2020学年高中物理 第五章 光的波动性 第3节 光的衍射与偏振教案 教科版选修3-4

2020学年高中物理 第五章 光的波动性 第3节 光的衍射与偏振教案 教科版选修3-4

三、光的衍射与偏振 ‎ 教学目标 ‎1．知道几何光学中所说的光沿直线传播是一种近似 ‎2．知道光通过狭缝和圆孔的衍射现象，并能对生活中的有关现象进行解释和分析 ‎3．知道观察到明显衍射的条件 ‎4．知道振动中的偏振现象，了解什么是偏振现象，知道偏振是横波的特点 ‎5．知道偏振光和自然光的区别，知道偏振光在实际生活中的应用 重点难点 重点：1．光的单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射现象的演示和分析 ‎2．光的偏振实验的观察和分析 难点：1．光的单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射现象的演示 ‎2．光振动与自然光和偏振光的联系 设计思想 课本只要求学生初步了解光的衍射和偏振现象，不做理论讨论，因此与机械波类比和观察实验现象是十分重要的；要让学生能区分干涉图样与衍射图样的区别；让学生了解光的干涉和衍射说明光具有波动性；光的偏振说明光是横波。除了演示实验外，还应尽可能多地让学生自己动手做实验进行观察（观察小孔衍射(在铝箔或胶片上打出尺寸不同的小孔，以小电珠作光源，距光源1～2米 ，眼睛靠近小孔观察光通过小孔的衍射花样--彩色圆环)。还可让学生通过羽毛、纱巾观看发光的灯丝(对见到的彩色花样可不作解释)；由学生自己亲自动手观察偏振光等等， 以补学生对这些现象的不熟悉和帮助学生理解）。‎ 在本节教材中提到泊松亮斑--泊松原以为这下子可以驳倒菲涅尔的波动理论了，事与愿违，菲涅尔和阿拉果接受了泊松的挑战，用实验验证了这个理论结论， 实验却成了波动理论极其精彩的实证，菲涅尔为此获得了科学奖金(1819年)。‎ 这个科学小故事告诉我们，在科学研究上必须重视理论的指导作用和实践的检验作用；作为科研工作者，必须有坚定的自信心和踏实勤奋的工作态度。今天的学习，在掌握知识的同时，也应培养自己这方面的好品 质、好作风。‎ 教学资源 激光光学演示仪、单缝、小孔、圆盘、大头钉、柔软的长绳一根，带有狭缝的木 板两块，细软的弹簧一根，人造偏振片两片，投影仪、投影、多媒体课件等 教学设计 ‎【课堂引入】‎ 问题：波的基本特性有哪些？为什么我们平时较难观察到光的干涉现象？‎ 追问：如果光的确是一种波，那么我们还应该能观察到光的衍射现象，为什么平时也较难观察到光的衍射现象？‎ 为了进一步探索光的本性，我们将进一步研究光的波动性的其他表现——干涉与偏振。‎ ‎【课堂学习】‎ 学习活动一：观察光的单缝衍射现象 问题1：平时我们很容易观察到声波的衍射现象，为什么？‎ 我们人耳能听到的声波的波长范围为1.7cm~‎17m，很容易绕过常见的障碍物而产生衍射现象。‎ ‎（通过复习熟悉的知识，强调产生明显衍射现象的条件。）‎ 问题2：为什么我们平时较难观察到光的衍射现象？‎ 平常不易观察到光的衍射现象的原因（学生猜想）：‎ 猜想1：光波的波长可能太短，正常生活中很难遇到如此小的线度的障碍物；‎ 猜想2：即使存在较明显的衍射现象，但周围明亮的环境也可能干扰我们清晰地观察到；‎ 猜想3：各种光波在衍射后彼此叠加，相互抵消了。‎ ‎（通过引导学生自主分析，突出明显衍射的条件。激发学习兴趣）‎ 问题3：我们该如何解决光的明显衍射的观察这一难题？‎ 猜想1：用亮度更高的激光作为光源，以增加衍射光的亮度；‎ 猜想2：降低周围环境的亮度，以突出衍射光；‎ 猜想3：靠近物体边缘，用眼睛直接观察衍射光。‎ 演示实验：光的单缝衍射现象（教师说明并演示，学生观察，并用语言描述相应的现象）‎ 取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照 射，在缝后的墙壁上可清晰地显示明暗相间的条纹，但跟单色光的双缝干涉图案又有 不同。‎ 总结：1、光的单缝衍射现象：中央明条纹两边对称分布明暗相间的条纹，且中央明条纹 最亮最宽，其宽度约为其它条纹宽度的两倍，其余明条纹的宽度由中心向外逐渐减小；‎ ‎2、主要规律：缝越窄，衍射越明显（范围增大、条纹变宽），但条纹的亮度将变暗。‎ 学生活动：学生通过两支铅笔缝观察日光灯灯光的衍射现象（强调因缝很细，故眼睛应紧靠 狭缝观察；通过改变手捏的松紧程度调节狭缝的宽度，可观察到衍射条纹的变化）。‎ 总结：对衍射现象的研究表明，“光沿直线传播”只是一种特殊情况，在障碍物的尺寸可 以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象就十分明显，这时就不能 说光沿直线传播了；‎ 学习活动二：观察光的圆孔衍射和圆盘衍射现象 问题1：除了狭缝，光遇到其他障碍物或小孔时的衍射是怎样的？‎ 演示实验：光的圆孔衍射现象（明暗相间的同心圆，圆心处为亮点）‎ 演示实验：光通过各种形状的小孔时衍射现象（衍射条纹可以反映出物体的形状信息）‎ ‎（说明正是对光通过DNA分子后的衍射的研究，人们发现了DNA分子的双螺旋 结构。以此激发学生的学习兴趣）‎ 问题2：猜想一下当光遇到线度很小的不透明的圆形障碍物（小圆盘）时的衍射现象如何？‎ 追问：相应阴影的中央应该是亮点还是暗点？‎ 演示实验：光的圆盘衍射现象（泊松亮斑）‎ 介绍泊松亮斑及其发现过程：‎ A．菲涅耳（法）：运用数学工具分析了衍射规律；‎ B．数学家泊松进一步推算出，在一个不透光圆盘的阴影中心，应当存在一个亮 斑；认为不可能，并以此反驳光的波动说；‎ C．菲涅耳和阿拉果则坚信理论的正确性，并最终用实验验证了该亮斑的存在，‎ 并因此荣获了1817年的英国皇家学会奖（书P86图）；‎ 学习活动三：列举日常生活中常见的衍射现象 A．利用针孔（瞳孔衍射）； B．利用狭缝（两支铅笔间）；‎ C．利用细丝（自动控制）；D．利用羽毛（蚊帐、衣物）等 ‎（过渡：波除了具有干涉和衍射等特外性，还有一些其他特性，例如横波还具有偏振的特性）‎ 学习活动四：光的偏振 问题1：什么是波的偏振现象？‎ ‎① 举例说说什么是横波？什么是纵波？‎ ‎② 介绍课本图‎5.3.3‎装置，教师演示，引导学生仔细观察绳波遇到狭缝时的情况，看波能否通过狭缝传到栅栏的另一侧。‎ ‎③ 将以上实验中的细绳换成轻弹簧，进一步演示弹簧中的纵波可以通过与传播方向垂直的任意方向的狭缝。‎ 总结：1、横波在它的传播方向上的狭缝，只要狭缝的方向横波 的振动方向相同，横波就 可以毫无阻碍地传过去；如果把狭缝的方向旋转90°，横波就不能通过了，这种现象 叫偏振；‎ ‎2、偏振是横波所特有的性质。‎ 问题2：光是否也会产生偏振呢？‎ 演示实验：光的偏振现象 ‎1、自然光：从普通光源直接发生的天然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接 观察时不能发现光强偏于一定方向。这种沿着各个方向振动的光波的强度都相同的光 叫自然光；太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向的平面内沿一 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，这种光都是自然光。‎ ‎2、让太阳光或灯光通过一块用晶体薄片作成的偏振片P1，在P1的另一侧观察，可 以看到它是透明的。以入射光线为轴旋转偏振片P1，这时看到透射光的强度并不发 生变化。‎ ‎3、再取一块同样的偏振片P1，放在偏振片P1的后面，通过它去观察从偏振片P1‎ 透射过来的光，就会发现，从偏振片P1透射过来的光的强度跟两偏振片P1、P2的相 对方向有关。这一现象说明光波是横波。（书P88图）‎ ‎（要求学生总结上述现象，尝试类比机械波的偏振来解释上面的实验现象：自然光通过第一个偏振片P1（叫起偏器）后，相当于被一个“狭缝”卡了一下，只有振动方向跟“狭缝”方向平行的光波才能通过．自然光通过偏振片P1‎ 后虽然变成了偏振光，但由于自然光中沿各个方向振动的光波强度都相同，所以不论晶片转到什么方向，都会有相同强度的光透射过来．再通过第二个偏振片P2（叫检偏器）去观察就不同了；不论旋转哪个偏振片，两偏振片透振方向平行时，透射光最强，两偏振片的透振方向垂直时，透射光最弱。）‎ 总结：光的偏振现象并不罕见。我们通常看到的绝大部分光，除了从光源直接射过来的，基本上都不是自然光，只是我们的眼睛不能鉴别罢了。如果用偏振片去观察从玻璃或水面上反射的光，旋转偏振片发现透射光的强度也发生周期性的变化，从而知道反射光是偏振光。‎ 问题3：偏振现象有哪些应用？‎ ‎① 拍摄水面以下或橱窗内的物品时，在镜头前加装的滤光片 ‎② 立体电影 ‎③ 汽车的挡风玻璃及头灯罩 ‎④ 液晶显示器等 ‎【课堂小结】‎ 问题1：常见的衍射现象有那些？‎ 问题2：为什么平时很难见到光的衍射现象？‎ 问题3：什么是“泊松亮斑”？‎ 问题4：什么是光的偏振现象？光的偏振现象说明了什么？‎ 问题5：光的偏振现象有哪些典型的应用？‎ ‎【板书设计】‎ 第三节 光的衍射与偏振 一、光的单缝衍射现象 ‎1．现象：对称分布、明暗相间，且中央亮纹最亮最宽 ‎2．主要规律：缝越窄，衍射越明显（范围增大、条纹变宽）‎ 二、圆孔衍射和圆盘衍射（泊松亮斑）‎ 三、单缝衍射现象与双缝干涉现象的异同 四、光的偏振 ‎1．偏振现象 自然光和偏振光 横波才有偏振现象 ‎2．偏振现象的常见应用 ‎【课堂反馈】‎ ‎1．在杨氏双缝干涉实验中，若将其中的一缝挡住，则（ ）‎ A．屏上出现一条与缝一样宽的亮条 B．屏上一片模糊 C．仍为原来的干涉条纹 D．屏上将出现一种新的明暗相间的条纹 ‎2． “只闻其声，不见其人”的原因是（ ）‎ A．光波是电磁波，而声波是机械波 B．光波是横波，而声波是纵波 C．光速太大而声速则较小 D．声波波长大而光波的波长很小 ‎3．对衍射现象的定性分析，不正确的是（ ）‎ A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生弯曲传播的现象 B．衍射图样是光波相互叠加的结果 C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据 D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论 ‎4．下列说法正确的是（ ）‎ A．机械波都能产生偏振现象 B．光的偏振现象说明光是横波 C．自然光不能产生偏振，说明自然光是纵波 D．光波的感光作用和生理作用等主要是由磁感应强度B的振动引起的 ‎5．两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过。如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象（ ）‎ A．透过偏振片的光强先增强，然后又减弱到零 B．透过的光强先增强，然后减弱到非零的最小值 C．透过的光强在整个过程中都增强 D．透过的光强先增强，再减弱，然后又增强 ‎6．夜间行车时，对面来车的车灯的强光刺眼会使司机看不清路况，因此两车交会前要交替灭灯，同时减速，这样很不方便。科学家设想，把每辆车前大灯罩玻璃换成偏振片，把车前挡风玻璃也设计一块偏振片，偏振片的透振方向一致，且都与水平面成45°角，如图所示，当夜晚行车时，就能避免对方灯光刺眼，且司机对自己车灯发出的光感觉和不加偏振片相同。试述其原理。‎ 参考答案：‎ ‎1、D 2、D 3、D 4、B 5、A 6、相向运动的车偏振片透振方向互相垂直，彼此的挡风玻璃上的偏振片使对方车灯的偏振光不能通过，但能通过自己车灯的偏振光。‎ ‎【课后测评】‎ ‎1．如图所示，在挡板上开一个大小可以调节的小圆孔P，用点光源S照射小孔，小孔后面放一个光屏MN，点光源和小孔的连线垂直于光屏，并于光屏交于其中心。当小孔的直径从‎1.0mm逐渐减小到‎0.1mm的过程中，在光屏上看到的现象将会是（ ）‎ A．光屏上始终有一个圆形亮斑，并且其直径逐渐减小 B．光屏上始终有明暗相间的同心圆环，并且其范围逐渐增大 C．光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐增大而亮度逐渐减弱的明暗相间的同心圆环 D．光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐减小而亮度逐渐增大的明暗相间的同心圆环 ‎2．‎ 图7所示的（a）（b）两图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图样。其中图（a）是光的_______(填“干涉”或“衍射”)图样。由此可以判断出图（a）所对应的圆孔的孔径_______(填“大于”或“小于”)图（b）所对应的圆孔的孔径。‎ ‎3．在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观看远处的日光灯管或线状白炽灯丝(灯管或灯丝都要平行于狭缝)，可以看到 (　　)‎ A．黑白相间的直条纹　　　 B．黑白相间的弧形条纹 C．彩色的直条纹　　　　 D．彩色的弧形条纹 ‎4．沙尘暴是由于土地沙化引起的一起恶劣的气象现象，对人类的生存造成极大的危害，发生尘暴时能见度只有几十米甚至几米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下（ ）‎ A．只有波长较短的一部分光才能到达地面 B．只有波长较长的一部分光才能到达地面 C．只有频率较高的一部分光才能到达地面 D．只有频率较低的一部分光才能到达地面 ‎5．平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有（ ）‎ A．在衍射图样的中心都是亮斑 B．泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽 C．小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑 D．小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 ‎6．有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有（ ）‎ A．只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振 B．只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振 C．自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光 D．除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光 ‎7．奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度，这一角度称为“旋光度”，‎ 的值只与糖溶液的浓度有关，将的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法中不正确的是（ ）‎ A．到达O处光的强度会明显减弱 B．到达O处的强度不会明显减弱 C．将偏振片B转过一个角度，使得O处强度最大，偏振片B转过的角度等于 D．将偏振片A转过一个角度，使得O处强度最大，偏振片A转过的角度等于 ‎8．你能解释交通灯为什么用红、黄两色作为安全信号吗？‎ ‎9．你能解释光学显微镜的放大率为什么会受到限制吗？‎ 参考答案：‎ ‎1、C 2、衍射、小于 3、 C 4、BD 5、AB 6、BD 7、B ‎8、为避免云雾小水滴及空气中的尘埃阻挡光的传播（红光波长长易发生衍射）‎ ‎9、（1）人眼最小分辨距离约为‎0.2mm ‎（2）由于人视网膜宽度有限，为增加放大率就应物镜及目镜的孔径。当孔径小到一定程度可见光将发生衍射，在这种情况下再增大放大率已不能提高清晰度。所示光学显微镜的放大率受到限制。只能达到上千倍。‎ ‎（3）为避免上述现象就必须降低光的波长，人眼就无法识别且有害。必须进行光电转换。这就是光电显微镜。‎