高考物理 光的偏振 激光知识和试题经典解析

问题1：什么是偏振现象？答：在学习《3.1

波的形成》时，我们知道波可以分成横波和纵波：如图所示，横波又叫“凹凸波”，其振动方向与传播方向垂直；纵波又叫“疏密波”，其振动方向与传播方向在一条直线上。如果波在传播过程中遇到一条狭缝，狭缝对横波和纵波的传播影响不同。如左图所示，当横波通过狭缝时，若狭缝的方向与振动方向相同时（图a），波会不受阻碍地继续向前传播；若狭缝的方向与振动方向垂直时（图b），波会受到阻碍不能通过狭缝。但如右图所示，当纵波通过狭缝时，不论狭缝的方向如何，纵波都将会穿过狭缝继续传播（图c）。上述过程中，横波不同于纵波的现象称为横波的偏振现象。偏振现象是横波特有的现象。问题2：如何通过实验观察光的偏振现象？答：1809年，法国物理学家马吕斯第一次通过如图所示的实验装置观察到了光的偏振现象，实验发现：当用两块特殊晶体观察蜡烛的火焰时，旋转其中一块晶体，眼睛看到的火焰的亮度会发生变化，转动到某一位置时火焰的亮度几乎为零，转动到另一个位置时，火焰的亮度最强。我们用如图所示的实验装置重复马吕斯的实验可以观察到同样的现象，其中装置中的P和Q是右图所示的偏振光片。每个偏振光片有自己的透振方向，任何光经过偏振光片剩下的只是其振动沿透振方向的分量。偏振是横波特有的现象，因此光能够发生偏振现象说明光是横波。子问题：上述实验中，为什么不能只用一个偏振片来观察光的偏振现象？答：实验中如果只用一个偏振片观察普通光源（太阳、灯泡、蜡烛等）发出的光，旋转偏振片时会发现透射光的强度基本不发生变化。

这是因为普通光源的光是光源中的分子或者原子发出的（关于物体发光的原理会在选择性必修3原子结构中作简单介绍），

在垂直于传播方向的平面内包含着所有方向的振动，如图所示，具有这种特点的光被称为自然光。如图所示，让自然光只经过一个偏振光片，不管如何旋转偏振片，透过偏振片后的光强总是相同，因此仅仅通过一个偏振片看自然光无法观察到光的偏振现象。自然光经过偏振片后，在垂直于传播方向的平面内光只沿一个特定的方向（即偏振片的透振方向）振动，这种光称为偏振光。从自然光获得偏振光的过程称为起偏，产生起偏作用的光学器件称为起偏器，偏振片是一种常见的起偏器。前面进行的实验中，偏振片P就是一个起偏器。偏振片Q可以检验入射光是否为偏振光，因此又被称为检偏器。问题3：如何利用电磁理论解释光为什么是横波？答：根据麦克斯韦的电磁场理论，当电场矢量在xOz平面内振动时，磁场矢量在yOz平面内振动，电场和磁场变化激发的电磁波将沿z轴方向传播。电场和磁场的振动方向垂直于其传播方向，因此电磁波是横波。麦克斯韦的电磁场理论不仅预言了电磁波的存在，并推导得出了电磁波的传播速度。将理论推导的电磁波的传播速度与1849年斐索用齿轮法测得的光速进行比较，麦克斯韦提出“光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的”。

1888年，赫兹在用如图所示的实验装置测量了电磁波的传播速度，以充分的实验证据证明了电磁波和光波的统一性。问题4：光的偏振在生产生活和科学技术中有哪些应用？答：如图所示，立体电影在拍摄时从两个角度同时拍摄，放映时也由两台放映机同步放映。观看立体电影时的3D眼镜就是两个偏振片，其透振方向相互垂直，这样使得观看者每只眼睛只看到一个角度的图像，从而产生了立体效果。科学研究发现自然光经过物体反射和透射后的光都是偏振光（背后的物理原理需要利用电磁理论解释，高中阶段不做要求）。因此摄影时使用偏振镜可以减少反射光的干扰，使拍摄的照片更清晰；钓鱼爱好者佩戴偏振眼镜后能更清晰地观察水面；汽车前车灯的玻璃罩和前车窗贴上相应的偏振膜后可以让司机在夜间两车会车时对面车辆的灯光不再刺眼，更大限度地保证行车安全；登山运动员在攀登雪峰时会带上特殊的眼镜，保护眼睛免受雪地强反射光的伤害。科学研究还发现偏振光的透振方向在通过某些物质后会发生旋转，这个现象称为旋光现象。如图所示，生活中常见的手表、手机

等数字化仪表中的液晶显示就利用了液晶的旋光性。问题5：激光是如何产生的？

答：激光的英文是laser，其英文全称为“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”，意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全称描述了激光的产生过程。根据玻尔的能级理论（选择性必修3会详细介绍）：原子核外的电子在分立的轨道上绕核旋转，电子在不同的轨道上时原子具有的能量不同；其中能量最低的状态称为基态，能量较高的状态称为激发态；电子可以从一条轨道运动到另一条轨道上，使原子在不同的能级之间来回转换，这个过程称为跃迁；处于基态的原子可以吸收一定能量跃迁到激发态上，处于激发态的原子也可以释放一定能量跃迁到较低的能级上；从激发态跃迁到较低能级上时，原子的能量将以光子的形式释放，大量原子释放大量光子的过程就是物体的发光过程。这一过程中释放的光子各种能量都有，各个方向都有，因此发出的光就是自然光。1916年，爱因斯坦在研究辐射问题时，根据分立能级的原子预言了受激辐射的存在。如图所示，爱因斯坦认为，处于激发态的原子，可以在外来光子（能量需满足一定条件）的作用下，从激发态向低能态跃迁，从而辐射出光子，这个过程就称为受激辐射。受激辐射产生的光子又会激发更多处于激发态的原子向低能态跃迁辐射出更多光子，从而放大了受激辐射的效果。1960年，美国物理学家梅曼制成了世界上第一只红宝石激光器，爱因斯坦的预言得到了证实。问题6：激光具有哪些特点？在生产生活中有哪些相应的应用？答：激光具有如下特点：①方向性好。如图所示，激光的方向性好是因为激光器的谐振腔具有特殊的结构，进入谐振腔内的光只有传播方向与谐振腔平行的光子才能在腔体内来回反复反射受激放大，偏离轴线的光子会有的直接逸出腔外，有的被反射几次后逸出腔外。因此从激光器输出的激光束是与谐振腔的轴线平行一致的光束。因为方向性好激光被广泛的应用于测

距、通信（光纤通信）、雷达和制导等方面。②单色性好，相干性好。激光的单色性好和相干性好是因为原子发生受激辐射时辐射出的各个光子频率相同，振动情况也完全相同，所以激光是最好的