高中物理(新教材)選修1課件1：4 5 4 6 光的衍射 光的偏振 激光 人教版

第4章光5光的衍射6光的偏振激光學(xué)習(xí)目標1.觀察光的衍射現(xiàn)象,認識衍射條紋的特點2.觀察光的偏振現(xiàn)象,知道光是橫波3.知道產(chǎn)生明顯衍射的條件4.知道偏振現(xiàn)象和激光的應(yīng)用一、光的衍射1.衍射現(xiàn)象光通過很窄的縫(很小的孔)時,沒有沿直線傳播,它繞過了縫(孔)的邊緣,傳播到了相當寬的地方。2.單縫衍射條紋的特點一些明暗相間的條紋,中央條紋最寬、最亮,離中央條紋越遠,亮條紋的寬度越窄,亮度越小。3.發(fā)生明顯衍射的條件障礙物(縫、孔)的尺寸與光的波長相當,甚至比光的波長還小。知識梳理二、衍射光柵1.結(jié)構(gòu)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.衍射圖樣的特點與單縫衍射相比,衍射條紋的寬度變窄,亮度增加。三、偏振現(xiàn)象1.偏振現(xiàn)象與偏振方向不同的橫波,即使傳播方向相同,振動方向也可能不同的。這個現(xiàn)象稱為“偏振現(xiàn)象”。橫波的振動方向稱為“偏振方向”。2.光的偏振(1)自然光:太陽以及日光燈、發(fā)光二極管等普通光源發(fā)出的光,包含著在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度都相同。這種光是“自然光”。(2)偏振片:由特定的材料制成的光學(xué)儀器。(3)偏振片的透振方向:每個偏振片都有一個特定的方向,沿著這個方向振動的光波能順利通過偏振片,偏振方向與這個方向垂直的光不能通過,這個方向叫作“透振方向”。(4)偏振光:①通過偏振片的光波,在垂直于傳播方向的平面上,沿著某個特定的方向振動。這種光叫作偏振光。②自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時,反射光和折射光都是偏振光。(5)偏振現(xiàn)象證明光是橫波。四、偏振現(xiàn)象的應(yīng)用在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片,轉(zhuǎn)動濾光片,讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直,就可以減弱反射光的影響。五、激光的特點及其應(yīng)用1.激光:1960年,美國物理學(xué)家梅曼率先在實驗室中制造出了頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的光波,這就是激光。2.激光的特點及應(yīng)用(1)激光具有高度的相干性。(2)激光能像無線電波那樣被調(diào)制,用來傳遞信息。(3)激光的平行度非常好,在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度。激光的這個特點使它可以用來進行精確的測距。(4)激光的亮度很高,可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量,可以用于切割、焊接以及在很硬材料上打孔。使太陽光垂直照射到一塊遮光板上,板上有可以自由收縮的正方形孔,孔的后面放置一個光屏,在正方形孔逐漸變小的過程中,猜一猜光屏上依次可以看到的不同現(xiàn)象。正方形孔較大時看到正方形光斑,孔逐漸減小看到屏上的正方形光斑由大到小,孔再減小看到圓形光斑,孔小到一定程度看到明暗相間的彩色條紋。課堂探究一、三種衍射圖樣的比較1.單縫衍射圖樣的特點(1)中央條紋最亮、越向兩邊越暗;中央條紋最寬,越靠外,條紋間距越窄。(2)縫變窄,通過的光變少,而光分布的范圍更寬,所以亮條紋的亮度降低。(3)中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長及單縫寬度有關(guān)。入射光波長越長,單縫越窄,中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大。(4)用白光做單縫衍射時,中央亮條紋是白色的,兩邊是彩色條紋,中央亮條紋仍然最寬、最亮。1.單縫衍射圖樣的特點(1)中央條紋最亮、越向兩邊越暗;中央條紋最寬,越靠外,條紋間距越窄。(2)縫變窄,通過的光變少,而光分布的范圍更寬,所以亮條紋的亮度降低。(3)中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長及單縫寬度有關(guān)。入射光波長越長,單縫越窄,中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大。(4)用白光做單縫衍射時,中央亮條紋是白色的,兩邊是彩色條紋,中央亮條紋仍然最寬、最亮。2.圓孔衍射(1)圓孔衍射如圖所示,當擋板AB上的圓孔較大時,光屏上出現(xiàn)圖甲所示的情形,無明顯的衍射現(xiàn)象發(fā)生;當擋板AB上的圓孔很小時,光屏上出現(xiàn)圖乙所示的衍射圖樣,為明暗相間的圓環(huán)。甲乙(2)圓孔衍射的圖樣特征①單色光的圓孔衍射圖樣:中央亮圓的亮度大,外面是明暗相間的不等距的圓環(huán)。越向外,圓(亮)環(huán)亮度越低。②白光的圓孔衍射圖樣:中央亮圓為白色,周圍是彩色圓環(huán)。3.圓板衍射(1)各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射,致使影的輪廓的邊緣模糊不清,若在單色光(如激光)傳播途中放一個較小的圓形障礙物,會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個亮斑,這就是著名的泊松亮斑,如圖丙所示。(2)形成泊松亮斑時,圓板陰影的邊緣是模糊的,在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。丙

例1對于單縫衍射現(xiàn)象,下列說法正確的是(

)A.縫的寬度d越小,衍射條紋越亮B.縫的寬度d越小,衍射現(xiàn)象越明顯C.縫的寬度d越小,光的傳播路線越接近直線D.入射光的波長越短,衍射現(xiàn)象越明顯解析

單縫寬度越小,衍射條紋的亮度越小,選項A錯;入射光的波長越長,單縫寬度越小,衍射現(xiàn)象越明顯,選項B對,選項C、D錯。答案

B典例精析規(guī)律方法

對衍射現(xiàn)象的理解(1)衍射現(xiàn)象是否明顯方面:入射光波長越長,障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小,衍射現(xiàn)象越明顯。(2)衍射條紋的亮度方面:小孔和狹縫的尺寸越小,衍射條紋的亮度越小。規(guī)律方法

對衍射現(xiàn)象的理解(1)衍射現(xiàn)象是否明顯方面:入射光波長越長,障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小,衍射現(xiàn)象越明顯。(2)衍射條紋的亮度方面:小孔和狹縫的尺寸越小,衍射條紋的亮度越小。在光的干涉和衍射實驗中均可觀察到明暗相間的條紋,下列三幅圖樣中哪幅為雙縫干涉圖樣,哪幅為單縫衍射圖樣?右圖為雙縫干涉圖樣;左圖為單縫衍射圖樣。課堂探究二、單縫衍射和雙縫干涉的比較單縫衍射與雙縫干涉的比較比較項單縫衍射雙縫干涉不同點產(chǎn)生條件只要狹縫足夠小,任何光都能發(fā)生頻率相同的兩列光波相遇疊加條紋寬度條紋寬度不等,中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不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成因都有明暗相間的條紋,條紋都是光波疊加時加強或削弱的結(jié)果意義都是波特有的現(xiàn)象,表明光是一種波光波的波長越長,干涉條紋、衍射條紋的寬度都變大。

例2關(guān)于光的干涉和衍射現(xiàn)象,下列說法正確的是(

)A.光的干涉現(xiàn)象遵循波的疊加原理,衍射現(xiàn)象不遵循波的疊加原理B.白光的干涉條紋是彩色的,衍射條紋是黑白相間的C.光的干涉現(xiàn)象說明光具有波動性,光的衍射現(xiàn)象不能說明這一點D.光的干涉和衍射現(xiàn)象都是光波疊加的結(jié)果解析

光的干涉現(xiàn)象和光的衍射現(xiàn)象都是波特有的現(xiàn)象,都是光波疊加的結(jié)果,白光的干涉條紋是彩色的,白光的衍射條紋也是彩色的,只是條紋間距特點及亮度特點不同而已。答案

D典例精析規(guī)律方法

區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法(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)的條紋變窄。(2)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分:雙縫干涉條紋,從中央亮紋往兩側(cè)亮度變化很小;而單縫衍射條紋中央亮紋最亮,兩側(cè)的亮紋逐漸變暗。在觀看立體電影時,觀眾要戴上特制的眼鏡,這副眼鏡就是一對透振方向相互垂直的偏振片。如果不戴這副眼鏡,銀幕上的圖像就模糊不清了。這是為什么?立體電影的光是偏振光。因為光是橫波,只有與偏振片透振方向一致的光才能通過。課堂探究三、自然光和偏振光的比較1.偏振片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,只有沿著這個方向振動的光波才能完全通過偏振片,這個方向叫作“透振方向”。偏振片對光波的作用就像狹縫對于機械波的作用一樣。2.自然光和偏振光的比較

比較項自然光偏振光成因從光源(如太陽、電燈等)直接發(fā)出的光自然光通過偏振片后就變成了偏振光,通常情況下的反射光、折射光均為偏振光振動方向在垂直于傳播方向上沿著各個方向振動在垂直于傳播方向的平面內(nèi)只有一個振動方向比較項自然光偏振光經(jīng)偏振片后現(xiàn)象比較

經(jīng)偏振片后現(xiàn)象比較如上圖所示,通過偏振片后,自然光就變成了偏振光,轉(zhuǎn)動偏振片,偏振光的亮度不變,但偏振方向隨之變化如上圖所示,偏振光經(jīng)偏振片后,若偏振方向與透振方向平行,屏亮;若垂直,則屏暗;若介于兩者之間,則屏上亮度介于兩者之間并隨偏振方向與透振方向夾角的增大而變暗例3(多選)如圖所示,電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B,人眼在P處迎著入射光方向,看不到光亮,則(

)A.圖中a光為偏振光B.圖中b光為偏振光C.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后,在P處將看到光亮D.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后,在P處將看到光亮典例精析解析

自然光沿各個方向振動是均勻分布的,通過偏振片后,透射光是只有沿著某一特定方向振動的光。從電燈直接發(fā)出的光為自然光,則選項A錯誤;它通過偏振片A后,即變?yōu)槠窆?則選項B正確;設(shè)通過A的光沿豎直方向振動,則偏振片B只能通過沿水平方向振動的偏振光,則P點無光亮,將B轉(zhuǎn)過180°后,在P處看不到光亮,即選項C錯誤;若將B轉(zhuǎn)過90°,則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^豎直方向振動的光的偏振片,則偏振光能通過B,即在P處可看到光亮,選項D正確。答案

BD規(guī)律方法

對偏振光的理解(1)自然光通過一個偏振片成為偏振光,透射光的偏振方向與偏振片的放置有關(guān),但光的強度與偏振片的方向無關(guān)。(2)偏振光通過偏振片時,透光的強度與偏振方向和偏振片方向的夾角大小有關(guān)。激光切割技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高加工質(zhì)量。現(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的削鐵如泥的“寶劍”,那么,激光切割是利用了激光的什么特點來完成的?課堂探究四、激光及應(yīng)用激光的亮度高,可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量。1.激光的產(chǎn)生激光是實驗室中制造出的光,發(fā)光的方向、頻率、偏振方向均相同,兩列相同激光相遇可以發(fā)生干涉。2.激光的特點(1)激光是人工產(chǎn)生的相干光,其單色性好,相干性好。(2)激光的平行度好。從激光器發(fā)出的激光具有極好的平行性,幾乎是一束方向不變、發(fā)散角很小的平行光。傳播幾千米后,激光斑擴展范圍不過幾厘米,而相同條件下,探照燈的光束能擴展到幾十米范圍。(3)亮度高。激光可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量。例4讓激光照射到VCD機、CD機、DVD機或計算機的光盤上,就可以讀取光盤上記錄的信息,經(jīng)過處理后還原成聲音和圖像,這是利用了激光的(

)A.平行度好,可以會聚到很小的一點上B.相干性好,可以很容易形成干涉圖樣C.亮度高,可以在很短的時間內(nèi)集中很大的能量D.波長短,很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象解析

激光的平行度好,容易會聚成一個很小的光點,讓激光照射到VCD機、CD機、DVD機或計算機的光盤上,傳感器把光盤反射的光轉(zhuǎn)化為電信號進行處理,還原出聲音或圖像,只有選項A正確。答案

A1.觀察單縫衍射現(xiàn)象時,把縫寬由0.2mm逐漸增大到0.8mm,看到的現(xiàn)象是(

)A.衍射條紋的間距逐漸變小,衍射現(xiàn)象逐漸不明顯B.衍射條紋的間距逐漸變大,衍射現(xiàn)象越來越明顯C.衍射條紋的間距不變,只是亮度增強D.以上現(xiàn)象都不會發(fā)生解析

觀察衍射圖樣發(fā)現(xiàn):狹縫的寬度逐漸變小,衍射現(xiàn)象越來越明顯,衍射條紋間距變大。本題是縫寬增大,所以選項A正確。答案

A隨堂演練2.(多選)關(guān)于自然光和偏振光,以下說法正確的是(

)A.自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,但是沿各個方向振動的光波的強度可以不同B.偏振光是垂直于傳播方向上,只沿著某一特定方向振動的光C.自然光透過兩個偏振片后可還原為自然光D.太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光解析

自然光沿各振動方向的光波的強度相同,選項A錯誤;偏振光在垂直于傳播方向上,只沿某一特定方向振動,選項B正確;自然光透過偏振片后成為偏振光,偏振光透過偏振片后不能還原為自然光,選項C錯誤;太陽、電燈等普通光源發(fā)出的是自然光,選項D正確。答案

BD3.(多選)激光的誕生是一件大事,它使得人類獲得了極其理想的、自然界中不存在的光源。下列激光的特性及其應(yīng)用,正確的是(

)A.醫(yī)學(xué)上用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜,是利用激光的相干性B.實驗室里用激光更容易完成雙縫干涉實驗和衍射實驗,是利用激光的相干性C.激光能夠比較精確測量地球到月球的距離,是利用激光的平行度好D.激光束很容易在堅硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高解析

醫(yī)學(xué)上用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜,是利用激光的亮度高,可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量的特點,A錯誤;實驗室里用激光更容易完成雙縫干涉實驗和衍射實驗,是利用激光相干性好的特點,B正確;激光能夠比較精確測量地球到月球的距離,是利用激光的平行度好的特點,C正確;激光束很容易給堅硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高的特點,D正確。答案

BCD4.下列哪種現(xiàn)象不是由于衍射形成的(

)A.通過兩支鉛筆中間的狹縫觀察發(fā)光的日光燈會看到彩色條紋B.光照在不透光的小圓盤上,在其后面陰影中心會出現(xiàn)小亮點C.在白熾燈的照射下從兩塊捏緊的玻璃板表面能看到彩色條紋D.聲音能夠繞過障礙物傳播解析

通過兩支鉛筆中間的狹縫觀察發(fā)光的日光燈會看到彩色條紋屬于光的衍射現(xiàn)象,A不符合題意;光照在不透光的小圓盤上,在其后面陰影中心會出現(xiàn)小亮點屬于光的衍射現(xiàn)象,B不符合題意;在白熾燈的照射下從兩塊捏緊的玻璃板表面能看到彩色條紋屬于薄膜干涉現(xiàn)象,C符合題意;聲音能夠繞過障礙物傳播,屬于聲波的衍射現(xiàn)象,D不符合題意。答案

C備用工具&資料解析

醫(yī)學(xué)上用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜,是利用激光的亮度高,可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量的特點,A錯誤;實驗室里用激光更容易完成雙縫干涉實驗和衍射實驗,是利用激光相干性好的特點,B正確;激光能夠比較精確測量地球到月球的距離,是利用激光的平行度好的特點,C正確;激光束很容易給堅硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高的特點,D正確。答案

BCD解析

自然光沿各振動方向的光波的強度相同,選項A錯誤;偏振光在垂直于傳播方向上,只沿某一特定方向振動,選項B正確;自然光透過偏振片后成為偏振光,偏振光透過偏振片后不能還原為自然光,選項C錯誤;太陽、電燈等普通光源發(fā)出的是自然光,選項D正確。答案

BD