【同步学练】高中物理人教版(2019)选择性必修1：第4章5.光的衍射6.光的偏振激光学案(教师版)

5．光的衍射6．光的偏振激光1．了解光的衍射现象、偏振现象，知道激光的特性。2．知道自然光和偏振光的区别。3．借助实例分析推理知道光是横波。4．通过观察得出光明显衍射的条件。5．经历光的偏振实验的过程，体会偏振光的特性。6．通过生活中实例观察，引导学生体会物理之美，培养学习兴趣。光的衍射与衍射光栅1．光的衍射(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)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。(3)发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸跟光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显。一般情况下，障碍物的尺寸比光的波长大得多，衍射现象不明显，故可近似认为光沿直线传播。2．衍射光栅(1)结构：由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件。(2)衍射图样特点：与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。取三块不透光的板，在每块板的中间各开一个圆孔，三块板所开的圆孔大小不一。先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑图a；再换上圆孔中等的那块板，在屏上会出现图b；最后用圆孔最小(直径约为1mm)的那块板，在屏上会出现图c。①图b中的屏上产生了什么现象？②比较屏上图b和图c说明了什么？提示：(1)①衍射。②孔越小，衍射现象越明显。(2)在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片。1．产生明显衍射的条件障碍物的尺寸可以跟光的波长相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。由于波长越长，衍射性越好，所以观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多。2．三种不同的衍射现象及特点(1)单缝衍射。①现象：如图所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象。②单缝衍射图样的四个特点：a．中央条纹亮而宽。b．两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱。c．波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，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。d．白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。(2)圆孔衍射。①现象：圆孔衍射如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图乙(a)中所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙(b)中所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环。②圆孔衍射图样的两个特点：a．单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外，亮环亮度越低。b．白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象。①现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，如图乙中(c)所示。②障碍物的衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，圆形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。与小孔衍射图样有明显区别。【典例1】(2022·内蒙古北重三中期中)如图所示，甲、乙、丙、丁四个图样是两种单色光用同样的仪器形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点(黑色为亮条纹，甲图样的亮条纹间距比乙图样大，丙图样中央亮纹比丁图样宽)可以得出的正确结论是()A．甲、乙是光的衍射图样，丙、丁为光的干涉图样B．甲、乙是光的干涉图样，丙、丁为光的衍射图样C．形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短D．在同种介质中，形成甲图样的光的折射率比形成乙图样的光的折射率大B[双缝干涉图样的条纹是等间距的，而衍射条纹间距不相等，则知a、b是光的干涉图样，c、d是光的衍射图样，故A错误，B正确；根据Δx＝ldλ可知，光的波长越长，双缝干涉相邻条纹间距越大，则知形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长长，故C错误；波长越长，频率越小，折射率越小；形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长长，则形成区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄。(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗。[跟进训练]1．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．彩色弧形条纹C[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)，白炽灯发出的是复色光，可以看到间距不同的、彩色的衍射条纹，条纹与狭缝平行，为彩色的直条纹，故C正确，A、B、D错误。]2．利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是()A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大A[单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，选项A正确。]光的偏振1．偏振(1)不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能不同的现象，称为“偏振现象”。(2)横波的振动方向称为“偏振方向”。(3)偏振现象是横波的特有现象，纵波没有偏振现象。2．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，沿这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，这个偏振方向叫作透振方向。(2)自然光：由太阳、电灯等普通光源发出的光，它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。(3)偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光叫作偏振光。(1)通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，偏振片不改变光的频率和颜色。(2)偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实的狭缝。3．偏振现象的应用摄影中应用偏振光：为了消除反射光的影响，在镜头前安装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱了反射光进入镜头。如图所示，一束自然光通过偏振片(偏振片上用箭头表示其透振方向)照射到光屏上。问题：上面各图中光屏亮暗情况如何？提示：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垂直时不能够通过，故甲乙丁图中光屏是亮的，丙图中光屏是暗的。1．偏振片和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，只有沿着某个特定方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。2．自然光和偏振光的比较种类自然光偏振光成因从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光振动方向在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向经偏振片后现象比较如图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化如图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗【典例2】(多选)在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图所示，则下列说法不正确的是()A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱AC[P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P的透振方向一致，所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时通过Q的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱，故选A、C。]对偏振光的理解(1)自然光通过一个偏振片成为偏振光，透射光的偏振方向与偏振片的放置有关，但光的强度与偏振片的方向无关。(2)偏振光通过偏振片时，透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。[跟进训练]3．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C[白炽灯光是自然光，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。]激光的特点与应用1．激光激光是原子受激辐射产生的光，发出的光的频率相同、相位差恒定、振动方向一致。2．激光的特点(1)高度的相干性：激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好。激光的频率单一、颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。(2)平行度好：从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。(3)亮度高：激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。激光的特点及应用特点性质应用相干性激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度进行精确的测距；读取光盘上记录的信息等亮度高它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量用激光束切割、焊接；医学上可以用激光做“光刀”；激发核反应等【典例3】(多选)(2022·山东日照莒县高二月考)激光的诞生是一件大事，它使人类获得了极其理想的、自然界中几乎不存在的光源。下列关于激光的特性及其应用，说法正确的是()A．医学上用激光“焊接”剥落的视网膜，是利用激光的相干性B．实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验，是利用激光的相干性C．激光能够比较精确地测量地球到月球的距离，是利用激光的平行度好的特点D．激光束很容易给坚硬的材料上打孔，是利用激光的亮度高的特点BCD[医学上用激光“焊接”剥落的视网膜，是利用激光的亮度高、强度大、能量集中的特点，A错误；实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验，是利用激光频率单一，相干性好的特点，B正确；激光能够比较精确地测量地球到月球的距离，是利用激光的平行度好的特点，C正确；激光束很容易给坚硬的材料上打孔，是利用激光的亮度高、强度大、能量集中的特点，D正确。][跟进训练]4．(多选)(2022·江苏扬州检测)纳米科技是跨世纪新科技，将激光束宽度聚焦到纳米范围，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，未来能把至今尚令人类无奈的癌症彻底根除，这主要是利用了激光的()A．单色性 B．方向性好C．高能量 D．偏振性BC[激光用于医疗，修复人体器官及对DNA分子修复等，是因为激光有非常好的方向性和非常高的能量。]1．(2022·山东枣庄检测)下列现象中属于光的衍射现象的是()A．雨后天空美丽的彩虹B．阳光下肥皂膜的彩色条纹C．光通过三棱镜产生的彩色条纹D．对着日光灯从两铅笔缝中看到的彩色条纹D[雨后天空美丽的彩虹，这是太阳光通过悬浮在空气中细小的水珠折射而成的，白光经水珠折射以后，分成各种彩色光，这种现象叫作光的色散现象，A错误；日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹属于光的干涉，故B错误；一束白光通过三棱镜形成彩色光带属于光的折射现象，故C错误；通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹，属于单缝衍射，故D正确。]2．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样。下图中属于光的单缝衍射图样的是()A．甲、丙B．乙、丙C．甲、丁D．乙、丁D[图(a)中是等间距的光的干涉图样，图(b)是单色光的单缝衍射图样，图(c)是水波的衍射图样，图(d)是白光的单缝衍射图样，可见D正确。]3．某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条宽为0.05mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是()ABCDB[根据衍射条纹的特点进行判断，光的衍射条纹与狭缝平行，且中间宽、两边窄，不等间距，故B项正确，A、C、D项错误。]回归本节知识，自我完成以下问题：1．光发生明显衍射的条件是什么？提示：障碍物或孔的尺寸与波长相差不多，甚至比波长还小。2．什么是光的偏振现象？提示：只有沿偏振片的“透振”方向振动的光才能透过偏振片