《光的衍射 光的偏振 激光》课件

第四章光5光的衍射6光的偏振激光学习目标学法指导1．知道光的衍射现象，知道几种衍射现象的图样2．理解光产生明显衍射的条件3．知道光的偏振现象，知道偏振是横波特有的性质4．了解激光的特性和应用，应用激光观察全息照片1．通过实验培养学生观察、表述物理现象，概括其规律特征的能力2．通过对“泊松亮斑”的讲述，使学生认识到理论必须通过实践检验3．通过众多的光的衍射实验事实和衍射图片来认识光的波动性知识导图课前·自主预习1．定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了_________的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现______________的现象．2．衍射图像：衍射时产生的__________或光环．3．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现________相间的条纹，中央为______条纹，中央条纹最______最亮，其余条纹变______变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现______条纹，中央为______条纹．光的衍射直线传播暗条纹或暗斑

明暗条纹明暗亮宽窄彩色白

4．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现________相间的圆环．5．泊松亮斑：障碍物的衍射现象．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________，这就是著名的__________．6．衍射光栅(1)结构．由许多________的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．(2)衍射图样特点．与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度______，亮度________．明暗

亮斑泊松亮斑

等宽

变窄增加

将一个大的不透明障碍物上的正三角形孔边长从10cm逐渐减小到零，让阳光从孔中通过，在障碍物后暗箱中的屏上可看到什么现象？【答案】开始阶段，孔比较大，在屏上得到一个正三角形亮斑，如图甲所示．随着孔的减小，亮斑也变小；孔再小，在亮斑周围出现一个亮度比较弱的圆，这是小孔成像，如图乙所示．继续减小小孔的尺寸，在光屏上出现彩色的衍射图样，这时是明显的衍射现象；孔再小，光线变弱，直到什么也看不见． (多选)在城市交通中，用红灯表示禁止通行，其原理是

(

)A．红光容易产生干涉B．红光照射的距离大C．红光容易引起人们的视觉反应D．红光容易产生衍射【答案】CD

【解析】红光在可见光中的波长最长，容易发生衍射，在雾天、雨天、沙尘暴等恶劣天气里，使司机和行人都能看到红灯，避免交通事故的发生；同时红光也容易引起人们的视觉反应．故C、D正确．光的偏振偏振现象只有沿偏振片的“________方向”振动的光波才能通过偏振片结论偏振现象表明光是一种________偏振光的形成(1)自然光通过________后得到偏振光(2)自然光在介质表面反射时，______光和______光都是偏振光偏振现象的应用(1)照相机镜头前加装偏振滤光片(2)电子表的液晶显示(3)使用偏振眼镜看3D电影透振横波偏振片

反射折射

自然光经水面反射的光一定是偏振光吗？【答案】自然光经水面反射和折射的光都是偏振光． (多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向．下列四种入射光束照射P时能在P的另一侧观察到透射光的是

(

)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【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．太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片．故A、B、D正确．1．激光的特点及应用激光性质应用(1)相干性强：激光具有频率________、相位差________、振动方向________的特点，具有高度的相干性光纤通信(2)平行度好：激光的________非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度激光________、读取光盘上记录的信息等(3)亮度高：它可以在很小的________和很短的________内集中很大的________用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”、激发核反应等相同恒定一致平行度测距空间时间能量

2．全息照相(1)与普通照相技术的比较．普通照相技术所记录的只是光波的________信息，而全息照相技术还记录了光波的________信息．(2)原理：全息照片的拍摄利用了光的________原理．强弱相位干涉

利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光的哪方面性质？【答案】应用了“平行度”非常好的性质．

激光全息照片的底片上记录了光的干涉条纹，含有被拍摄物体反射的光的所有信息，实现了照片的立体性．若照相时，被摄物体被挡住一部分，通过调整视线仍可看见被挡部分．照片被切开成两半，从一半上仍可看到物体的全像，照片就像一个观察物体的窗口．激光全息照相利用了激光______的性质．【答案】相干性好

【解析】全息照相利用激光的频率单一、相干性好的特点，使参考光和物光有很高的相干性，拍摄立体照片．课堂·重难探究1．产生明显衍射的条件障碍物的尺寸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．对光的衍射的理解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．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，各条纹间距大．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：圆孔衍射如图所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图甲所示的情形，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环的亮度大，外面是明暗相间的不等距的亮圆环．越向外，亮环亮度越低．b．白光的圆孔衍射图样中央圆环为白色，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．②障碍物的衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，与小孔衍射图样有明显区别．对光的衍射的理解例1用如图甲所示装置做圆孔衍射实验，在屏上得到的衍射图样如图乙所示，实验发现，光绕过孔的边缘，传播到了相当大的范围．下列说法正确的是

(

)A．此实验说明了光沿直线传播B．圆孔变小，衍射图样的范围反而变大C．圆孔变小，中央亮斑和亮纹的亮度反而变大D．用不同波长的光做实验，衍射图样完全相同【答案】B

【解析】此实验中光绕过了孔的边缘，光的传播方向发生了改变，不能说明光沿直线传播，A错误；圆孔变小，衍射现象更明显，即衍射图样的范围反而变大，B正确；圆孔变小时，光透过的能量会变小，而中央亮斑面积会变大，所以亮度会变暗，C错误；用不同波长的光做实验，衍射图样不完全相同，相同孔径时，波长越长，则亮斑会越大，D错误．变式1下列所示的图片、示意图大都来源于课本，关于这些图的判断，下列说法正确的是

(

)A．图甲是圆盘衍射的图样，图乙为“泊松亮斑”B．图甲为“泊松亮斑”，图乙是小孔衍射的图样C．图丙是双缝干涉图样，图丁是单缝衍射图样D．图丙是单缝衍射图样，图丁是双缝干涉图样A．双缝宽间距，双缝窄间距，宽单缝，窄单缝B．双缝窄间距，双缝宽间距，窄单缝，宽单缝C．宽单缝，窄单缝，双缝宽间距，双缝窄间距D．窄单缝，宽单缝，双缝窄间距，双缝宽间距【答案】A

【答案】C【解析】“泊松亮斑”是“小圆盘”产生的衍射现象，形成的衍射图样是阴影中心有一个“亮斑”，而小孔衍射的图样是中间有“亮斑”，无阴影，A、B错误；图丙很明显是双缝干涉的图样，因干涉图样中的条纹间距是相等的，单缝衍射图样中的条纹间距是不相等的，中间最宽、最亮，图丁是单缝衍射图样，C正确，D错误．

区分双缝干涉与单缝衍射条纹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，两侧的条纹变窄．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；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．1．偏振片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通过偏振片，这个方向叫作透振方向．偏振片对光波的作用就像狭缝对机械波的作用一样．光的偏振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种类自然光偏振光经偏振片后现象比较

如上图所示，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

如上图所示，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光的偏振例2如图所示，两光屏间放有两个透振方向相互平行的偏振片，现让太阳光沿轴线通过光屏M上的小孔照射到偏振片P上，再通过偏振片Q.现以光的传播方向为轴使偏振片P由图示位置旋转90°度，下列说法正确的是

(

)A．MN间为偏振光B．PQ间为自然光C．PQ间的光线亮度逐渐变暗D．光屏N上的亮线逐渐变暗【答案】D

【解析】MP间为自然光，PN间为偏振光，故A、B错误；PQ间亮度不变，光屏上亮度逐渐变暗，故C错误，D正确．变式2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(如图)．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．假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施中可行的是

(

)A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°【答案】D

【解析】若前窗的透振方向竖直，车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光照射到物体上反射回的光线将不能透过窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照射得司机睁不开眼，B错误；若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透射进本车窗内，却可以透射进对面车内，C错误，D正确．1．偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．2．偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝．3．光的偏振现象说明光是一种横波．4．自然光透过偏振片可以变成偏振光．5．当偏振片的偏振方向与光波的振动方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．1．激光的产生激光是人工生产的相干光．激光2．激光具有的特点(1)相干性好．所谓相干性好，是指容易产生干涉现象．普通光源发出的光(即使是所谓的单色光)频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件．所以，现在我们做双缝干涉实验时，无须在双缝前放一个单缝，可以用激光直接照射双缝，就能得到既明亮又清晰的干涉条纹．利用相干光易于调制的特点传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通信容量．(2)平行度非常好．与普通光相比，传播相同距离的激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距．现在利用激光测量地月距离精确度已达到1m.(3)激光的亮度非常高．它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量．如果把强大的激光束汇聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温．(4)激光单色性很好．激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的．3．全息照相如图所示为拍摄全息照片的基本光路．同一束激光被分为两部分，一部分直接照射到底片上(称为参考光)，另一部分通过被拍摄物反射后再到达底片(称为物光)．参考光和物光在底片上相遇时会发生干涉，形成复杂的干涉条纹，底片上某点的明暗程度反映了两束光叠加后到达这点时光波的强弱．全息照片的拍摄利用了光的干涉原理，要求参考光和物光有很高的相干性．激光及其应用例3关于激光的应用问题，下列说法中正确的是 (

)A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点C．医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点【答案】C

【解析】由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度高，B错误；医疗中的“激光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；“激光测距”利用的是激光的平行度和方向性好的特点，D错误．变式3

(多选)关于激光与自然光，下列说法正确的是 (

)A．激光的频率单一，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好B．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的C．激光和自然光都具有相同的本质，它们都是由原子的跃迁产生的D．相干性好是激光与普通光的基本区别【答案】ACD

【解析】激光的频率单一，相干性很好，自然光中含有各种频率的光，故A、D正确；激光和自然光都是由原子的跃迁产生的，故B错误，C正确．

激光的特点及其应用特点作用应用实例相干性可进行调制、传递信息光纤通信、全息照相平行度非常好亮度高传播很远距离仍能保持一定强度，可精确测距、测速激光雷达可汇聚于很小的一点，记录信息密度高DVD机、CD唱机、计算机的光驱可在很小空间、短时间内集中很大能量激光切割、焊接、打孔、医疗手术产生高压引起核聚变人工控制聚变反应核心素养应用偏振光的应用偏振光的应用非常广泛．(1)在摄影中的应用：在镜头前安装一片偏振滤光片，可以减弱进入镜头的反射光．(2)电子表的液晶显示屏：在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，可以控制光线显示数字．(3)夜晚行车时，车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理．(4)立体电影也利用了光的偏振原理．例4

(多选)如图所示是立体电影的工作原理图，观众戴上一副特殊的眼镜就能看到由立体电影机放出的立体图像．关于立体电影，以下说法正确的是

(

)A．观众戴上特制眼镜是为了防止伤害眼睛B．这副眼镜其实就是一对偏振方向互相垂直的偏振片C．戴上特制眼镜的观众若只用一只眼睛看，则银幕上只是一片光亮而无图像D．产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同【答案】BD

【解析】放立体电影时有左右两架放影机同时工作．在每架放映机前装有一块偏振镜子，其偏振方向互相垂直，因此从放映机前偏振镜射出的两束偏振光的偏振方向互相垂直，这两束偏振光经屏幕反射其偏振方向不改变，观众眼睛所戴的偏振眼镜的两只镜片偏振方向互相垂直，且左眼镜片跟左边放映机前偏振镜的偏振方向一致，这样，左眼只能看到左边放映机映出的画面，右眼只能看到右边放映机映出的画面，两眼看到的画面略有差别，因而产生立体感．故B、D正确．小练·随堂巩固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

(

)【答案】B

【解析】由泊松亮斑衍射图样特点可判断B正确．A

B

C

D2．(多选)将激光束的宽度聚焦到纳米级(10－9m)范围内，可修复人体已损坏的器官，可对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病彻底根除，以上功能是利用了激光的 (

)A