新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第四章光及其應(yīng)用6.光的衍射與偏振7.激光課件教科版選擇性必修第一冊

6.光的衍射與偏振7.激光第四章內(nèi)容索引010203自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)合作探究釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位素養(yǎng)闡釋1.知道光的衍射現(xiàn)象、光的偏振現(xiàn)象;知道明顯衍射現(xiàn)象的條件,衍射條紋的特點;知道偏振光和自然光的區(qū)別。2.了解日常見到的光多數(shù)是偏振光,了解偏振光在生產(chǎn)生活中的一些應(yīng)用。3.了解激光的特性。舉例說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。1.知道光的衍射現(xiàn)象、光的偏振現(xiàn)象,知道衍射條紋的特點及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件;知道偏振光和自然光的區(qū)別。形成正確的物理觀念。2.能運用偏振知識來解釋生活中的一些常見光學(xué)現(xiàn)象。通過觀察光的偏振實驗,了解光的偏振現(xiàn)象,加深對偏振的理解,形成科學(xué)思維。3.了解激光的特性和應(yīng)用,知道激光的科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用,培養(yǎng)科學(xué)思維。自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)一、光的衍射1.光的衍射。光通過很小的狹縫(或圓孔)時,明顯地偏離了直線傳播方向,在屏上散開到相當(dāng)大的范圍,這種現(xiàn)象叫作光的衍射。2.衍射圖樣。(1)定義:衍射時產(chǎn)生的明暗的圖樣。(2)單縫衍射圖樣的特點①單色光:中央有一條較寬較亮的條紋,兩邊是對稱且明暗相間的條紋,亮條紋的強度向兩邊很快減弱。②白光:中央是一條白色條紋,兩邊是很快減弱的彩色條紋。二、光的偏振1.偏振片。由特定的材料制成,每個偏振片都有一個特殊的方向,叫作“透光方向”,只有振動方向與透光方向平行的成分才能通過偏振片。2.自然光和線偏振光。(1)線偏振光:如果光振動的方向限在一個平面,這種光叫線偏振光。(2)自然光:通常光源發(fā)出的光(包括太陽光)是由大量的、振動方向不同而互不相干的線偏振光組成的,稱為自然光。(3)光的偏振現(xiàn)象表明光是一種橫波。3.縱波有偏振現(xiàn)象嗎?答案:沒有。偏振現(xiàn)象是橫波特有的現(xiàn)象,縱波沒有偏振現(xiàn)象。三、激光1.激光的特性。(1)強度大:激光的強度可達1017W/cm2。(2)方向性好:光束方向性的好壞,是由光束的發(fā)散角的大小來量度的。激光光束的發(fā)散角在10-3rad數(shù)量級。(3)單色性好。(4)相干性好:一束激光中所有光子的頻率是相同的,振動情況也完全相同,所以激光是最好的相干光。(5)覆蓋波段而且可調(diào)諧。2.激光的應(yīng)用。(1)激光加工。(2)激光全息照相。(3)激光檢測。(4)激光通信。(5)激光醫(yī)學(xué)。(6)激光照排。(7)激光的其他一些新技術(shù)、新應(yīng)用。①人類第一次實際探測到引力波。②中國首次發(fā)現(xiàn)激光驅(qū)動流體新技術(shù)?！舅伎加懻摗?/p>

1.判斷下列說法的正誤。(1)光的衍射現(xiàn)象完全否定了光的直線傳播結(jié)論。(

)(2)衍射條紋圖樣是光波相互疊加的結(jié)果。(

)(3)白光的單縫衍射圖樣是白黑相間的直條紋。(

)(4)偏振光沿各個方向振動的光波的強度都相同。(

)(5)自然界不存在偏振光,自然光只有通過偏振片才能變?yōu)槠窆狻?

)(6)激光是自然界普遍存在的一種光。(

)(7)激光是一種人工產(chǎn)生的相干光。(

)√×××××√2.(多選)激光火箭的體積小,卻可以裝載更大、更重的衛(wèi)星或飛船,激光由地面激光站或空間激光動力衛(wèi)星提供,通過一套裝置,像手電筒一樣,讓激光束射入火箭發(fā)動機的燃燒室,使推進劑受熱而急劇膨脹,于是形成一股高溫高壓的燃?xì)饬?以極高的速度噴出,產(chǎn)生巨大的推力,把衛(wèi)星或飛船送入太空。激光火箭利用了激光的(

)A.單色性好 B.平行度好C.高能量 D.相干性好答案:BC解析:由于激光站與火箭相距較遠(yuǎn),為了減少能量損失,必須要求激光具有很好的平行度,同時利用激光的高能量特點。3.在一次觀察光的衍射的實驗中,觀察到如圖所示的清晰的明暗相間的圖樣(黑線為暗條紋),那么障礙物應(yīng)是(

)A.很小的不透明的圓板B.很大的中間有大圓孔的不透明的圓板C.很大的不透明的圓板D.很大的中間有小圓孔的不透明的圓板答案:D解析:由題圖可知中央是大且亮的圓形亮斑,周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán),且越向外,圓形條紋寬度越小,可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣,故選項D正確;很小的不透明的圓板產(chǎn)生的圖樣中心也是亮點,但其周圍有一個大的陰影區(qū),在陰影區(qū)的邊緣有明暗相間的圓環(huán),它與圓孔衍射的圖樣是不同的。4.(多選)如圖所示,一束自然光通過起偏振器照射到光屏上,則圖中光屏上發(fā)亮的有(起偏振器上用箭頭表示其透射方向)(

)答案:ABD解析:自然光通過起偏振器后成為偏振光,當(dāng)偏振光的振動方向與起偏振器的透振方向平行時能夠通過,垂直時不能通過,所以A、B、D正確,C錯誤。合作探究釋疑解惑知識點一光的衍射的理解問題引領(lǐng)(1)讓一束激光照射在游標(biāo)卡尺兩個卡腳之間的縫上,逐漸減小兩個卡腳之間的距離,使縫越來越小,觀察照在屏幕上光斑的變化?？p寬大約多大時屏幕上出現(xiàn)條紋?縫間距變小時,條紋有什么變化?(2)用針尖在一張厚紙上扎一個很小的小孔,用眼睛通過小孔觀察太陽光,會觀察到什么現(xiàn)象?提示:(1)大約0.4

mm時會出現(xiàn)條紋,當(dāng)縫間距變小時,屏幕上條紋間距逐漸變寬,但亮度逐漸減弱。(2)會觀察到中央為亮圓,周圍為彩色的圓環(huán)。歸納提升1.單縫衍射圖樣的特點(1)中央條紋最亮、越向兩邊越暗,條紋間距不等。中央條紋最寬,越靠外,條紋間距越窄。(2)縫變窄,通過的光變少,而光分布的范圍更寬,所以亮條紋的亮度降低。(3)中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長及單縫寬度有關(guān)。入射光波長越長,單縫越窄,中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大。(4)用白光做單縫衍射時,中央亮條紋是白色的,兩邊是彩色條紋,中央亮條紋仍然最寬最亮。2.圓孔衍射(1)圓孔衍射如圖(a)所示,當(dāng)擋板AB上的圓孔較大時,光屏上出現(xiàn)圖(b)所示的情形,無明顯的衍射現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)擋板AB上的圓孔很小時,光屏上出現(xiàn)圖(c)所示的衍射圖樣,出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)。(a)(b)(c)(2)圓孔衍射的圖樣特征①單色光的圓孔衍射圖樣:中央亮圓的亮度大,外面是明暗相間的不等距的圓環(huán)。越向外,圓(亮)環(huán)亮度越低。②白光的圓孔衍射圖樣:中央亮圓為白色,周圍是彩色圓環(huán)。3.圓板衍射(1)各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射,致使影的輪廓的邊緣模糊不清,若在單色光(如激光)傳播途中放一個較小的圓形障礙物,會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個亮斑,這就是著名的泊松亮斑,如圖(d)所示。(2)形成泊松亮斑時,圓板陰影的邊緣是模糊的,在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。(d)只有圓孔足夠小時,才能得到明顯的衍射圖樣。在圓孔由較大直徑逐漸減小的過程中,光屏依次得到幾種不同現(xiàn)象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)、完全黑暗。典型例題【例題1】

(多選)在單縫衍射實驗中,下列說法正確的是(

)A.將入射光由黃光換成綠光,衍射條紋間距變窄B.使單縫寬度變小,衍射條紋間距變窄C.換用波長較長的光照射,衍射條紋間距變寬D.增大單縫到屏的距離,衍射條紋間距變寬答案:ACD解析:當(dāng)單縫寬度一定時,波長越長,衍射現(xiàn)象越明顯,即光偏離直線傳播的路徑越遠(yuǎn),條紋間距也越大,A、C正確;當(dāng)光的波長一定時,單縫寬度越小,衍射現(xiàn)象越明顯,條紋間距越大,B錯誤;光的波長一定、單縫寬度也一定時,增大單縫到屏的距離,衍射條紋間距也會變寬,D正確。(1)衍射現(xiàn)象是否明顯方面:入射光波長越長,障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小,衍射現(xiàn)象越明顯。(2)衍射條紋的亮度方面:小孔和狹縫的尺寸越小,衍射條紋的亮度越小。【變式訓(xùn)練1】

觀察單縫衍射現(xiàn)象時,把縫寬由0.2mm逐漸增大到0.8mm,看到的現(xiàn)象是(

)A.衍射條紋的間距逐漸變小,衍射現(xiàn)象逐漸不明顯B.衍射條紋的間距逐漸變大,衍射現(xiàn)象越來越明顯C.衍射條紋的間距不變,只是亮度增強D.以上現(xiàn)象都不會發(fā)生答案:A解析:由單縫衍射實驗的調(diào)整與觀察可知,狹縫寬度越小,衍射現(xiàn)象越明顯,衍射條紋越寬,條紋間距也越大,本題是將縫調(diào)寬,現(xiàn)象向相反的方向變化,故選項A正確,B、C、D錯誤?！咀兪接?xùn)練2】

如圖,(a)、(b)兩圖是由單色光分別入射到A圓孔和B圓孔形成的圖像,由兩圖可以得出(

)A.圖(a)是衍射圖像,A孔直徑小于B孔直徑B.圖(a)是干涉圖像,A孔直徑大于B孔直徑C.圖(b)是衍射圖像,A孔直徑小于B孔直徑D.圖(b)是干涉圖像,A孔直徑大于B孔直徑答案:A解析:由題圖可知,圖(a)為明暗相間、間隔不均勻的衍射圖像,而圖(b)是光的直線傳播形成的圖樣;單色光通過小孔發(fā)生了衍射,小孔越小,衍射越顯著。由題圖知,圖(a)衍射顯著,所對應(yīng)的小孔直徑小,故A正確,B、C、D錯誤。知識點二單縫衍射和雙縫干涉的比較問題引領(lǐng)在光的干涉實驗中,若擋住雙縫其中的一個縫,而讓光通過另一個狹縫,屏上是否還能出現(xiàn)條紋?單縫由寬變窄,觀察到的條紋發(fā)生怎樣的變化?換用圓孔做實驗,觀察到的實驗現(xiàn)象是什么?提示:仍然能觀察到條紋,但不是等間距的。單縫變窄時,觀察到中央亮條紋的寬度變大,兩側(cè)條紋更加明顯。用圓孔做實驗,在屏上觀察到中央為亮圓,周圍為明暗相間的圓環(huán)。歸納提升項目單縫衍射雙縫干涉不同點產(chǎn)生條件障礙物或孔的尺寸比波長小或跟波長差不多頻率、振動方向相同,相位差恒定的兩列光波相遇疊加不同點條紋寬度條紋寬度不等,中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等,越靠外條紋間距越小各相鄰條紋等間距亮度中間條紋最亮,兩邊變暗清晰條紋,亮度基本相等相同點成因干涉、衍射都有明暗相間的條紋,條紋都是光波疊加時加強或者削弱的結(jié)果意義干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象,表明光是一種波(1)單縫衍射可以理解為若干個光源的干涉,從而理解條紋相間排列。(2)光波的波長增大,衍射條紋、干涉條紋的寬度都變大。(3)復(fù)色光的衍射或干涉圖樣,可認(rèn)為各單色光單獨衍射或干涉所成圖樣的疊加。典型例題【例題2】

如圖所示的四幅明暗相間的條紋,分別是紅光、藍(lán)光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮條紋)。則在下面的四幅圖中從左到右排列,亮條紋的顏色依次是(

)A.紅、黃、藍(lán)、紫 B.紅、紫、藍(lán)、黃C.藍(lán)、紫、紅、黃 D.藍(lán)、黃、紅、紫答案:B解析:雙縫干涉條紋平行等距,且波長越大,條紋間距越大,而紅光波長大于藍(lán)光波長,故第一幅圖為紅光,第三幅圖為藍(lán)光;又由于黃光波長比紫光波長大,故第四幅圖為黃光的衍射圖樣,第二幅圖為紫光的衍射圖樣。衍射和干涉圖樣的認(rèn)識寬度上:雙縫干涉的條紋是等寬等間距的,而單縫衍射的條紋是中央亮條紋最寬,兩側(cè)的條紋變窄。亮度上:雙縫干涉條紋從中央往兩側(cè)亮度變化很小;而單縫衍射的中央條紋最亮,兩側(cè)逐漸變暗。【變式訓(xùn)練3】

(多選)圖(a)是做雙縫干涉實驗的示意圖。先做操作1:用兩塊不同顏色的濾光片分別擋住雙縫屏上下兩半部分Ⅰ和Ⅱ;接著再做操作2:用不透明的擋板擋住b縫。若兩塊濾光片一塊是紅色,一塊是藍(lán)色,則(

)(a)(b)(c)A.完成操作1后,光屏上出現(xiàn)的是圖(b)圖案,且甲是紅色條紋,乙是藍(lán)色條紋B.完成操作1后,光屏上出現(xiàn)的是圖(c)圖案,且丙是藍(lán)色條紋,丁是紅色條紋C.完成操作2后,光屏上出現(xiàn)的是圖(b)圖案,且甲是藍(lán)色條紋,乙是紅色條紋D.完成操作2后,光屏上出現(xiàn)的是圖(c)圖案,且丙是紅色條紋,丁是藍(lán)色條紋答案:AD解析:題圖(b)中的條紋為等間距明暗相間條紋,是干涉圖樣,再根據(jù)條紋寬度的有關(guān)因素分析即可。題圖(c)為中間最寬且不等間距明暗相間條紋,是衍射條紋,再根據(jù)條紋寬度的有關(guān)因素進行分析即可。操作1是雙縫干涉實驗,故條紋間距相等,光屏上出現(xiàn)題圖(b)圖案,由圖案知甲的波長大于乙的波長,故甲為紅色條紋,乙為藍(lán)色條紋,A正確;操作2是單縫衍射,條紋間距不相等,光屏上為題圖(c)圖案,再結(jié)合波長關(guān)系可知D正確。知識點三光的偏振問題引領(lǐng)如圖所示,取一個偏振片P,讓陽光通過偏振片P,在P的另一側(cè)觀察,可以看到偏振片是透明的;在偏振片P的后面再放置另一個偏振片Q,以光的傳播方向為軸旋轉(zhuǎn)偏振片Q,會看到什么現(xiàn)象?這說明什么?提示:會看到在旋轉(zhuǎn)Q時光的亮度發(fā)生變化。偏振片的作用類似于狹縫的作用,只有振動方向與透振方向一致的光才能通過。當(dāng)偏振片Q與P的透振方向平行時,穿過Q的光最強;當(dāng)Q與P的透振方向垂直時,光不能透過Q。歸納提升1.振動方向比較自然光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),沿所有方向振動;偏振光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),沿某一特定的方向振動。2.經(jīng)過偏振片時現(xiàn)象比較如圖(a),自然光通過偏振片后變成偏振光,后面的屏是明亮的,轉(zhuǎn)動偏振片時,偏振光的振動方向隨之變化,但屏上亮度不變。(a)如圖(b)甲、乙,偏振光經(jīng)過偏振片時,若光的振動方向與偏振片的透光方向平行,屏是亮的;若光的振動方向與偏振片的透光方向垂直,屏是暗的;若既不平行也不垂直,屏的亮度介于兩者之間,隨著振動方向與透光方向的夾角變大,亮度逐漸變暗。(b)3.自然光、偏振光產(chǎn)生方式的比較太陽、電燈等直接發(fā)出的光是自然光;自然光經(jīng)偏振片后都是偏振光,自然光射到兩種介質(zhì)的交界面上,使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直。(1)偏振現(xiàn)象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通過偏振片后才變?yōu)槠窆?生活中除光源直接發(fā)出的光外,我們看到的絕大部分光都是偏振光,如自然光射到水面時的反射和折射光線,尤其是二者互相垂直時,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振動方向相互垂直。(2)只有橫波才能發(fā)生偏振現(xiàn)象,光是橫波。典型例題【例題3】

(多選)如圖所示,電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B,人眼在P處迎著入射光方向,看不到光亮,則(

)A.圖中a光為偏振光B.圖中b光為偏振光C.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后,在P處將看到光亮D.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后,在P處將看到光亮答案:BD解析:自然光沿各個方向發(fā)散是均勻分布的,通過偏振片后,透射光是只有沿著某一特定方向振動的光。從電燈直接發(fā)出的光為自然光,則A錯誤;它通過A偏振片后,即變?yōu)槠窆?則B正確;設(shè)通過A的光沿豎直方向振動,則B偏振片只能通過沿水平方向振動的偏振光,則P處無光亮,將B轉(zhuǎn)過180°后,P處仍無光亮,即C錯誤;若將B轉(zhuǎn)過90°,則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^豎直方向上振動的光的偏振片,則偏振光能通過B,即在P處有光亮,D正確。本題考查自然光和偏振光的特征,以及偏振光的獲得方法。開始時P處看不到光亮,是由于A、B兩偏振片的偏振方向垂直,將A或B轉(zhuǎn)過90°均可在P處看到光亮,其實在A或B轉(zhuǎn)動過程中,P處都有光亮,只是當(dāng)A或B轉(zhuǎn)過90°時,P處光亮最大而已。本題易錯之處主要表現(xiàn)在:其一是對自然光和偏振光的特征不熟悉;其二是對偏振片的作用不清楚?！咀兪接?xùn)練4】

關(guān)于光的偏振現(xiàn)象,下列說法正確的是(

)A.偏振光沿各個方向振動的光波的強度都相同B.自然光在水面反射時,反射光和折射光都是一定程度的偏振光C.光的偏振現(xiàn)象說明光是一種縱波D.照相機鏡頭表面的鍍膜是光的偏振現(xiàn)象的應(yīng)用

答案:B解析:自然光在垂直于傳播方向上沿一切方向振動,且各個方向振動的光波強度都相同,而偏振光在垂直于傳播方向上沿某個方向振動的光波強度最大,選項A錯誤;自然光在水面反射時,反射光和折射光的振動方向不同,但都是一定程度的偏振光,選項B正確;光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波,選項C錯誤;照相機的增透膜,使得光線因反射發(fā)生干涉現(xiàn)象從而增大透光性,屬于光的薄膜干涉的應(yīng)用,選項D錯誤。知識點四激光的特點及應(yīng)用問題引領(lǐng)激光作為一種人造光源,在科研、通信、工業(yè)生產(chǎn)、軍事科技等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用,如激光干涉儀、激光切割機等,激光的應(yīng)用如此廣泛,激光到底具有哪些特性?提示:相干性強、平行度好、亮度高。

歸納提升激光特性激光應(yīng)用單色性好、相干性好在各種干涉儀中作為相干光源,用于長度、頻率、轉(zhuǎn)角等物理量的精密計量,并用來記錄和再現(xiàn)全息照相等方向性好、平行度好記錄和讀取各種光盤上的信息等亮度高、能量大切割、焊接各種材料,醫(yī)學(xué)上可用激光刀切開皮膚、切除腫瘤等典型例題【例題4】

關(guān)于激光的應(yīng)用問題,下列說法正確的是(

)A.光纖通信是應(yīng)用激光平行度非常好的特點對信號進行調(diào)制,使其在光導(dǎo)纖維中傳遞信息B.計算機內(nèi)的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應(yīng)用激光有相干性的特點C.醫(yī)學(xué)中用激光做“光刀”來切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點D.“激光測距雷達”利用激光測量很遠(yuǎn)目標(biāo)的距離是應(yīng)用了激光亮度高的特點答案:C解析:由激光的特點及應(yīng)用可知光纖通信主要利用了激光的相干性,A錯誤;計算機內(nèi)的“磁頭”讀出光盤上的信息主要應(yīng)用了激光的平行度好,B錯誤;醫(yī)療中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特點,C正確;激光測距利用的是激光的平行度好的特點,D錯誤?！咀兪接?xùn)練5】

讓激光照到VCD機、CD機或計算機的光盤上,就可以讀出盤上記錄的信息,經(jīng)過處理后還原成聲音或圖像,這是利用激光的(

)A.平行度好,可以會聚到很小的一點上B.相干性好,可以很容易形成干涉圖樣C.亮度高,可以在很短時間內(nèi)集中很大的能量D.波長長,很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象答案:A解析:激光的特點之一是平行度好,它可以會聚到一個很小的點上