1、学案 3 光的衍射与偏振 激光学习目标定位 1.知道光产生明显衍射现象的条件，了解几种不同衍射现象的图样 .2.能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析.3.认识光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，能用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象.5.了解激光的特性及应用1波可以绕过障碍物继续传播的现象叫波的衍射产生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多，或比波长小2横波是质点振动方向跟波的传播方向垂直的波纵波是质点振动方向跟波的传播方向平行的波一、光的衍射1概念：光通过很小的狭缝(或圆孔) 时，明显地偏离了直线传播 的方向而绕到狭缝(或圆孔)后面继续传播的现象2衍射图
2、像：单色光的单缝衍射图像的特点是中央有一条较宽较亮的条纹，两边是对称而明暗相间的条纹，亮条纹的强度向两边很快减弱白光的单缝衍射图像的特点是中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹3发生明显衍射现象的条件：当单缝(或圆孔) 的尺寸跟光的波长相差 不大，或者比波长小时，会发生明显的衍射现象二、光的偏振1线偏振光：如果光振动的方向限在一个平面，这种光叫线偏振光2自然光：通常光源发出的光(包括太阳光) 是由大量的、 振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的，称为自然光3意义：光的偏振现象进一步证实了光是横波三、激光1激光的特殊性质：强度大、方向性好、单色性好、相干性好、覆盖波段宽而且可调谐2激光具有广
3、泛的应用，如激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘等一、光的衍射问题设计唐代诗人王维的诗句“空山不见人，但 闻人语响”描写了一种常 见的“闻其声而不见其人”的物理现象这种现象是如何形成的呢？ 为什么声波容易 发生衍射现象而光波不容易发生衍射现象呢？答案 诗句中描写的是声波的衍射现象声波的波长较大，与日常生活中的物体可以相比，很容易发生明显衍射现象，故可以隔着障碍物“闻其声” ，但光的波长远小于日常生活中物体的尺寸，光在障碍物后形成阴影，故有“不见其人”的现象要点提炼1各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，即使影的轮廓模糊不清2光产生明显衍射现象的条件在障碍物或小孔
4、的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，就会产生明显的衍射现象3衍射图样的特点(1)单缝衍射图样的特点：中央条纹亮而宽两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱光的波长一定时，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，条纹间距大白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹(2)圆孔衍射图样的特点：单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度高，外面是明暗相间的不等距(填“等距”或“不等距”)的圆环，越向外，亮环亮度越 低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：障碍物的衍射现象在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现
5、在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑图样特点：中央是一个亮斑，圆板阴影的边缘模糊，阴影外边有明暗相间的圆环延伸思考衍射现象明显就是衍射条纹更亮吗？答案 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，但条纹亮度减弱二、光的偏振问题设计1取一根软绳，一端固定在墙 上，手持另一端上下抖 动，软绳上形成一列横波，质点在竖直平面内沿着上下方向振动如果手持 绳的一端左右抖动，会在绳上形成另一列横波，质点在水平平面内沿着左右方向振动现在让软绳穿过一块带有狭缝的木板分 别将狭缝与振动 方向平行放置及与振动方向垂直放置，观察发生的现象(如图 1 甲、乙所示) 如果将这根绳
6、换成细软的弹簧，前后推 动弹簧形成纵波， 观 察发生的现象( 如图丙所示)这两种现象说明什么？图 1答案 当机械波是横波时，若质点的振动方向与狭缝平行，则机械波能透过狭缝传播，反之则不能透过狭缝传播对纵波而言，不管什么情况，纵波总能透过狭缝传播2如图 2 所示，取一个偏振片 P，让阳光通过偏振片 P，在 P 的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的；在偏振片 P 的后面再放置另一个偏振片 Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片 Q，会看到什么现象？这说明什么？图 2答案 会看到在旋转 Q 时光的亮度发生变化偏振片的作用类似于 1 中狭缝的作用，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过当偏振片 Q 与 P
7、的透振方向平行时，穿过 Q 的光最强；当 Q 与 P 的透振方向垂直时，光不能透过Q.要点提炼1横波、纵波的判定方法(1)直接看质点的振动方向与波传播方向的关系若互相垂直 ，为横波；若平行，为纵波，这种方法适用于可看得见质点振动方向的机械波(2)看波能否通过两个互相垂直且共线的“狭缝” ，能通过两个 “狭缝”的为纵波，不能通过的为横波2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，这个方向叫做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3光的偏振现象表明光是一种横波4自然光和偏振光自然光 偏振光光的来源 直接从光源发出的光 自然光
8、通过起偏振器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与起偏振器透振方向一致)举例太阳、电灯、蜡烛火焰等直接发出的光自然光在介质表面反射和折射形成的光5.偏振现象的应用举例(1)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，让它的透振方向与玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，阻挡了反射光进入镜头(2)电子表的液晶显示屏：在两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，液晶具有各向异性的属性，特别是对偏振光经过液晶时，其偏振方向会旋转 90，利用这种特性控制光通过或不通过
9、，从而显示数字的形状一、对光的衍射的理解例 1 观察单缝衍射现象时，把缝宽由 0.2 mm 逐渐增大到 0.8 mm，看到的现象是( )A衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显B衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显C衍射条纹的间距不变，只是亮度增强D以上现象都不会发生解析 由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭 缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大，本题是将缝调宽 ，现象向相反的方向发展，故选项 A 正确，B、C 、D 错误答案 A例 2 如图 3 所示的 4 幅明暗相间的条纹，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
10、成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)则在下面的四幅图中从左到右排列，亮条纹的颜色依次是( )图 3A红黄蓝紫 B红紫蓝黄C蓝紫红黄 D蓝黄红紫解析 双缝干涉条纹平行等距，且波 长越大，条 纹间距越大，而红光波长大于蓝光波长，故第一幅图为红光，第三幅图为蓝 光；又由于黄光波长比紫光波 长大，故第四幅 图为黄光的衍射图样，第二幅为紫光的衍射图样 答案 B二、对光的偏振的理解例 3 如图 4 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( )图 4AA、B 均不变 BA、B 均有变化CA 不变，B 有变化
11、 DA 有变化，B 不变解析 白炽灯光包含各方向的光，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，当 P 旋转时，只有与 Q 的透振方向一致时才有光透 过 Q，因此 B 点的光强有 变化，选项 C 正确答案 C例 4 一段时间以来， “假奶粉事件”闹得沸沸扬扬，奶粉中碳水化合物(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，从而鉴定含糖量图 5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
12、，就能确定被测样品的含糖量了如图 5 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 因为未放糖溶液时，A、B 的偏振方向一致，故 A、B 间不放糖溶液时，自然光通过偏振片 A 后，变成偏振光，通过 B 后到达 O.当在 A、B 间放糖溶液 时，由于溶液的旋光作用，使通过
13、A 的偏振光振动方向转动了一定角度，不能再通过 B，A 对，B 错但当 B 转过一个角度，恰好使偏振片方向与经过糖溶液后的偏振光振动方向一致时，O 处光强为最强，故 B 的旋转角度即为糖溶液的旋光度所以 C 对同理 D 也对答案 ACD1(对光的衍射的理解)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是 ( )A其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄B其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄C其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽D其他条件不变，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽答案 ACD解析 当单缝宽度一定时，波 长越长，衍射 现象越明显，条纹间距也越大，黄光波长
14、大于绿光波长，所以 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，衍射条纹间距会变宽，B 错误；当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距会变宽，D 正确2(对光的衍射的理解)关于光的衍射现象，下面说法正确的是 ( )A红光的单缝衍射图样是红暗相间的条纹B白光的单缝衍射图样是白黑相间的条纹C光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射答案 AC解析 单色光照到狭缝上产生的衍射图样是明暗相间的条纹，白光的衍射图样是彩色条纹光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮点，是衍射现象光的衍射现象
15、只有明显与不明显之分，D 项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象3(对光的偏振的理解)将两个偏振片紧靠在一起，放在一盏灯的前面，眼睛通过偏振片看到的光很弱如果将其中一个偏振片旋转 180，在旋转过程中会观察到( )A灯光逐渐增强，然后逐渐减弱B灯光强度保持不变C灯光逐渐增强，没有减弱现象D灯光逐渐增强，再减弱，然后增强到最亮答案 A解析 眼睛通过两偏振片看到的光很弱，是因为两偏振片的透振方向不一致，在旋转其中一个偏振片的过程中，透振方向逐 渐一致，光逐 渐增强，当两个偏振片的透振方向一致时，光线最强，继续旋转偏振片，透振方向又逐渐偏离，光线逐渐减弱所以选项 A 正
16、确4(对激光的理解)让激光照到 VCD 机、CD 机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用激光的( )A方向性好，可以会聚到很小的一点上B相干性好，可以很容易形成干涉图样C强度大，可以在很短时间内集中很大的能量D波长短，很容易发生明显的衍射现象答案 A解析 激光的特点之一是方向性好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、 CD 唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点， 选项 A 正确，B 、C、D 错误题组一 对光的衍射的理解1对光的衍射现象的定性分析，正确的是( )A光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物继续传播的现象B衍射条纹图样是光
17、波相互叠加的结果C光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据D光的衍射现象完全否定了光沿直线传播的结论答案 ABC解析 根据光的衍射现象的定义可知选项 A 正确；衍射图中有亮、暗条纹，这是光波相互叠加的结果，加强区为亮条纹，减弱区为暗条纹，选项 B 正确；因为衍射也是波特有的现象，所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据， 选项 C 正确；当障碍物较大时，光的衍射很弱，光几乎沿直线传播，即光的直线传播只是特殊情况下的近似，二者是统一的，选项 D错误2.在一次观察光的衍射的实验中，观察到如图 1 所示的清晰的明暗相间图样(黑线为暗纹) ，那么障碍物应是( )图 1A很小的不透明的圆板B很大
18、的中间有大圆孔的不透明的圆板C很大的不透明圆板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 D 选项正确；有的同学误选为 A，要注意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，在阴影区的 边缘有明暗相间的圆环，它与圆 孔衍射的图样是不同的3如图 2 所示，为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则( )图 2A甲为紫光的干涉图样 B乙为紫光的干涉图样C丙为红光的干涉图样 D丁为红光的干涉图样答案 B4(2014江苏12B(1)如图 3
19、所示，某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到甲图所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如乙图所示他改变的实验条件可能是( )图 3A减小光源到单缝的距离B减小双缝之间的距离C减小双缝到光屏之间的距离D换用频率更高的单色光源答案 B解析 在双缝干涉中，相邻明条 纹间的距离 x ，由题图知干涉条纹间距变宽，故可增大ldl、 或减小 d.根据 c 知要增大 ，应减小 .选项 B 正确，选项 A、C、D 错误5使太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列_A圆
20、形光斑B明暗相间的彩色条纹C变暗消失D正方形光斑E正方形光斑由大变小答案 DEABC解析 由于光的波长很短，因此当孔很大 时，不会 发生明显 的衍射现象，此时可看作光是近似沿直线传播的，在屏上得到孔的影；当孔继续减小时， 虽不能使光 发生明显的衍射现象，但可以在屏上得到太阳的像，即小孔成像；孔再继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹；孔进一步减小直到闭合时，由于穿 过光的能量减小而使光 线变暗直至消失题组二 对光的偏振的理解6光的偏振现象说明光是横波下列现象中不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
21、一束自然光入射到两种介质的分界面上，反射光是偏振光C日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使影像更清晰D通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹答案 D解析 A、B、 C 都与光的偏振这一特性有关，A、 B、C 都不能选；通过手指间的缝隙观察日光灯看到彩色条纹是由于光的衍射形成的，与偏振无关，应选 D.7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的平面上，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
22、光D太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光答案 BD8如图 4 所示，P 是一偏振片，P 的透振方向(用带有箭头的实线表示) 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 太阳光是自然光，沿各个方向振动的光都有，所以在偏振片另一侧可看到透射光；沿竖直方向振动的光，与 P 的透振方向相同，能透过偏振光；沿与竖直方向成 45角振动的光，有部分能透过偏振片 P，故 A、B、D 正确9在杨氏双缝干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片，若两个偏振片的透振方向相互
23、垂直，则( )A光屏上仍有干涉条纹、但亮条纹的亮度减小B光屏上仍有干涉条纹、但亮条纹的亮度增大C干涉条纹消失，光屏上一片黑暗D干涉条纹消失，但仍有光照射到光屏上答案 D解析 双缝后面分别放置偏振片后，由于两个偏振片的透振方向相互垂直，不能出现干涉条纹，但仍有光照射到光屏上题组三 激光的特性和应用10关于光的色散、激光，下列说法正确的是( )A棱镜对红光的折射率比紫光大B红光在棱镜中的速度比紫光大C每种色光通过棱镜后都会分成几种颜色的光D激光不能像无线电波那样用来传递信息E激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削答案 BE解析 色散现象表明棱镜对红光的折射率最小，由 n 知，红光在棱镜中的速度最大，A 错cv误，B 正确； 单色光经棱镜后不能发生色散，C 错误；激光在光导纤维中利用时，不仅可以传递信息，而且可以使信息量大增，D 错误；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，E 正确11以下说法中正确的是( )
