2020版高中物理 第五章 光的波动性 3 光的衍射与偏振 4 激光学案 教科版选修3-4

2020版高中物理 第五章 光的波动性 3 光的衍射与偏振 4 激光学案 教科版选修3-4

‎3　光的衍射与偏振 ‎4　激光 ‎[学习目标]　1.知道光产生明显衍射现象的条件，了解几种不同衍射现象的图样.2.能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析.3.认识光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，能用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象.5.了解激光的特性及应用.‎ 一、光的衍射 ‎1.光的衍射：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播方向，在屏上散开到相当大的范围，这种现象叫做光的衍射.‎ ‎2.衍射图像 ‎(1)定义：衍射时产生的明暗条纹或光环.‎ ‎(2)单缝衍射图像的特点 ‎①单色光：中央有一条较宽较亮的条纹，两边是对称而明暗相间的条纹，亮条纹的强度向两边很快减弱.‎ ‎②白光：中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹.‎ ‎3.光的衍射现象进一步证明了光具有波动性.‎ 二、光的偏振 ‎1.线偏振光：如果光振动的方向限在一个平面，这种光叫线偏振光.‎ ‎2.自然光：通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的，称为自然光.‎ ‎3.光的偏振现象进一步证实光是横波.‎ 三、激光 激光的特点及应用 特点 应用 14‎ 强度大 激光加工、激光医学、激光检测、激光照排 方向性好 单色性好 激光全息照相 相干性好 覆盖波段宽且可调谐 激光通信 ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.(　×　)‎ ‎(2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象.(　×　)‎ ‎(3)横波和纵波都能产生偏振现象.(　×　)‎ ‎(4)自然光通过偏振片可以获得偏振光.(　√　)‎ ‎(5)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点.(　√　)‎ ‎2.下列四幅图片中属于光的干涉的是________，属于光的的衍射的是________.‎ 答案　a　bd 一、光的衍射 ‎[导学探究]　(1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上，逐渐减小两个卡脚之间的距离，使缝越来越小，观察照在屏幕上光斑现象的变化.缝宽大约多大时屏幕上出现条纹？缝间距变小时，条纹有什么变化？‎ ‎(2)用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔，用眼睛通过小孔观察太阳光，会观察到什么现象？‎ 答案　(1)大约‎0.4mm时会出现条纹，当缝间距变小时，屏幕上条纹间距逐渐变宽，但亮度逐渐减弱.‎ ‎(2)会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环.‎ ‎[知识深化]　三种衍射图样的特点 14‎ ‎(1)单缝衍射 ‎①单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹.中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹.‎ ‎②波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大.‎ ‎(2)圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现明暗相间的圆环，如图1所示.‎ 图1‎ ‎(3)圆板衍射(泊松亮斑)‎ ‎①若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑.衍射图样如图2所示.‎ 图2‎ ‎②中央是亮斑，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环.‎ 例1　(多选)关于光的衍射现象，下面说法正确的是(　　)‎ A.红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹 B.白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹 C.光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射 D.光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射 答案　AC 解析　红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹，光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮点，是衍射现象，光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项屏中大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象.‎ 二、单缝衍射与双缝干涉的比较 ‎1.不同点 ‎(1)产生条件 14‎ ‎(2)图样 ‎2.相同点 ‎(1)都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或减弱的结果.‎ ‎(2)都是波特有的现象，表明光是一种波.‎ 例2　如图3所示的四幅明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹).则在下面的四幅图中从左到右排列，亮条纹的颜色依次是(　　)‎ 图3‎ A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫 答案　B 解析　双缝干涉条纹平行等距，且波长越长，条纹间距越大，而红光波长比蓝光波长长，故第一幅图为红光，第三幅图为蓝光；又由于黄光波长比紫光波长长，故第四幅图为黄光的衍射图样，第二幅图为紫光的衍射图样.‎ 针对训练　(多选)如图4(a)所示是做双缝干涉实验的示意图.先做操作1：用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ；接着再做操作2：用不透明的挡板挡住b缝.若两块滤光片一块是红色，一块是蓝色，则(　　)‎ 图4‎ A.完成操作1后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是红色条纹，乙是蓝色条纹 B.完成操作1后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是蓝色条纹，丁是红色条纹 C.完成操作2后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是蓝色条纹，乙是红色条纹 D.完成操作2后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹 14‎ 答案　AD 解析　题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样，再根据条纹宽度的有关因素分析即可.题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹，再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可.操作1是双缝干涉实验，故条纹间距相等，光屏上出现题图(b)图案，由图案知甲的波长大于乙的波长，故甲为红色条纹，乙为蓝色条纹，A正确；操作2是单缝衍射，条纹间距不相等，光屏上为题图(c)图案，再结合波长关系可知D正确.‎ 三、光的偏振 ‎[导学探究]　如图5所示，取一个偏振片P，让阳光通过偏振片P，在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的；在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，会看到什么现象？这说明什么？‎ 图5‎ 答案　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化.‎ 偏振片的作用类似于狭缝的作用，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过.当偏振片Q与P的透振方向平行时，穿过Q的光最强；当偏振片Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q.‎ ‎[知识深化]　对偏振方向与透振方向的理解 透振方向：偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”.‎ ‎①当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片.‎ ‎②当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间.‎ 14‎ 例3　(多选)如图6所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向看不到光亮，则(　　)‎ 图6‎ A.图中a光为偏振光 B.图中b光为偏振光 C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮 D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮 答案　BD 解析　自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光.从电灯直接发出的光为自然光，故A错；它通过偏振片A后，即变为偏振光，故B对；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无光亮，故C错；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故D对.‎ 四、激光的特点和应用 ‎[导学探究]　激光作为一种人造光源在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等，如图7.激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？‎ 图7‎ 答案　1.强度大.2.方向性好.3.单色性好.4.相干性好.5.覆盖波段宽而且可调谐.‎ 例4　关于激光的应用问题，下列说法中正确的是(　　)‎ A.光纤通信是应用激光方向性非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的 B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点 C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 14‎ D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 答案　C 解析　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性好，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的方向性好，B错误；医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高、强度大的特点，C正确；激光测距利用的是激光的方向性好的特点，D错误.‎ ‎1.(光的衍射)让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，则在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)(　　)‎ A.三角形光斑　倒立的烛焰　明暗相间的圆环 B.三角形光斑　圆形光斑　倒立的烛焰 C.倒立的烛焰　圆形光斑　明暗相间的圆环 D.三角形光斑　明暗相间的圆环　倒立的烛焰 答案　A 解析　当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示，随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗.‎ ‎2.(单缝衍射与双缝干涉的比较)如图8所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是(　　)‎ 图8‎ A.a、b是光的干涉图样 B.c、d是光的干涉图样 C.形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长短 14‎ D.形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短 答案　A 解析　干涉条纹是等间距的条纹，因此a、b是干涉图样，c、d是衍射图样，故A项正确，B项错误；由公式Δx＝λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长，故C项错误；c图样的光的波长比d图样的光的波长长，故D项错误.‎ ‎3.(光的偏振的应用)(多选)鉴别奶粉的质量，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α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了.如图9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，则下列说法中正确的是(　　)‎ 图9‎ A.到达O处的光的强度会明显减弱 B.到达O处的光的强度不会明显减弱 C.将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片B转过的角度等于α D.将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片A转过的角度等于α 答案　ACD 解析　自然光通过偏振片后得到振动方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；若将A或B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，说明它们转过的角度等于α，故C、D都正确.‎ ‎4.(激光的应用)(多选)激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空.激光火箭利用了激光的(　　)‎ A.单色性好 B.方向性好 14‎ C.高能量 D.相干性好 答案　BC 解析　由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的方向性，同时利用激光的高能量特点.‎ 一、选择题 考点一　光的衍射 ‎1.(多选)用游标卡尺观察光的衍射现象时，下列说法中正确的是(　　)‎ A.游标卡尺形成的狭缝应平行于日光灯，且狭缝远离日光灯，人眼也远离狭缝进行观察 B.游标卡尺狭缝平行于日光灯观察时，可观察到中央为白色条纹，两侧为彩色条纹，且彩色条纹平行于日光灯 C.狭缝宽度由‎0.5mm缩小到‎0.2mm，条纹间距变宽，亮度变暗 D.狭缝宽度由‎0.5mm扩展到‎0.8mm，条纹间距变宽，亮度变暗 答案　BC 解析　当游标卡尺狭缝平行于日光灯，狭缝远离日光灯时，眼睛应靠近狭缝进行观察，观察到平行于日光灯的彩色条纹，且中央为白色条纹，A错误，B正确；狭缝越小，衍射现象越明显，即条纹间距变宽，但亮度变暗，C正确，D错误.‎ ‎2.(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是(　　)‎ A.其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄 B.其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄 C.其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽 D.其他条件不变，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽 答案　ACD 解析　当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，条纹间距也越宽，黄光波长大于绿光波长，所以A、C正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹间距会变宽，B错误；当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距会变宽，D正确.‎ ‎3.(多选)沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几 14‎ 十米‎，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 答案　BD 解析　根据光发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光能到达地面，据λ＝知，到达地面的光是频率较低的一部分光，故选项B、D正确.‎ ‎4.(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图1所示.激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生的条纹规律相同，则(　　)‎ 图1‎ A.这是利用光的干涉现象 B.这是利用光的衍射现象 C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了 D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了 答案　BD 解析　由题图图样可知，这是利用了光的衍射现象，当丝变细时(相当于狭缝变窄)条纹间距变宽，B、D选项正确.‎ ‎5.某同学使用激光器做光源，在不透光的挡板上开一条宽度为‎0.05mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图2所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　)‎ 图2‎ 14‎ 答案　B 解析　单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，故衍射条纹也是水平的，B对.‎ 考点二　单缝衍射与双缝干涉的比较 ‎6.(多选)关于衍射，下列说法中正确的是(　　)‎ A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果 B.双缝干涉中也存在着光的衍射现象 C.一切波都很容易发生明显的衍射现象 D.影子的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 答案　AB ‎7.如图3所示，a表示单缝，b表示双缝，用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝，在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示亮条纹)，则(　　)‎ 图3‎ A.图c表示单缝衍射条纹，图d表示双缝干涉条纹 B.单缝S越宽，越容易观察到对应的明暗条纹 C.双缝间距离越小，对应条纹间距越大 D.照射双缝的单色光波长越短，对应条纹间距越大 答案　C 解析　根据单缝衍射条纹间距不等，而双缝干涉条纹间距相等，则有题图c表示双缝干涉条纹，题图d表示单缝衍射条纹，故A错误；根据发生明显衍射现象的条件可知，当单缝S越窄时，越容易观察到对应的明暗条纹，故B错误；在双缝干涉中，干涉条纹的间距Δx＝λ，由公式可得，条纹间距与波长λ、缝与屏之间的距离l成正比，与双缝间的距离d成反比，故C正确，D错误.‎ ‎8.一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹，现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　　)‎ 14‎ A.与原来相同的明暗相间的条纹，只是亮条纹比原来暗些 B.与原来不同的明暗相间的条纹，而中央亮条纹变宽些 C.只有一条与缝宽对应的亮条纹 D.无条纹，只存在一片红光 答案　B 考点三　光的偏振 ‎9.(多选)如图所示，一束自然光通过偏振片照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(偏振片上用箭头表示其透射方向)(　　)‎ 答案　ABD 解析　自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光的振动方向与偏振片的透振方向平行时能够通过，垂直时不能通过，所以A、B、D正确.‎ ‎10.(多选)光的偏振现象说明光是横波，下列现象中能反映光的偏振特性的是(　　)‎ A.一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化 B.一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光线是偏振光 C.日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振片，可以使景象更清晰 D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹 答案　ABC 解析　自然光通过第一个偏振片后形成单一振动方向的偏振光，再通过第二个偏振片时，若偏振片的透振方向与此偏振光的振动方向垂直，则无光透过第二个偏振片，若二者平行则透射光最强，故选项A反映了光的偏振特性；一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线垂直时，反射光线和折射光线都是偏振光且偏振方向垂直，选项B反映了光的偏振特性；拍摄水中景物或玻璃橱窗中景物时，由于水或玻璃表面反射光较强，使所拍摄景物不清晰，在照相机镜头前装上偏振片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，则能有效防止反射光进入照相机，从而使所拍景象更清晰，选项C反映了光的偏振特性；选项D 14‎ 中通过手指间的缝隙观察日光灯，看到彩色条纹是光的衍射现象.‎ ‎11.如图4所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置，一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的振动方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化.设偏振片1和偏振片2透振方向相同，关于这种温度计的工作原理，正确的说法是(　　)‎ 图4‎ A.到达偏振片2的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大 B.到达偏振片2的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大 C.到达偏振片2的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小 D.到达偏振片2的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小 答案　B 解析　根据题意知，温度变化越大，光通过光纤时振动方向变化越大，偏振片1和偏振片2的透振方向是相同的，光从光纤中通过时振动方向变化越大，透过偏振片2的光强度就会越小，所以光接收器接收的光强度也就会越小，因此选项B正确.‎ 考点四　激光及应用 ‎12.(多选)以下说法中正确的是(　　)‎ A.激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 B.由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象 C.光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物 D.普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息 答案　ACD 二、非选择题 ‎13.(光的衍射)某同学自己动手制作如图5所示的装置观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，‎ 14‎ B为双缝屏，整个装置位于一暗箱中，实验过程如下：‎ 图5‎ ‎(1)该同学用一束太阳光照射A屏时，C屏上没有出现干涉条纹；移去B屏后，在C屏上出现不等间距条纹，此条纹是由于______________产生的.‎ ‎(2)移去A屏后，遮住缝S1或缝S2中的任一个，C屏上均出现一窄亮斑，出现以上实验结果的主要原因是______________________________________.‎ ‎(3)若光通过缝S1或缝S2后在C屏上依次出现如图6甲、乙、丙、丁所示条纹，说明了什么？________________________________________________________________________.‎ 图6‎ 答案　(1)光的衍射　(2)双缝S1、S2太宽　(3)缝S1或缝S2越来越窄 解析　(1)移去B屏后只剩下单缝，故发生单缝衍射现象形成条纹，故此条纹是由于光的衍射产生的.‎ ‎(2)没有出现明暗相间的条纹而只出现一个窄亮斑，说明衍射现象不明显，故主要原因是双缝S1、S2太宽.‎ ‎(3)从四张照片的单缝衍射图样可以看出，由题图甲到题图丁，衍射现象越来越明显，说明缝S1或缝S2越来越窄.‎ 14‎