疊加條紋寬度條紋寬度不相等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不相等各相鄰條紋等間距亮度中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相等相同點(diǎn)成因都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時加強(qiáng)或削弱的結(jié)果意義都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波圖樣光波的波長增大，衍射條紋、干涉條紋的寬度都變大。復(fù)色光的衍射或干涉圖樣，可認(rèn)為各單色光單獨(dú)衍射或干涉所成圖樣的疊加。

如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍(lán)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(黑色部分表示亮條紋)。在下面的4幅圖中從左往右排列，亮條紋的顏色依次是(

)A．紅黃藍(lán)紫 B．紅紫藍(lán)黃C．藍(lán)紫紅黃

D．藍(lán)黃紅紫[答案]

B區(qū)分雙縫干涉圖樣與單縫衍射圖樣的方法(1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的，而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，兩側(cè)的亮條紋逐漸變窄。(2)根據(jù)條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側(cè)亮條紋的亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮條紋最亮，兩側(cè)的亮條紋逐漸變暗。[針對訓(xùn)練]1．在光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)中可觀察到清晰的亮暗相間的圖樣，圖中屬于光的單縫衍射圖樣的是

(

)A．a(chǎn)、c B．b、cC．a(chǎn)、d D．b、d解析：a圖中是等間距的光的干涉圖樣，b圖是單色光的單縫衍射圖樣，c圖是水波的衍射圖樣，d圖是白光的單縫衍射圖樣，可見D正確。答案：D

2．利用圖1所示的裝置(示意圖)，觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到如圖2中甲和乙兩種圖樣。下列關(guān)于P處放置的光學(xué)元件說法正確的是

(

)A．甲對應(yīng)單縫，乙對應(yīng)雙縫B．甲對應(yīng)雙縫，乙對應(yīng)單縫C．都是單縫，甲對應(yīng)的縫寬較大D．都是雙縫，甲對應(yīng)的雙縫間距較大解析：單縫衍射圖樣的中央條紋亮且寬，相鄰條紋間距不等；雙縫干涉圖樣中相鄰條紋間距相等。根據(jù)題目中給出的甲、乙兩種圖樣可知，甲是單縫衍射的圖樣，乙是雙縫干涉的圖樣，A選項(xiàng)正確。答案：A

探究(三)光的偏振及應(yīng)用[問題驅(qū)動]立體電影能夠產(chǎn)生三維立體效果，使觀眾有身臨其境的感覺，為什么立體電影會產(chǎn)生如此神奇的效果？提示：在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，這副眼鏡就是一對透振方向相互垂直的偏振片。

[重難釋解]1．偏振片和透振方向偏振片由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿著某個特定方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個方向叫作“透振方向”。說明：光的偏振現(xiàn)象表明光是橫波2．自然光與偏振光的比較

自然光(非偏振光)偏振光不同點(diǎn)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或由某種介質(zhì)反射或折射的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光波的強(qiáng)度都相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿某個特定方向(與起偏器透振方向一致)相同點(diǎn)不管是自然光還是偏振光，傳播方向與振動方向一定垂直

如圖所示，白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q，A點(diǎn)位于P、Q之間，B點(diǎn)位于Q右側(cè)。旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點(diǎn)光的強(qiáng)度變化情況是

(

)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]

白熾燈發(fā)出的光為自然光，通過偏振片P后產(chǎn)生偏振光，旋轉(zhuǎn)P，A處光的強(qiáng)度不變；當(dāng)P與Q的偏振方向一致時B點(diǎn)光的強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)P與Q的偏振方向垂直時B點(diǎn)光的強(qiáng)度最弱，所以選項(xiàng)C正確。[答案]

C[針對訓(xùn)練]1．在拍攝日落時水面下的景物時，應(yīng)在照相機(jī)鏡頭前裝一個偏振片，其目的是(

)A．減弱反射光，從而使景物的像清晰B．增強(qiáng)反射光，從而使景物的像清晰C．增強(qiáng)透射光，從而使景物的像清晰D．減弱透射光，從而使景物的像清晰解析：由于反射光的干擾，景物的像常常比較模糊，裝上偏振片的目的是減弱反射光，其透振方向與反射光的振動方向垂直，不能增強(qiáng)透射光。答案：A

2．(多選)如圖，P是一偏振片，P的透振方向(用帶箭頭的實(shí)線表示)為豎直方向。下列四種入射光束中哪種照射P時能在P的另一側(cè)觀察到透射光

(

)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：光是橫波，振動方向與傳播方向垂直，振動方向垂直于偏振片的光不能通過偏振片，沿其他方向振動的光可以全部或部分通過偏振片，故選A、B、D。答案：ABD

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材課后練習(xí))將兩個緊靠在一起的偏振片放在一盞燈的前面，此時沒有光通過。如果將其中的一個偏振片逐漸旋轉(zhuǎn)180°，在旋轉(zhuǎn)過程中，透過偏振片的光

(

)A．先增強(qiáng)，然后又減弱到零B．先增強(qiáng)，然后