教科版选修34 光的波动性 光的衍射与偏振 课件 （共74 张）.ppt

5 3光的衍射与偏振 一 光的衍射 光的干涉现象证明了光具有波动性 光既然是一种波 那么光在传播过程中是否也能发生波所特有的衍射现象呢 如果有衍射现象 为什么在日常生活中我们没有观察到光的衍射现象呢 水波 声波都会发生衍射现象 它们发生衍射的现象特征是什么 水波的衍射 s1 观察思考 在不透明的屏上装有一个宽度可以调节的单缝 或圆孔 在单缝 或圆孔 后适当距离处放一个光屏 用激光照射单缝 或圆孔 观察当单缝 或圆孔 由较宽 大 逐渐变窄 小 时 屏上所呈现的现象 用白光直接照射单缝 或圆孔 你在屏上又会看到什么现象 著名的数学家泊松根据物理学家菲涅尔提出的波动理论推算出在光照射不透明的小圆板时 由于衍射 在圆板阴影的中心应该出现一个亮斑 他认为这是非常荒谬的 以企图驳倒菲涅尔的波动理论 菲涅尔与阿拉果 同为法国物理学家 接受了泊松的挑战 反复实验 发现圆板中心确有一个亮斑 如图所示 反过来 泊松亮斑 实验却成了波动理论极其精彩的实证 当单缝 或圆孔 较宽 大 时 光沿着直线方向通过单缝 或圆孔 在光屏上可以看到一条跟单缝 或圆孔 较宽 大小 相当的亮线 或亮斑 把单缝 或圆孔 调窄 小 些 可以看到屏上亮线 或亮斑 也随之减小 当单缝 或圆孔 调到很窄 小 时 光通过单缝 或圆孔 后就明显地偏离了直线传播方向 到达屏上以后 不再是一条很窄的亮线 或一个很小的亮斑 而是照到了相当宽 大 的地方 并且出现了明暗相间的条纹 再调小单缝 或圆孔 条纹也随之变得清晰 细小 如图5 3 2所示 光的直线传播 s 光的衍射 s 单缝衍射条纹 条纹不等间距 中央条纹亮而宽 两侧条纹较暗较窄 对称分布 光的衍射 光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里去的现象 衍射时产生的明暗条纹叫衍射图样 单缝衍射示意图 光的明显衍射条件 障碍物或孔的尺寸小于波长或者和波长差不多 单缝衍射条纹 单缝不变 波长越大 衍射越明显 中央亮纹越宽 波长一定时 单缝越窄 现象越明显 中央亮纹越宽越暗 单缝衍射条纹的特征 光的衍射 1 中央亮纹宽而亮 2 两侧条纹具有对称性 亮纹较窄 较暗 光的衍射 观察下列衍射图样 分析衍射规律 光的衍射 1 波长一定时 单缝窄的中央条纹宽 各条纹间距大 2 单缝不变时 光波波长大的 红光 中央亮纹越宽 条纹间隔越大 3 白炽灯的单缝衍射条纹为中央亮条纹为白色 两侧为彩色条纹 且外侧呈红色 内侧为紫色 单缝衍射规律 以上现象说明光通过很小的狭缝 或圆孔 时 明显地偏离了直线传播方向 在屏上出现的不是在一般情况下狭缝或圆孔的像 而是散开到相当大的范围 按照直线传播的要求应该属于阴影的区域也会出现亮条纹或亮斑 反之 应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑 这种现象 叫做光的衍射 衍射时产生的明暗条纹或光环 叫做衍射图像 各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射 使得影像的轮廓模糊不清 甚至出现明暗相间的衍射条纹 光的衍射现象进一步证明了光具有波动性 既然光是一种波 为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象 而常常看到的是光沿着直线传播的呢 光的衍射图像具有一定的特征 单色光的单缝衍射图像的特点是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 白光通过单缝产生的衍射图像中央是一条白条纹 两边是很快减弱的彩色条纹 圆孔衍射 s 圆孔衍射 光直线传播形成的影 圆屏 圆屏衍射 s 泊松亮斑 在其影子的中心有一个亮斑 小圆孔做衍射 小圆盘和小圆孔做衍射图样特点 活动 用两支铅笔并排放在一起 中间留一条狭缝 通过这一条狭缝去看与狭缝平行的线光源 你看到了什么现象 对此现象进行解释 光的衍射 a b s 1 孔较大时 屏上出现清晰的光斑 2 孔较小时 屏上出现衍射花样 光的衍射 不只是狭缝和圆孔 各种不同形状的物体都能使光发生衍射 以至使影的轮廓模糊不清 其原因是光通过物体的边缘而发生衍射的结果 历史上曾有一个著名的衍射图样 泊松亮斑 衍射光栅 衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离的排列起来形成的光学仪器 可分为透射光栅和反射光栅 机械横波与纵波的区别 机械波穿过狭缝 二 光的偏振 用手握住绳的一端 另一端固定 手做垂直于绳方向的抖动 在绳上就形成了横波 如果在绳波传播的路程中放带有狭缝的栅栏 图5 3 3 我们看到 当狭缝的方向与绳的振动方向相同时 绳上横波可以传过去 狭缝的方向与绳的振动方向垂直时 绳上横波就不能通过了 这种现象叫做偏振 光是否也有偏振现象呢 观察思考 取一块人造偏振片 通过它去观察一只发光的灯 我们看到它是透明的 以入射光线为轴转动偏振片 透过的光并没有发生变化 如图5 3 4所示 再取一块同样的偏振片 把它放在前一块偏振片的后面 让它们互相平行 固定前一块偏振片 以入射光为轴转动后一块偏振片 如图5 3 4 b 所示 你看到了什么现象 在这里发生了什么变化 这两块偏振片算不算透光的物体 0或 1800时 i2 i1光强最强 讨论 900或 2700时 i 0光强最弱 我们看到 当只有一块偏振片时 无论怎样转动偏振片都能看到光通过 若有两块偏振片时 改变它们的相对指向到一定程度时就看不到光通过了 在这里发生的现象可以用光的偏振来解释 从理论上可以证明电磁波是横波 电磁波在自由空间传播的过程中 变化电场e和变化的磁场b的方向与传播方向垂直 图5 3 5表示了一列沿z方向传播的光波 光是电磁波 e的方向就是光振动的方向 在图中e沿 x方向 如果光振动的方向限在一个平面 这种光叫线偏振光 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 形象说明偏振片的原理 通光方向 腰横别扁担进不了城门 只有横波有偏振现象而纵波无偏振问题 如何检验光的横波性呢 用偏振片检验 通光方向 通 不通 检偏 用起偏器获取偏振光 1 线偏振光 线偏振光的图示 也叫面偏振光偏振光完全偏振光 在纸面内振动 垂直纸面的振动 2 自然光普通光源发光 在垂直传播方向的平面内各个方向的光振动全有各个振动方向的强度相等 自然光通过第一个偏振片 起偏器 只允许某个方向振动的光通过 后 成为偏振光 偏振光再通过第二个偏振片 检偏器 当振动方向与偏振片的透振方向一致时透射光最强 与偏振片透振方向互相垂直时 透射光最弱 如果在自然光 如灯光 太阳光 传播的方向上放一偏振片时 其中只有那些光振动方向与偏振片透光方向平行的成分可以通过偏振片 于是就得到了线偏振光 使线偏振光射向另一块偏振片时 如果这块偏振片的透光方向正好和入射的线偏振光振动方向垂直 这束线偏振光就不能通过了 如果这两个方向相同 它就可以无阻碍地通过第二块偏振片 如果这两个方向成一个任意角度 将只有部分线偏振光通过第二块偏振片 光的偏振现象进一步证实光是横波 检偏器 线偏振光 偏振片p 明 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 自然光 偏振片p 明 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 自然光 线偏振光 偏振片p 明 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 自然光 线偏振光 偏振片p 明 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 自然光 自然光 线偏振光 偏振片p 明 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 自然光 检偏器 偏振片p 明 自然光 线偏振光 线偏振光 自然光 线偏振光 演示实验 1 自然光通过一个偏振片 现象 偏振片旋转过程中透射光的强度不变 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 偏振片 偏振片 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 起偏器p 检偏器q 自然光 线偏振光 两偏振片的偏振化方向相互垂直光强为零 演示实验 2 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 三 双缝干涉与单缝衍射图样的比较 衍射现象和干涉现象条纹的不同点和相同点 1 相同点 由于光的叠加而产生的 明暗相间的 2 不同点 双缝的条纹是等间距的各条纹的亮度差别较小 条纹条数较多 3 衍射条纹不等间距 中央条纹亮而宽 两侧条纹较暗较窄 对称分布 光的偏振在科学技术及工业生产中有着广泛的应用 比如在机械工业中 利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况 这就是光测弹性力学的课题 在化工厂里 我们可以利用偏振光测量溶液的浓度 偏光干涉仪 偏光显微镜在生物学 医学 地质学等方面有着重要的应用 在航海 航空方面则制出了偏光天文罗盘 下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例 1 汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时 为了避免双方车灯的眩目 司机都关闭大灯 只开小灯 放慢车速 以免发生车祸 如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片 而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角 那么 司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光 而看不到对面车灯的光 这样 汽车在夜间行驶时 即不要熄灯 也不要减速 可以保证安全行车 四 偏振光的应用 另外 在阳光充足的白天驾驶汽车 从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光 常会使眼睛睁不开 由于光是横波 所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的 因此 只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光 2 观看立体电影在拍摄立体电影时 用两个摄影机 两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛 它们同时分别拍下同一物体的两个画像 放映时把两个画像同时映在银幕上 如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面 就可以使观众得到立体感 为此 在放映时 两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片 两个偏振片的偏振化方向相互垂直 观众戴上用偏振片做成的眼镜 左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同 右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同 这样 银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察 在人的脑海中就形成立体化的影像了 偏光镜头立体电影 3 生物的生理机能与偏振光人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的 但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感 比如蜜蜂有五支眼 三支复眼 两支复眼 每个复眼包含有6300个小眼 这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位 然后以太阳为定向标来判断方向 所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛 再如在沙漠中 如果不带罗盘 人是会迷路的 但是沙漠中有一种蚂蚁 它能利用天空中的紫外偏光导航 因而不会迷路 光的偏振现象有很多应用 如在拍摄日落时水面下的景物 池中的游鱼 玻璃橱窗里的陈列物的照片时 由于水面或玻璃表面的反射光的干扰 常使景像不清楚 如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片 让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直 就可以减弱反射光而使景像清晰 相机拍摄 c 用偏光镜消除了反射偏振光使玻璃门内的人物清晰可见 a 玻璃门表面的反光很强 b 用偏光镜减弱了反射偏振光 橱窗设计 例1 如图 p是一偏振片 p的透振方向 下列入射光中 哪几种照射时 能在p的后方观察到透射光的是 a太阳光b沿竖直方向振动的光c沿水平方向振动的光d沿与竖直方向成45 角振动的光 abd p 精讲细练 例2 为什么平时隔墙可以听见别人的声音却看不到人 解析 声音的波长比光的波长大的多 更容易发生明显衍射 即更容易绕过障碍物向前传播 例3 下列现象属于光的衍射现象的是 a 雨后天空出现绚丽的彩虹b 阳光下肥皂膜上的彩色条纹c 太阳光通过三棱镜产生的彩色条纹d 对着日光灯从铅笔缝里看到的彩色条纹e 在两块相互压紧的平行玻璃板面上看到的彩色条纹f 激光防伪商标看起来是彩色的答案 d 1 用单色光照射双缝 在像屏上观察到明暗相间的干涉条纹 现用遮光板将其中的一个缝挡