2024-2025學(xué)年高中物理第十三章光5光的衍射6光的偏振學(xué)案新人教版選修3-4

PAGE12-5光的衍射6光的偏振一、光的衍射1．衍射現(xiàn)象和衍射條紋(1)衍射現(xiàn)象：光通過很窄的縫或很小的孔時，光沒有沿直線傳播，而是繞過縫或孔的邊緣傳播到相當(dāng)寬的地方的現(xiàn)象．(2)衍射條紋特點：衍射條紋是一些明暗相間的條紋，中心條紋最寬、最亮，離中心條紋越遠，亮條紋的寬度越窄，亮度越低．2．光產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件障礙物或孔的尺寸比波長小或跟波長相差不多．二、衍射光柵1．衍射光柵的結(jié)構(gòu)：由很多等寬的狹縫等距排列起來形成的光學(xué)儀器．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．3．衍射光柵的種類：反射光柵、透射光柵．三、光的偏振1．自然光和偏振光(1)自然光：太陽、電燈等一般光源發(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，沿著各個方向振動的光波的強度都相同．(2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光．(3)光的偏振現(xiàn)象，表明光是一種橫波．2．光的偏振你看過立體電影嗎？你知道它的原理嗎？在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，從銀幕上看到的景象才有立體感．假如不戴這副眼鏡看，銀幕上的圖像就模糊不清了．你知道這是為什么嗎？提示：立體電影是應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象的一個例子．觀眾所戴的眼鏡是一對透振方向相互垂直的偏振片．人的兩只眼睛同時視察物體，不但能擴大視野，而且能推斷物體的遠近，產(chǎn)生立體感．這是由于人的兩只眼睛同時視察物體時，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物體的左側(cè)面較多，右眼看到物體的右側(cè)面較多，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠近，從而產(chǎn)生立體視覺．立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像，制成電影膠片．在放映時，通過兩個放映機，把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上．這時假如用眼睛干脆觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機前裝一塊偏振片，它的作用相當(dāng)于起偏器．從兩架放映機射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光．左右兩架放映機前的偏振片的偏振方向相互垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也相互垂直．這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不變更．觀眾用上述的偏振眼鏡觀看，每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖像，即左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，這樣就會像干脆觀看那樣產(chǎn)生立體感覺．考點一光的衍射現(xiàn)象1．定義：光照到小孔或障礙物上之后，離開直線傳播的路徑，在背后的陰影區(qū)形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象．2．產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：障礙物或孔的尺寸跟光波波長相差不大或比光波波長還要小，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．3．衍射條紋的特點：①單色光通過單縫衍射時，在光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋，且中間亮條紋又寬又亮，兩側(cè)對稱出現(xiàn)的亮條紋寬度窄且亮度隨距中間亮條紋的距離的增加而快速降低，而暗條紋的寬度明顯小于亮條紋．②光屏上相鄰兩條亮(或暗)條紋的距離不等．③白光通過單縫衍射時，光屏上出現(xiàn)的是中間較寬的白色條紋，白色條紋的兩側(cè)對稱分布著彩色條紋．4．衍射條紋產(chǎn)生的實質(zhì)：衍射條紋的產(chǎn)生實質(zhì)上是光波發(fā)生干涉的結(jié)果，即相干波疊加的結(jié)果．當(dāng)光源發(fā)出的光照耀到小孔或障礙物時，小孔處或障礙物的邊緣可看成很多點光源，這些點光源是相干光源，發(fā)出的光相互干涉，形成明暗相間的條紋．5．光的衍射和機械波的衍射相同，都不須要條件，但發(fā)生明顯的衍射是須要條件的，都是障礙物或孔的尺寸與波長相差不大，或小于波長，由于光波的波長很小，不易滿意衍射條件．【例1】關(guān)于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的有()A．只有當(dāng)光的波長等于障礙物或小孔的尺寸時，才會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象B．當(dāng)光的波長大于障礙物的尺寸時，完全不發(fā)生光的衍射現(xiàn)象C．發(fā)生單縫衍射時，若減小單縫寬度，條紋變亮D．發(fā)生單縫衍射時，若略微增大單縫寬度，條紋變亮【導(dǎo)思】1.光發(fā)生衍射必需有條件嗎？2．衍射現(xiàn)象越明顯是不是條紋越亮呢？【解析】本題易錯選A、B，是因為沒有很好地理解衍射的條件．光離開直線傳播的路徑進入障礙物的陰影里去的現(xiàn)象叫做光的衍射．任何障礙物都可以使光發(fā)生衍射，但當(dāng)障礙物或孔的尺寸跟光的波長相差不多或小于光的波長時，將產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．現(xiàn)象“明顯”了，才簡單被視察到．當(dāng)發(fā)生單縫衍射時，縫寬越小，衍射越明顯．但由于單縫窄通過單縫的光的能量少，故而圖樣將變暗．選C是誤認(rèn)為衍射越明顯就是衍射條紋越亮．【答案】D(1)衍射是光所具有的特點，使光發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象則須要滿意肯定的條件．(2)衍射條紋的亮度是由光照耀的能量確定的，并不是衍射現(xiàn)象越明顯條紋越亮．視察單縫衍射現(xiàn)象時，把縫寬由0.2mm漸漸增大到0.8mm，看到的現(xiàn)象是(A)A．衍射條紋的間距漸漸變小，衍射現(xiàn)象漸漸不明顯B．衍射條紋的間距漸漸變大，衍射現(xiàn)象越來越明顯C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增加D．以上現(xiàn)象都不會發(fā)生解析：由單縫衍射試驗的視察可知，狹縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大，本題是將縫調(diào)寬，現(xiàn)象向相反的方向變更，故選項A正確，B、C、D錯．考點二衍射與干涉的區(qū)分1．幾種衍射現(xiàn)象(1)單縫衍射圖樣①縫變窄，通過的光變少，而光分布的范圍更寬，所以亮紋的亮度降低．②中心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)，入射光波長越大，單縫越窄，中心亮條紋的寬度及條紋間距就越大．③用白光做單縫衍射時，中心亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中心亮條紋仍舊最寬最亮．(2)圓孔衍射圖樣①中心是大且亮的圓形亮斑，四周分布著明暗相間的同心圓環(huán)，當(dāng)圓孔的直徑取某些特定值時，圓形亮斑的中心還會出現(xiàn)一個黑斑，且越靠外，環(huán)形亮條紋的亮度越弱，寬度越?。鐖D所示．②只有圓孔足夠小時，才能得到明顯的衍射圖樣．在圓孔由較大直徑漸漸減小的過程中，光屏依次得到幾種不同現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)、完全黑暗．③用不同色光照耀圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越大，中心圓形亮斑的直徑越大．④白光的圓孔衍射圖樣中，中心是大且亮的白色光斑，四周是彩色同心圓環(huán)．⑤圓孔越小，中心亮斑的直徑越大，同時亮度越弱．(3)不透亮的小圓板衍射圖樣①泊松亮斑圖樣中的亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。谂c圓孔衍射圖樣比較a．均是明暗相間的環(huán)形條紋，中心均有亮斑．b．圓孔衍射圖樣中心亮斑較大，而泊松亮斑較?。甤．圓孔衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而增大，圓板衍射圖樣中亮環(huán)或暗環(huán)間距隨半徑增大而減?。甦．圓孔衍射圖樣的背景是黑暗的，而小圓板衍射圖樣中的背景是光明的．2．單縫衍射與雙縫干涉的比較【例2】(多選)關(guān)于衍射，下列說法正確的是()A．衍射條紋的出現(xiàn)是光疊加后產(chǎn)生的結(jié)果B．雙縫干涉中也存在衍射現(xiàn)象C．一切波都很簡單發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相沖突的客觀事實【導(dǎo)思】1.光的干涉和衍射現(xiàn)象的區(qū)分是什么？2．光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象有什么聯(lián)系？【解析】衍射是很困難的光波的疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過三個狹縫時均發(fā)生衍射現(xiàn)象，一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射．一切波都能發(fā)生衍射，但要發(fā)生明顯的衍射，須要滿意障礙物的尺寸小于波長或與波長相差不大的條件．雙縫干涉離不開衍射現(xiàn)象，衍射條紋是光波疊加的結(jié)果．【答案】AB一束紅光射向一塊有雙縫的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈現(xiàn)明、暗相間的干涉條紋．現(xiàn)在將其中一條窄縫攔住，讓這束紅光只通過一條窄縫，則在光屏上可以看到(B)A．與原來相同的明暗相間的條紋，只是明條紋比原來暗些B．與原來不同的明暗相間的條紋，而中心明條紋變寬些C．只有一條與縫寬相對應(yīng)的明條紋D．無條紋，只存在一片紅光解析：本題中紅光通過雙縫時產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象，說明每條縫都很窄，也應(yīng)滿意發(fā)生明顯衍射的條件，所以攔住一條縫時發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，出現(xiàn)單縫衍射條紋．條紋的特點是中心亮條紋較寬且亮度大，應(yīng)選B.考點三偏振現(xiàn)象1．光的偏振(1)自然光：太陽、電燈等一般光源發(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)偏振光：光在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動．這種光叫做偏振光．(3)偏振光一般用自然光透過偏振片得到．(4)偏振光的另一種產(chǎn)生方式：自然光射到兩種介質(zhì)的交界面上，假如光入射的方向合適，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°時，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．2．用偏振光驗證光是一種橫波只有一個振動方向的光叫偏振光．如經(jīng)過偏振片后的自然光．若偏振光再經(jīng)過一個偏振片后，狀況會怎樣呢？如圖1所示，當(dāng)兩偏振片的“狹縫”平行時，光屏上仍有亮光．當(dāng)兩偏振片的“狹縫”相互垂直時，透射光的強度幾乎為零，光屏上是暗的．如圖2所示．光的偏振現(xiàn)象表明：光是一種橫波．【例3】兩個偏振片緊靠在一起，將它們放在一盞燈的前面以致沒有光通過．假如將其中的一片旋轉(zhuǎn)180°，在旋轉(zhuǎn)過程中，將會產(chǎn)生下述的哪一種現(xiàn)象()A．透過偏振片的光先增加，然后又減弱到零B．透過的光先增加，然后減弱到非零的最小值C．透過的光在整個過程中都增加D．透過的光先增加，再減弱，然后又增加【導(dǎo)思】每個偏振片都有一個固定的偏振方向，燈光為自然光，通過一個偏振片后則變成偏振光．【解析】起偏器和檢偏器的偏振方向垂直時，沒有光通過，偏振方向平行時，光的強度達到最大．當(dāng)其中一個偏振片轉(zhuǎn)動180°的過程中，兩偏振片的偏振方向由垂直到平行再到垂直，所以通過的光先增加，又減小到零，故選A.【答案】A(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，則下列說法正確的是(BD)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解析：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的透振方向一樣．所以當(dāng)Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強最?。礋o論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強都是時強時弱．考點四偏振現(xiàn)象的應(yīng)用①光的偏振現(xiàn)象有很多應(yīng)用．如在拍攝日落時水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里的陳設(shè)物時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，常使景像不清晰，假如在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以減弱反射光而使景像清晰．②夜晚行車時，對方車燈照耀過來的光很強，若加一個偏振片，可減弱對眼睛的照耀．③立體電影也是利用了光的偏振原理．平常我們所看到的光，除干脆從光源射來的以外絕大部分都是偏振光．④各種液晶顯示器．【例4】在拍攝日落水面下的景物時，應(yīng)在照相機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．增加反射光，從而使景物的像清晰C．增加透射光，從而使景物的像清晰D．減弱透射光，從而使景物的像清晰【導(dǎo)思】拍水面下景物時，由于水面反射光，會使景物的像不清晰．【解析】反射光為偏振光，當(dāng)照相機鏡頭前裝一個偏振片時，調(diào)整偏振片的方向可減弱進入鏡頭的反射光，從而使景物的像清晰，故A正確．【答案】A(多選)毒奶粉作為食品加工業(yè)中的添加劑或調(diào)味劑，做成了糖果面包等，讓人防不勝防．奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標(biāo)，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量．偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”．α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了．如下圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動B，使到達O處的光最強，然后將被測樣品P置于A、B之間，則下列說法中正確的是(ACD)A．到達O處光的強度會明顯減弱B．到達O處光的強度不會明顯減弱C．將偏振片B轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最大，偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于αD．將偏振片A轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最大，偏振片A轉(zhuǎn)過的角度等于α解析：A、B間不放糖溶液時，自然光通過偏振片A后，變成偏振光，通過B后到O.當(dāng)在A、B間放糖溶液時，由于溶液的旋光作用，使通過A的偏振光振動方向轉(zhuǎn)動了肯定角度，通過B到達O處的光強會明顯減弱，A正確，B錯誤；但當(dāng)B轉(zhuǎn)過一個角度，恰好使透振方向與經(jīng)過糖溶液后的偏振光振動方向一樣時，O處光強又為最強，故B的旋轉(zhuǎn)角度即為糖溶液的旋光度；因為A、B的偏振方向一樣，故轉(zhuǎn)動偏振片A也可以，D正確．1．(多選)抽制高強度纖維細絲可用激光監(jiān)控其粗細，如圖所示，視察光束經(jīng)過細絲后在光屏上所產(chǎn)生的條紋即可推斷細絲粗細的變更，下列說法正確的是(AD)A．這里應(yīng)用的是光的衍射現(xiàn)象B．這里應(yīng)用的是光的干涉現(xiàn)象C．假如屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗D．假如屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細解析：本題為光的衍射現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，考查光的衍射現(xiàn)象，若障礙物的尺寸與光的波長相比差不多或更小，衍射現(xiàn)象較明顯．通過視察屏上條紋的變更狀況，從而監(jiān)控抽制的細絲的狀況，故A、D正確．2．(多選)關(guān)于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是(AC)A．紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋B．白光的單縫衍射圖樣是白黑相間的直條紋C．光照到不透亮小圓盤上出現(xiàn)泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射D．光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑，說明光沿著直線傳播，不存在光的衍射解析：單色光照到狹縫上產(chǎn)生的衍射圖樣是明暗相間的直條紋，白光的衍射圖樣是彩色條紋．光照到不透亮小圓盤上，在其陰影中心處出現(xiàn)亮點，