2019-2020学年高中物理 第4章 光的波动性 3 光的衍射 4 光的偏振与立体电影学案 沪科版选修3-4

光的衍射 光的偏振与立体电影1.知道光的衍射现象及产生明显衍射的条件.(重点)2.了解几种不同衍射现象的图样.(重点、难点)3.知道光的偏振现象及偏振是横波特有的性质.(重点）4.了解偏振光与自然光的区别，掌握光的偏振的应用.一、研究光的衍射现象(如图所示)1.光的衍射现象：光偏离直线传播绕过障碍物进入阴影区域里的现象.2.产生明显衍射的条件：障碍物或孔(缝)的尺寸与光波波长相差不多或更小.3.单色光单缝衍射图像特点：中央条纹又宽又亮，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹.4.产生衍射现象的原因：单缝衍射是来自单缝波阵面上无穷多个子波的相干叠加.从本质上讲，干涉和衍射并没有本质的区别，但一般来说，人们常把几个分立光束的相干叠加叫做干涉.把波阵面无穷多个子波的相干叠加叫做衍射.1.找一根鹅、鸭的白色翎毛，白天隔着翎毛看太阳，或在晚上拿着翎毛去看1 m外的白炽灯，你会看到什么现象？为什么会有这种现象呢？提示：会看到翎毛的颜色色彩斑斓，产生这种现象的原因是翎毛上有许多细缝，在自然光的照射下，产生了衍射现象.二、光的偏振与立体电影1.感知光的偏振现象及探究偏振片的原理(1)偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，其光振动方向只沿着偏振片的特定方向，这种现象就叫光的偏振，这个方向叫做透振方向，这样的光叫偏振光.(2)自然光：由太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这样的光叫做自然光.2.偏振现象在生产生活中的应用(1)立体电影.(2)液晶显示屏.2.为什么摄影师在拍摄水面下的景物时，在镜头前装一片偏振片呢？提示：由于水面反射光的干扰，常使景象不清楚，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，就可使反射来的偏振光不能进入照相机内，从而可拍出清晰的照片.三种衍射图样的特点1. 对明显衍射的理解：障碍物或孔的尺寸跟光的波长接近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射.对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显.2. 三种常见衍射图样(1)单缝衍射图样中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等.越靠外，条纹间距越小.缝变窄，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低.中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关.入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大.用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮.(2)圆孔衍射图样中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小.圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱.用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大.白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环.(3)不透明的小圆板衍射图样与圆孔衍射图样比较均是明暗相间的圆形条纹，中心均有亮斑.圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小.圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小.圆孔衍射图样的外侧是黑暗的，而小圆板衍射图样外侧是明亮的.下列四种现象中，哪些不是光的衍射现象造成的（）a.通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹b.不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑c.在太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子d.用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现亮暗相间的圆环思路点拨 根据发生明显衍射的条件和衍射图样的特点分析.解析光发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多，不符合这个条件，就不是衍射现象造成的结果，因为用游标卡尺两脚狭缝观察发光的日光灯管是学生实验观察光的衍射现象，所以a肯定正确，b和d中都是典型的光的衍射现象，前者是泊松亮斑，后者是典型的衍射，在c选项中，电线的直径要比光的波长大很多，根本不可能发生明显的衍射现象，地面上不留下电线的影子是由于太阳光可以从电线的侧面照射到地面，使地面没有电线的影子.答案c应熟记光发生明显衍射的条件及衍射图样，光一般是沿直线传播的，但当波长与障碍物的尺寸差不多或比障碍物的尺寸大时，就发生了明显的衍射现象. 1.让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，在孔后的屏上将先后出现（）a.由大变小的三角形光斑，直至光斑消失b.由大变小的三角形光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失c.由大变小的三角形光斑，明暗相间的黑白色条纹，直至条纹消失d.由大变小的三角形光斑，小圆形的光斑，明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失解析：选d.当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着小孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着小孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现了明暗相间的衍射条纹，最后随小孔的闭合而全部消失，所以只有d是正确的.对光的偏振现象的理解1.自然光：在与光波传播方向垂直的平面内光振动沿各个方向振动强度都相同的光.如由太阳、电灯等普通光源发出的光.2.偏振光：在光波传播的垂直方向的平面内，只沿着某一个特定方向振动的光.如自然光经一偏振片作用后的光.说明：偏振片是一种特殊的光学器件，由特定的材料制成，它上面有一个特殊的方向（透振方向），只有振动方向与偏振片透振方向平行的光波才能通过偏振片.3.偏振原因：光是横波，是电磁波，场强e和磁感应强度b的振动方向均与波传播的方向垂直，所以光有偏振现象.如图所示：4.偏振光的两种产生方式(1)让自然光通过偏振片.(2)自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直.关于自然光和偏振光，下列观点正确的是（）a.自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能b.只有自然光透过偏振片才能获得偏振光c.自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光d.自然光和偏振光都能使感光底片感光解题探究 (1)自然光和偏振光都能产生干涉和衍射现象吗？(2)自然光和偏振光的振动方向有什么区别？解析振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以a错.光的偏振现象并不罕见，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，所以b错.光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以c错.自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，d对.答案d偏振片是由特殊材料制成的，每个偏振片都有特定的透振方向，沿与透振方向垂直振动的光不能透过偏振片. 2.如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片p和q，a点位于p、q之间，b点位于q右侧.旋转偏振片p，a、b两点光的强度变化情况是（）a.a、b均不变b.a、b均有变化c.a不变，b有变化 d.a有变化，b不变解析：选c.白炽灯光包含各个方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片p时各方向透射光强度相同，故a点光的强度不变；白炽灯光经偏振片p后为偏振光，此时只有偏振片q与p的偏振方向一致时偏振光才能完全透过q，因此在旋转p时b点的光强有变化，选项c正确.单缝衍射与双缝干涉的比较单缝衍射与双缝干涉的比较名称项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生频率相同的两列光波相遇叠加条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点成因都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果意义都是波特有的现象，表明光是一种波如图所示的四幅明暗相间的条纹图样，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（黑色部分表示亮纹）.则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是（）a.红黄蓝紫 b.红紫蓝黄c.蓝紫红黄 d.蓝黄红紫解析双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹.干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光.同一单缝衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光.答案b 随堂检测1.在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是（）a.a、c b.b、cc.a、d d.b、d解析：选d.a为双缝干涉，b为单色光单缝衍射，c为圆孔衍射，d为白光单缝衍射，故选d.2.红光透过双缝在墙上呈现亮、暗相间的条纹，若将其中一条缝封住，在墙上可以观察到（）a.条纹形状与原来相同，但亮度减弱b.一片红色c.仍有条纹，但形状与原来不同d.光源的像解析：选c.红光透过双缝在墙上呈现亮、暗相间的干涉条纹，若将其中的一条缝封住，则在墙上可以观察到单缝衍射条纹，干涉条纹是亮、暗相间的等间距条纹，而单缝衍射条纹是中央又宽又亮，从中央到两侧，条纹宽度减小，亮度减弱，所以两者条纹形状不同，故选c.3.如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片p和q，以光的传播方向为轴旋转偏振片p或q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明（）a.光是电磁波 b.光是一种横波c.光是一种纵波 d.光是概率波解析：选b.太阳光或白炽灯发出的光是自然光，当通过偏振片p后变为偏振光，旋转p或q时，通过p的偏振光的振动方向和q的透振方向不平行时，光屏上透射光的强度就会发生变化，该实验说明光是一种横波，偏振是横波特有的现象.4.抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则（）这是利用光的干涉现象这是利用光的衍射现象如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了a. b.c. d.解析：选b.上述现象符合光的衍射产生的条件，故正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故也正确.课时作业一、单项选择题1.如图所示的四个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样（）解析：选b.泊松亮斑为不透光的圆盘阴影，中心有一亮斑，而周围还有明暗相间的圆环，故b正确.图a小孔较大，没发生明显的衍射，d小孔较小，发生了小孔衍射，c为干涉条纹.2.某些特定环境下照相时，常在照相机镜头前装一偏振滤光片使景像清晰，关于其原理下列说法正确的是（）a.增强透射光的强度b.减弱所拍摄景物周围反射光的强度c.减弱透射光的强度d.增强所拍摄景物周围反射光的强度解析：选b.利用光的偏振现象.偏振滤光片与反射光的振动方向垂直，减弱所拍摄景物周围反射光的强度，使景物清晰，故正确选项为b.3.如图，p是偏振片，p的透振方向（用带箭头的实线表示）为竖直方向.下列四种入射光束中，哪几种照射p时不能在p的另一侧观察到透射光（）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角振动的光解析：选c.太阳光包含垂直传播方向向各个方向振动的光，当太阳光照射p时能在p的另一侧观察到偏振光；沿竖直方向振动的光能通过偏振片；沿水平方向振动的光不能通过偏振片，因为它们相互垂直；沿与竖直方向成45角振动的光也能通过偏振片.综上所述，应选c.4.某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图所示的衍射图样.据此可以判断出（）a.甲是光线射到圆孔后的衍射图样，乙是光线射到圆板后的衍射图样b.乙是光线射到圆孔后的衍射图样，甲是光线射到圆板后的衍射图样c.甲、乙都是光线射到圆孔后的衍射图样，甲孔的直径较大d.甲、乙都是光线射到圆板后的衍射图样，乙板的直径较大解析：选a.甲图的衍射图样为明暗相间的圆环，而乙图为在影的中心有一个亮斑泊松亮斑，故甲为光线通过圆孔后形成的衍射图样，乙为光线射到不透光的圆板上形成的衍射图样，a正确.二、多项选择题5.在单缝衍射实验中，下列说法正确的是（）a.将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄b.使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄c.换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽d.增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽解析：选acd.当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽.故b错误，a、c、d正确.6.对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是（）a.只有障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小的时候，才能发生明显的衍射现象b.光的衍射现象是光波相互叠加的结果c.光的衍射现象否定了光的直线传播的结论d.光的衍射现象说明了光具有波动性解析：选abd.光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的，只有在光的波长比障碍物小的情况下，光才可以看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故上述选项中正确的是a、b、d.7.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十米，天空变黄发暗，这是由于这种情况下（）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.只有频率较大的一部分光才能到达地面d.只有频率较小的一部分光才能到达地面解析：选bd.据光发生明显衍射的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线才能到达地面，据知，到达地面的光是频率较小的部分，故b、d正确.8.关于光的干涉、衍射及其应用，下列说法中正确的是（）a.在光的干涉和衍射现象中，都出现明暗相间的单色条纹或彩色条纹，因此干涉现象和衍射现象是相同的b.水面上的油层在阳光的照射下出现彩色条纹是干涉现象，泊松亮斑是衍射现象c.增透膜增加透射光，减小反射光是利用了光的干涉d.激光防伪商标，看起来是彩色的，这是光的干涉现象解析：选bcd.光的干涉和衍射虽然有很多共性，但属于不同的光现象，a项错误；油膜的彩色条纹是薄膜干涉产生的，泊松亮斑是很小的圆斑，是光衍射产生的，b项正确；增透膜的作用是增加透射光的强度，减小反射光的损失，厚度应等于光波在膜中波长的，其原理利用了光的干涉，c项正确；激光防伪商标的彩色条纹是薄膜干涉引起的，d项正确.9.如图所示是一种利用温度敏感光纤测量物体温度的装置，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，从而使偏振光的偏振方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化，关于这种温度计的工作原理，正确的说法是（）a.到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大b.到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小c.到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越大，表示温度变化越小d.到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越大，表示温度变化越大解析：选ac.光源发出的光经过起偏器之后成为偏振光，若光纤的折射率不发生变化，则在某个方向传播的光是不会发生变化的，那么通过检偏器的偏振光也是一定的，也就是说光接收器所接收的光强度是一定的.若被测物体的温度发生了变化，会导致光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的偏振方向发生变化，根据光的偏振知识可知，到达检偏器的光的偏振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大，反之亦然，因此选项a、c正确.10.奶粉的碳水化合物（糖）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，就能确定被测样品中的含糖量.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，则下列说法中正确的是（）a.到达o处光的强度会明显减弱b.到达o处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处光强度最大，偏振片b转过的角度等于d.将偏振片a转动一个角度，使得o处光强度最大，偏振片a转过的角度等于解析：选acd.自然光通过偏振片后得到垂直于光