新设计物理人教版选修3-4讲义第十三章光13-5

[目标定位]1.观察光的衍射现象，认识衍射条纹的特点．区分双缝干涉与单缝衍射的图样.2.知道产生明显衍射现象的条件.3.观察光的偏振现象，知道光是横波.4.知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的一些应用．一、光的衍射衍射光栅1．用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方．这就是光的衍射现象．2．发生明显衍射现象的条件：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，衍射现象十分明显．注意：衍射现象明显是指光绕到阴影区域的范围更大，随着缝、孔的减小，衍射条纹的宽度增大，但条纹亮度减弱．3．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹．4．衍射图样的特点(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．(填“宽”或“窄”)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．(填“宽”或“窄”)(2)图1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．(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，这就是着名的泊松亮斑．衍射图样如图2所示．图2②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．5．衍射光栅(1)构成：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件．(2)增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．(3)种类：透射光栅和反射光栅．【深度思考】沙尘暴是由于土地沙化引起的恶劣气象现象，对人类的生存造成极大的危害，发生沙尘暴时能见度只有几十米甚至几米，天空变黄发暗，或者变成橙黄偏红．你能用光的衍射的知识解释天空颜色变化的原因吗？答案可见光中红光的波长最长，也是衍射效果最明显的，但波长较长一些的橙光、黄光也是相对衍射明显的．所以，人在地面看到的光，其实是由红光、橙光、黄光等混合在一起，让人有一种天空变暗(总的光较少，亮度小)，且天空变黄或橙黄偏红的感觉．【例1】(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是()A．将入射光由黄光换成绿光，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，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，条纹间距越大，B错误；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，D正确．答案ACD二、单缝衍射与双缝干涉的比较1．不同点(1)产生条件eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(单缝衍射：只要狭缝足够小?填“大”或“小”?,双缝干涉：频率相同的两列光波相遇叠加))(2)图样eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(单缝衍射的图样是中央为最宽最亮的亮条纹，,两侧亮条纹变暗变窄,双缝干涉的图样是亮度相同的等间距的条纹))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削弱的结果．(2)都是波特有的现象，表明光是一种波．【例2】如图3所示，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3A．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D．形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短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＝eq\f(l,d)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．答案A针对训练关于光的干涉和衍射现象，下列说法正确的是()A．光的干涉现象遵循波的叠加原理，衍射现象不遵循波的叠加原理B．光的干涉条纹是彩色的，衍射条纹是黑白相间的C．光的干涉现象说明光具有波动性，光的衍射现象不能说明这一点D．光的干涉和衍射现象都是光波叠加的结果解析光的干涉现象和光的衍射现象都是波的特有现象，都是光波叠加的结果，白光的干涉条纹是彩色的，白光的衍射条件也是彩色的，只是条纹间距特点及亮度特点不同而已．答案D三、光的偏振1．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”．2．自然光和偏振光(1)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上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同．这种光是“自然光”．(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫做偏振光．3．对光的偏振的理解(1)偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是刻上的真实狭缝．(2)只要光的振动方向不与透振方向垂直，都可以不同程度地通过偏振片，不过强度要比振动方向与透振方向平行的光弱一些．(3)光的偏振现象表明光是一种横波．4．偏振现象的应用照相机镜头前的偏振滤光片、电子表的液晶显示、立体电影、车灯眩光的消除等．【深度思考】夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全．若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体．有位同学设计了两个方案：方案一，前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向一个水平，一个竖直；方案二，前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°.你认为哪个方案可行？为什么？答案方案二可行．方案一司机看不到自己车灯照到物体上反射回的光线；方案二可以做到即可以看到自己车灯照到物体上反射的光线，又可避免对方灯光透射进本车．【例3】(多选)如图4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4A．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处将看到光亮解析自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向振动是均匀分布的，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A偏振片后，即变为偏振光，故B对；设通过A的光沿竖直方向振动，而B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，将B转过180°后，P处仍无光亮，故C错；故将B转过90°，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．答案BD针对训练两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯前面，有光通过，如果将其中一片旋转180°，在旋转过程中可能会产生哪种现象()A．透过偏振片的光强先增强，然后又减小到零B．透过的光强先增强，然后减小到非零的最小值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，然后又增强解析旋转其中一个偏振片时，根据两个偏振片的透振方向平行时光强最强，透振方向垂直时光强最弱的原则，可知旋转其中一个偏振片时，光强的变化可能出现先增强，再减弱，然后又增强的现象，也可能出现先减弱，后增强，再减弱的现象．答案D1．(发生明显衍射的条件)(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，根据λ＝eq\f(c,f)知，能到达地面的光是频率较低的那部分光．故选B、D.2．(光的衍射)(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图5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，则下列描述正确的是()图5A．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解析上述现象符合光的衍射产生的条件，故B正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故D正确．3．(光的衍射与干涉的比较)(多选)如图6所示，甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样．下列判断正确的是(图中黑色表示亮条纹)()图6A．甲为单缝衍射的图样B．乙为双缝干涉的图样C．甲为双缝干涉的图样D．乙为单缝衍射的图样答案AB解析双缝干涉图样的条纹是等宽等间距的，单缝衍射的条纹是中间宽、两侧逐渐变窄，由此可见选项A、B正确．4．(光的偏振的应用)(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是()A．自然光通过起偏振器后成为偏振光，利用检偏振器可以检验出偏振光的振动方向B．立体电影利用了光的偏振现象C．茶色眼镜利用了光的偏振现象D．拍摄日落时水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响答案ABD5．(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7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7A．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αD．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．题组一光的衍射1．(多选)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波波长相比相差不大甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象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沿直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性答案ABD解析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很多的情况下，光才可以看成是直线传播的，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.2．关于衍射现象，下列说法正确的是()A．泊松亮斑是光的衍射现象B．当障碍物的尺寸比波长大很多时，能发生明显的衍射现象C．缝的宽度越小，光的传播路线越接近直线D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象答案A3．(多选)在用单色平行光照射单缝以观察衍射现象时，下面说法正确的是()A．缝越窄，衍射现象越明显B．缝越宽，衍射现象越明显C．照射光的波长越短，衍射现象越明显D．照射光的波长越长，衍射现象越明显答案AD解析由于可见光的波长非常短，一般为微米数量级，所以，当缝越窄时衍射现象越明显，对光波而言，波长越长的光，其衍射越容易发生，现象越明显，故A、D正确，B、C错误．4．在一次观察光衍射的实验中，观察到如图1所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹)，那么障碍物应是()图1A．很小的不透明的圆板B．很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C．很大的不透明的圆板D．很大的中间有小圆孔的不透明的圆板答案D解析由题图可知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，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，故选项D正确；很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点，但其周围有一个大的阴影区，在影区的边缘有明暗相间的圆环，它与圆孔衍射的图样是不同的．5．如图2所示，在“观察光的衍射现象”实验中，保持缝到光屏的距离不变，增加缝宽，屏上衍射条纹间距将________(选填“增大”“减小”或“不变”)；该现象表明，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在________情况下，光才可以看成是沿直线传播的．图2解析增加缝宽，可以使条纹间距减小；当障碍物的尺寸比光的波长大得多时，光的衍射现象不明显，光将沿直线传播．答案减小障碍物的尺寸比光的波长大得多题组二光的衍射与干涉的比较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解析干涉和衍射都是波叠加的结果，干涉中有衍射现象，衍射中也有干涉现象．当障碍物的尺寸远大于波长时，衍射现象不明显，因而形成影子．但影子的形成与衍射现象并不矛盾．7．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，图3的四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是()图3A．a、cB．b、cC．a、dD．b、d答案D解析单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样．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()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．与原来不相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解析双缝为相干光源的干涉，单缝为光的衍射，且干涉和衍射的图样不同．衍射图样和干涉图样的异同点：中央都出现亮条纹，但衍射图样中央亮条纹较宽，两侧都出现明暗相间的条纹，干涉图样为等间隔的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间隔的明暗相间的条纹，且亮度迅速减弱，所以本题正确选项为B.题组三光的偏振9．(多选)关于自然光和偏振光，以下说法正确的是()A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不相同B．偏振光是在垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光答案BD10．(多选)如图所示，一束自然光通过起偏振器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透射方向)()答案ABD解析自然光通过起偏振器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏振器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．11．(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光片，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，若偏振片的透射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反映了光的偏振现象；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；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光片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，则有效防止反射光进入照相机，从而所拍景象更清晰，选项C反映了光的偏振；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．12．(多选)如图4所示，P是竖直方向的偏振片(用实线表示透振方向)，下列四种光束中，哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光()图4A．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°角振动的光答案ABD解析只要光的振动方向不与偏振片的透振方向垂直，光都能通过偏振片