【同步學練】高中物理人教版(2019)選擇性必修1：第4章5.光的衍射6.光的偏振激光學案(教師版)

5．光的衍射6．光的偏振激光1．了解光的衍射現(xiàn)象、偏振現(xiàn)象，知道激光的特性。2．知道自然光和偏振光的區(qū)別。3．借助實例分析推理知道光是橫波。4．通過觀察得出光明顯衍射的條件。5．經(jīng)歷光的偏振實驗的過程，體會偏振光的特性。6．通過生活中實例觀察，引導學生體會物理之美，培養(yǎng)學習興趣。光的衍射與衍射光柵1．光的衍射(1)用單色平行光照射狹縫，當縫很窄時，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。(2)各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋。(3)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：在障礙物的尺寸跟光的波長相當，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯。一般情況下，障礙物的尺寸比光的波長大得多，衍射現(xiàn)象不明顯，故可近似認為光沿直線傳播。2．衍射光柵(1)結(jié)構(gòu)：由許多等寬的狹縫等距離排列起來形成的光學元件。(2)衍射圖樣特點：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加。取三塊不透光的板，在每塊板的中間各開一個圓孔，三塊板所開的圓孔大小不一。先用點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圖b中的屏上產(chǎn)生了什么現(xiàn)象？②比較屏上圖b和圖c說明了什么？提示：(1)①衍射。②孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯。(2)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。1．產(chǎn)生明顯衍射的條件障礙物的尺寸可以跟光的波長相近或比光的波長還要小時能產(chǎn)生明顯的衍射。對同樣的障礙物，波長越長的光，衍射現(xiàn)象越明顯；對某種波長的光，障礙物越小，衍射現(xiàn)象越明顯。由于波長越長，衍射性越好，所以觀察到聲波的衍射現(xiàn)象就比觀察到光波的衍射現(xiàn)象容易得多。2．三種不同的衍射現(xiàn)象及特點(1)單縫衍射。①現(xiàn)象：如圖所示，點光源S發(fā)出的光經(jīng)過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區(qū)域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳播而是傳到幾何陰影區(qū)，在AA′、BB′區(qū)出現(xiàn)亮暗相間的條紋，即發(fā)生了衍射現(xiàn)象。②單縫衍射圖樣的四個特點：a．中央條紋亮而寬。b．兩側(cè)亮條紋具有對稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱。c．波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大，單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大。d．白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近白色亮條紋的內(nèi)側(cè)為紫色。(2)圓孔衍射。①現(xiàn)象：圓孔衍射如圖甲所示，當擋板AB上的圓孔較大時，光屏上出現(xiàn)如圖乙(a)中所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現(xiàn)象發(fā)生；當擋板AB上的圓孔很小時，光屏上出現(xiàn)如圖乙(b)中所示的衍射圖樣，出現(xiàn)亮、暗相間的圓環(huán)。②圓孔衍射圖樣的兩個特點：a．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，亮環(huán)亮度越低。b．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)泊松亮斑——障礙物的衍射現(xiàn)象。①現(xiàn)象：各種不同形狀的障礙物也能使光發(fā)生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖乙中(c)所示。②障礙物的衍射圖樣的特點：圓形陰影中心有一亮斑，圓形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)。與小孔衍射圖樣有明顯區(qū)別。【典例1】(2022·內(nèi)蒙古北重三中期中)如圖所示，甲、乙、丙、丁四個圖樣是兩種單色光用同樣的儀器形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣，分析各圖樣的特點(黑色為亮條紋，甲圖樣的亮條紋間距比乙圖樣大，丙圖樣中央亮紋比丁圖樣寬)可以得出的正確結(jié)論是()A．甲、乙是光的衍射圖樣，丙、丁為光的干涉圖樣B．甲、乙是光的干涉圖樣，丙、丁為光的衍射圖樣C．形成甲圖樣的光的波長比形成乙圖樣的光的波長短D．在同種介質(zhì)中，形成甲圖樣的光的折射率比形成乙圖樣的光的折射率大B[雙縫干涉圖樣的條紋是等間距的，而衍射條紋間距不相等，則知a、b是光的干涉圖樣，c、d是光的衍射圖樣，故A錯誤，B正確；根據(jù)Δx＝ldλ可知，光的波長越長，雙縫干涉相鄰條紋間距越大，則知形成a圖樣的光的波長比形成b圖樣的光的波長長，故C錯誤；波長越長，頻率越小，折射率越小；形成a圖樣的光的波長比形成b圖樣光的波長長，則形成區(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)的亮條紋逐漸變窄。(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??；而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，兩側(cè)的亮紋逐漸變暗。[跟進訓練]1．在觀察光的衍射現(xiàn)象的實驗中，通過緊靠眼睛的卡尺測腳形成的狹縫，觀看遠處的燈管或線狀白熾燈絲(燈管或燈絲都要平行于狹縫)，可以看到()A．黑白相間的直條紋 B．黑白相間的弧形條紋C．彩色的直條紋 D．彩色弧形條紋C[通過緊靠眼睛的卡尺測腳形成的狹縫，觀看遠處的日光燈管或線狀白熾燈絲(燈管或燈絲都要平行于狹縫)，白熾燈發(fā)出的是復色光，可以看到間距不同的、彩色的衍射條紋，條紋與狹縫平行，為彩色的直條紋，故C正確，A、B、D錯誤。]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處放置的光學元件說法正確的是()A．甲對應單縫，乙對應雙縫B．甲對應雙縫，乙對應單縫C．都是單縫，甲對應的縫寬較大D．都是雙縫，甲對應的雙縫間距較大A[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，選項A正確。]光的偏振1．偏振(1)不同的橫波，即使傳播方向相同，振動方向也可能不同的現(xiàn)象，稱為“偏振現(xiàn)象”。(2)橫波的振動方向稱為“偏振方向”。(3)偏振現(xiàn)象是橫波的特有現(xiàn)象，縱波沒有偏振現(xiàn)象。2．光的偏振(1)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，沿這個方向振動的光波能順利通過偏振片，這個偏振方向叫作透振方向。(2)自然光：由太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，它包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同。(3)偏振光：自然光垂直透過某一偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，沿著某一特定方向振動的光叫作偏振光。(1)通過偏振片后，自然光就變成了偏振光，偏振片不改變光的頻率和顏色。(2)偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是真實的狹縫。3．偏振現(xiàn)象的應用攝影中應用偏振光：為了消除反射光的影響，在鏡頭前安裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，減弱了反射光進入鏡頭。如圖所示，一束自然光通過偏振片(偏振片上用箭頭表示其透振方向)照射到光屏上。問題：上面各圖中光屏亮暗情況如何？提示：自然光通過偏振片后成為偏振光，當偏振光的振動方向與偏振片的透振方向垂直時不能夠通過，故甲乙丁圖中光屏是亮的，丙圖中光屏是暗的。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”。2．自然光和偏振光的比較種類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，反射光、折射光均為偏振光振動方向在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著各個方向振動在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，并且只有一個振動方向經(jīng)偏振片后現(xiàn)象比較如圖所示，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【典例2】(多選)在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏，如圖所示，則下列說法不正確的是()A．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度不變B．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度時強時弱C．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度不變D．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱AC[P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆?，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時通過Q的光強最小，即無論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強都是時強時弱，故選A、C。]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透振方向的夾角大小有關(guān)。[跟進訓練]3．如圖所示，白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q，A點位于P、Q之間，B點位于Q右側(cè)。旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點光的強度變化情況是()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C[白熾燈光是自然光，包含各個方向的光，且各個方向的光強度相等，所以旋轉(zhuǎn)偏振片P時各方向透射光強度相同，故A點光的強度不變；白熾燈光經(jīng)偏振片P后為偏振光，此時只有偏振片Q與P的偏振方向一致時偏振光才能完全透過Q，因此在旋轉(zhuǎn)P時B點的光強有變化，選項C正確。]激光的特點與應用1．激光激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，發(fā)出的光的頻率相同、相位差恒定、振動方向一致。2．激光的特點(1)高度的相干性：激光是人工產(chǎn)生的相干光，其單色性好、相干性好。激光的頻率單一、顏色特別純。用激光做衍射、干涉實驗，效果很好。(2)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。激光的特點及應用特點性質(zhì)應用相干性激光具有頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的特點，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信平行度激光的平行度非常好，傳播很遠的距離仍能保持一定的強度進行精確的測距；讀取光盤上記錄的信息等亮度高它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量用激光束切割、焊接；醫(yī)學上可以用激光做“光刀”；激發(fā)核反應等【典例3】(多選)(2022·山東日照莒縣高二月考)激光的誕生是一件大事，它使人類獲得了極其理想的、自然界中幾乎不存在的光源。下列關(guān)于激光的特性及其應用，說法正確的是()A．醫(yī)學上用激光“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．激光能夠比較精確地測量地球到月球的距離，是利用激光的平行度好的特點D．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BCD[醫(yī)學上用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜，是利用激光的亮度高、強度大、能量集中的特點，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，是利用激光頻率單一，相干性好的特點，B正確；激光能夠比較精確地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、強度大、能量集中的特點，D正確。][跟進訓練]4．(多選)(2022·江蘇揚州檢測)納米科技是跨世紀新科技，將激光束寬度聚焦到納米范圍，可修復人體已損壞的器官，對DNA分子進行超微型基因修復，未來能把至今尚令人類無奈的癌癥徹底根除，這主要是利用了激光的()A．單色性 B．方向性好C．高能量 D．偏振性BC[激光用于醫(yī)療，修復人體器官及對DNA分子修復等，是因為激光有非常好的方向性和非常高的能量。]1．(2022·山東棗莊檢測)下列現(xiàn)象中屬于光的衍射現(xiàn)象的是()A．雨后天空美麗的彩虹B．陽光下肥皂膜的彩色條紋C．光通過三棱鏡產(chǎn)生的彩色條紋D．對著日光燈從兩鉛筆縫中看到的彩色條紋D[雨后天空美麗的彩虹，這是太陽光通過懸浮在空氣中細小的水珠折射而成的，白光經(jīng)水珠折射以后，分成各種彩色光，這種現(xiàn)象叫作光的色散現(xiàn)象，A錯誤；日光照射在肥皂泡上出現(xiàn)彩色條紋屬于光的干涉，故B錯誤；一束白光通過三棱鏡形成彩色光帶屬于光的折射現(xiàn)象，故C錯誤；通過一個狹縫觀察日光燈可看到彩色條紋，屬于單縫衍射，故D正確。]2．在光的單縫衍射實驗中可觀察到清晰的亮暗相間的圖樣。下圖中屬于光的單縫衍射圖樣的是()A．甲、丙B．乙、丙C．甲、丁D．乙、丁D[圖(a)中是等間距的光的干涉圖樣，圖(b)是單色光的單縫衍射圖樣，圖(c)是水波的衍射圖樣，圖(d)是白光的單縫衍射圖樣，可見D正確。]3．某同學使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條寬為0.05mm的窄縫，進行光的衍射實驗，如圖所示，則他在光屏上看到的條紋是()ABCDB[根據(jù)衍射條紋的特點進行判斷，光的衍射條紋與狹縫平行，且中間寬、兩邊窄，不等間距，故B項正確，A、C、D項錯誤。]回歸本節(jié)知識，自我完成以下問題：1．光發(fā)生明顯衍射的條件是什么？提示：障礙物或孔的尺寸與波長相差不多，甚至比波長還小。2．什么是光的偏振現(xiàn)象？提示：只有沿偏振片的“透振”方向振動的光才能透過偏振片