第6節(jié)　光的偏振　激光 教學(xué)設(shè)計

第6節(jié)光的偏振激光[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道偏振現(xiàn)象，知道偏振是橫波特有的性質(zhì)．(難點)2．知道偏振光和自然光，知道哪些光屬于偏振光．3．知道偏振現(xiàn)象的應(yīng)用．4．了解激光的特性和應(yīng)用．知識點1光的偏振1．偏振(1)偏振現(xiàn)象：不同的橫波，即使傳播方向相同，振動方向也可能是不同的，這個現(xiàn)象稱為偏振現(xiàn)象．(2)偏振方向：橫波的振動方向稱為偏振方向．2．光的偏振(1)自然光：太陽以及日光燈、發(fā)光二極管等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強(qiáng)度都相同．這種光是自然光．(2)偏振光：光在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動．這種光叫作偏振光．3．偏振現(xiàn)象的應(yīng)用由于水或玻璃表面的反射光的干擾，常使景象不清楚，如果在照相機(jī)鏡頭前裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以減弱反射光而使景象清晰．[判一判]1．(1)自然光是偏振光．()(2)立體電影利用了光的偏振原理．()(3)光的偏振表明光是一種橫波．()提示：(1)×(2)√(3)√[想一想]1．通過一塊偏振片去觀察電燈、蠟燭、月亮、反光的黑板，當(dāng)以入射光線為軸轉(zhuǎn)動偏振片時，看到的現(xiàn)象有何不同？提示：通過一塊偏振片去觀察電燈、蠟燭時，透射光的強(qiáng)弱不隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化．因為燈光、燭光都是自然光，沿各個方向振動的光的強(qiáng)度相同，因此當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)時，透射出來的光波的振動方向雖然改變了(肉眼對此不能感覺)，但光的強(qiáng)弱沒有改變．月亮和黑板反射的光已經(jīng)是偏振光，它們通過偏振片透射過來的光線的強(qiáng)弱會隨偏振片的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性的變化．知識點2激光的特點及其應(yīng)用1．激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，傳播方向、頻率、偏振、相位等性質(zhì)完全相同．2．激光的特點及應(yīng)用性質(zhì)特點應(yīng)用相干性激光具有頻率單一、相位差恒定、偏振方向相同的特點，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信平行度激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離仍能保持一定的強(qiáng)度精確地測距；讀取光盤上記錄的信息等亮度激光的亮度很高，它可以在很小的范圍和很短的時間內(nèi)集中很大的能量用激光束切割、焊接、醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”；激發(fā)核反應(yīng)等[判一判]2．(1)激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點．()(2)激光可用做“光刀”來切開皮膚是利用激光的相干性好．()提示：(1)√(2)×[想一想]2．利用激光測量地球到月球的距離，應(yīng)用了激光哪方面的特點？提示：應(yīng)用了激光平行度好的特點．1．(自然光和偏振光)關(guān)于自然光和偏振光，以下說法正確的是()A．自然光包含著垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，但是沿各個方向振動的光波的強(qiáng)度可以不相同B．偏振光是在垂直于傳播方向上，只沿著某一特定方向振動的光C．自然光透過一個偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個偏振片后又還原為自然光D．晚上月亮光是自然光解析：選B.光源發(fā)出的光，沿著各個方向振動的光的強(qiáng)度都相同的光，稱為自然光，沿某個特定方向振動的光稱為偏振光，A錯誤，B正確；偏振光不能通過偏振片還原為自然光，C錯誤；月亮光是偏振光，D錯誤．2．(光的偏振)(多選)如圖所示，A、B為兩偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此時在光屏C上，透射光的強(qiáng)度最大，則下列說法中正確的是()A．此時A、B的偏振方向垂直B．只有將B繞OO′軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，屏上透射光的強(qiáng)度才最弱，幾乎為零C．將A或B繞OO′軸旋轉(zhuǎn)90°，屏上透射光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零D．將A沿順時針旋轉(zhuǎn)180°，屏上透射光的強(qiáng)度最大解析：選CD.光是橫波，振動方向和傳播方向垂直，要使屏上透射光強(qiáng)度最大，A、B的偏振方向一定要平行，故A錯誤；只要A、B中任意一個旋轉(zhuǎn)90°，A、B的偏振方向垂直，屏上投射光的強(qiáng)度均達(dá)到最弱，幾乎為零，故B錯誤，C正確；將A沿順時針旋轉(zhuǎn)180°時，兩偏振片的偏振方向依然平行，透射光的強(qiáng)度最大，故D正確．3．(光的偏振的應(yīng)用)(多選)“假奶粉事件”曾經(jīng)鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標(biāo)，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定糖量．偏振光通過糖水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測量值與標(biāo)度值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了，如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動B，使到達(dá)O處的光最強(qiáng)，最后將被測樣品P置于A、B之間，則下列說法中正確的是()A．到達(dá)O處光的強(qiáng)度會明顯減弱B．到達(dá)O處光的強(qiáng)度不會明顯減弱C．將偏振片B轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于αD．將偏振片A轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片A轉(zhuǎn)過的角度等于α解析：選ACD.A、B之間不放糖溶液時，自然光通過偏振片A后，變成偏振光，通過B后到O.當(dāng)在A、B間放糖溶液時，由于溶液的旋光作用，使通過A的偏振光振動方向轉(zhuǎn)動了一定角度，到達(dá)O處的光強(qiáng)會明顯減弱；但當(dāng)B轉(zhuǎn)過一個角度，恰好使透振方向與經(jīng)過糖溶液后的偏振光振動方向一致時，O處光強(qiáng)又為最強(qiáng)，故B的旋轉(zhuǎn)角度即為糖溶液的旋光度；因為A、B的偏振方向一致，故轉(zhuǎn)動偏振片A也可以．4．(激光)(多選)將激光束的寬度聚焦到納米級(10－9m)范圍內(nèi)，可修復(fù)人體已損壞的器官，可對DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把至今尚令人無奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除，以上功能是利用了激光的()A．單色性好 B．平行度好C．粒子性 D．高能量解析：選BD.激光的平行度好，故可聚焦到很小的范圍；激光的亮度高、能量大，故可修復(fù)器官．探究一自然光和偏振光的比較【問題導(dǎo)引】1．自然光和偏振光的主要區(qū)別是什么？2．自然光經(jīng)水面反射的光一定是偏振光嗎？提示：1.在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，自然光沿所有方向振動，偏振光沿某一特定方向振動．2．經(jīng)水面反射和折射的光都是偏振光．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)過偏振片時的現(xiàn)象比較(1)如圖甲所示，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．(2)如圖乙、丙所示，偏振光經(jīng)過偏振片時，若光的振動方向與偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振動方向與偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于兩者之間，隨著振動方向與透振方向的夾角變大，亮度逐漸變暗．【例1】(多選)在垂直于太陽光的傳播方向上前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏(圖中未畫出)，如圖所示，則下列說法正確的是()A．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度不變B．Q不動，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度時強(qiáng)時弱C．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度不變D．P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時強(qiáng)時弱[解析]P是偏振片，它的作用是把太陽光(自然光)轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆猓撈窆獾恼駝臃较蚺cP的透振方向一致，所以當(dāng)Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強(qiáng)最大；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時通過Q的光強(qiáng)最小，即無論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強(qiáng)都是時強(qiáng)時弱．[答案]BD[針對訓(xùn)練1]關(guān)于自然光和偏振光，下列觀點正確的是()A．自然光能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，而偏振光卻不能B．只有自然光透過偏振片才能獲得偏振光C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光D．自然光和偏振光都能使感光底片感光解析：選D.振動沿各個方向均勻分布的光是自然光，而振動沿著特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能發(fā)生干涉、衍射，A錯誤．光的偏振現(xiàn)象并不罕見，除了從光源直接發(fā)出的光以外，我們通?？吹降慕^大部分光都是偏振光，B錯誤．光的顏色由光的頻率決定，與光的振動方向無關(guān)，C錯誤．自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D正確．[針對訓(xùn)練2]在拍攝日落時水面下的景物時，應(yīng)在照相機(jī)鏡頭前裝一個偏振片，其目的是()A．減弱反射光，從而使景物的像清晰B．增強(qiáng)反射光，從而使景物的像清晰C．增強(qiáng)透射光，從而使景物的像清晰D．減弱透射光，從而使景物的像清晰解析：選A.由于反射光的干擾，景物的像常常比較模糊，裝偏振片的目的是減弱反射光，且透振方向與反射光的振動方向垂直，不能增強(qiáng)透射光．探究二激光及應(yīng)用【問題導(dǎo)引】激光作為一種人造光源在科研、通訊、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(jī)、激光炮等．激光的應(yīng)用如此廣泛，激光到底具有哪些特性？提示：激光具有單色性好、相干性好、亮度高、平行度好等特性．1．激光的產(chǎn)生激光是人工產(chǎn)生的相干光．2．激光具有的特點(1)相干性好：所謂相干性好，是指容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象．普通光源發(fā)出的光(即使是所謂的單色光)頻率是不一樣的，而激光器發(fā)出的激光的頻率幾乎是單一的，并且滿足其他的相干條件．所以，現(xiàn)在我們做雙縫干涉實驗時，無須在雙縫前放一個單縫，而是用激光直接照射雙縫，就能得到既明亮又清晰的干涉條紋．利用相干光易于調(diào)制的特點傳輸信息，所能傳遞的信息密度極高，一條細(xì)細(xì)的激光束通過光纜可以同時傳送一百億路電話和一千萬套電視，全國人民同時通話還用不完它的通訊容量．(2)平行度好：與普通光相比，傳播相同距離的激光束的擴(kuò)散程度小，光線仍能保持很大的強(qiáng)度，保持它的高能量，利用這一點可以精確測距．現(xiàn)在利用激光測量地月距離精確度已達(dá)到1m.(3)亮度高：它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量．如果把強(qiáng)大的激光束會聚起來，可使物體被照部分在千分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫．(4)單色性好：激光的頻率范圍極窄，顏色幾乎是完全一致的．【例2】關(guān)于激光的應(yīng)用問題，下列說法中正確的是()A．光纖通信是應(yīng)用激光平行度非常好的特點對信號進(jìn)行調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中傳遞信息的B．計算機(jī)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)中用激光作“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(dá)”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[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(jī)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)療中的激光“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方向性好的特點，D錯誤．[答案]C[針對訓(xùn)練3](多選)關(guān)于激光與自然光，下列說法正確的是()A．激光的頻率單一，而自然光含有各種頻率的光，所以激光的相干性好B．自然光是由物質(zhì)的原子發(fā)射出來的，而激光是人工產(chǎn)生的，所以激光不是由物質(zhì)的原子發(fā)射出來的C．激光和自然光都具有相同的本質(zhì)，它們都是由原子的躍遷產(chǎn)生的D．相干性好是激光與普通光的根本區(qū)別解析：選ACD.激光的頻率單一，相干性很好，自然光中含有各種頻率的光，故A、D正確；激光和自然光都是由原子的躍遷產(chǎn)生的，故B錯誤，C正確．(建議用時：30分鐘)[基礎(chǔ)鞏固練]1．如圖所示，讓太陽光通過M上的小孔S后照射到M右方的一偏振片P上，P的右側(cè)再放一光屏Q，現(xiàn)使P繞著平行于光傳播方向的軸勻速轉(zhuǎn)動一周，則關(guān)于光屏Q上的亮度變化情況，下列說法中正確的是()A．只有當(dāng)偏振片轉(zhuǎn)到某一適當(dāng)位置時光屏被照亮，其他位置時光屏上無亮光B．光屏上亮、暗交替變化C．光屏上亮度不變D．光屏上只有一條亮線隨偏振片轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動解析：選C.因為太陽光為自然光，自然光沿各個方向振動的光的強(qiáng)度都相同，故光屏Q上的亮度不變，故C正確．2．(多選)激光技術(shù)是在1958年發(fā)明的．激光被譽(yù)為神奇的光．關(guān)于激光的應(yīng)用，下列說法中正確的是()A．激光用來控制核聚變，是因為它的平行度好，光源的能量就集中在很小一點上，可以在空間某個小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度B．由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調(diào)制，用來傳遞信息C．用激光攔截導(dǎo)彈，摧毀衛(wèi)星，是因為激光在大氣中傳播不受大氣的影響D．能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因為激光通過地球大氣不會發(fā)生折射解析：選AB.激光用來控制核聚變，是因為它的平行度好，光源的能量就集中在很小一點上，可以在空間某個小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，故A正確；由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調(diào)制，用來傳遞信息，故B正確；用激光攔截導(dǎo)彈，摧毀衛(wèi)星，是因為激光平行度好、能量高；能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因為激光平行度好，但都會不同程度地受大氣影響，故C、D錯誤．3．(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(jī)的燃燒室，使推進(jìn)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．相干性好解析：選BC.激光的平行度好且亮度高，可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量，這樣可以給火箭提供高能量，B、C正確．4．(多選)如圖所示，電燈S(可視為質(zhì)點)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處將看到光亮解析：選BD.自然光在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿各個方向的振動是均勻分布的，通過偏振片后，透射光是只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，故A錯誤；它通過偏振片A后，即變?yōu)槠窆猓蔅正確；設(shè)通過A的光沿豎直方向振動，而偏振片B只能通過沿水平方向振動的偏振光，則P點無光亮，以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后，P處仍無光亮，故C錯誤；以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后，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，故D正確．[綜合提升練]5．夜晚，汽車前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來的汽車司機(jī)照得睜不開眼，嚴(yán)重影響行車安全．若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?；同時汽車前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好與燈光的振動方向垂直，但還要能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體．假設(shè)所有的汽車前窗玻璃和前燈玻璃均按同一要求設(shè)置，如下措施中可行的是()A．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是水平的B．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是豎直的C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45°D．前窗玻璃和車燈玻璃的透振方向都是斜向右上45°解析：選D.此題要求自己車燈發(fā)出的光經(jīng)對面車窗反射后仍能進(jìn)入自己眼中，而對面車燈發(fā)出的光不能進(jìn)入自己的眼中．若前窗的透振方向豎直、車燈玻璃的透振方向水平，從車燈發(fā)出的光照射到物體上反射回的光線將不能透過窗玻璃，司機(jī)面前將是一片漆黑，A錯誤；若前窗玻璃與車燈玻璃透振方向均豎直，則對面車燈的光仍能照射得司機(jī)睜不開眼，B錯誤；若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45°，則車燈發(fā)出的光經(jīng)物體反射后無法透射進(jìn)本車窗內(nèi)，卻可以透射進(jìn)對面車內(nèi)，C錯誤，D正確．6．光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波，下列現(xiàn)象中不能反映光的偏振特性的是()A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片，透射光的強(qiáng)度發(fā)生變化B．一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當(dāng)反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90°時，反射光是偏振光C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機(jī)鏡頭前裝上偏振濾光片可以使景象更清晰D．通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋解析：選D.通過手指間的縫隙觀察日光燈，看到彩色條紋是光的衍射現(xiàn)象．其余各項均是光的偏振現(xiàn)象，故D符合題意．7．(多選)如圖所示，一玻璃柱體的橫截面為半圓形，讓太陽光或白熾燈光通過狹縫S形成細(xì)光束從空氣射向柱體的O點(半圓的圓心)，產(chǎn)生反射光束1和透射光束2.現(xiàn)保持入射光不變，將半圓柱繞通過O點垂直于紙面的軸線轉(zhuǎn)動，使反射光束1和透射光束2恰好垂直．在入射光線的方向上加偏振片P，偏振片與入射光線垂直，其透振方向在紙面內(nèi)，這時看到的現(xiàn)象是()A．反射光束1消失B．透射光束2消失C．反射光束1和透射光束2都消失D．偏振片P以入射光線為軸旋轉(zhuǎn)90°角，透射光束2消失解析：選AD.自然光射到界面上，當(dāng)反射光與折射光垂直時，反射光和折射光的偏振方向相互垂直，且反射光的偏振方向與紙面垂直，折射光的透振方向與紙面平行，因此當(dāng)在入射光線方向垂直放上透振方向在紙面內(nèi)的偏振片P時，因垂直于紙面無光，反射光束1消失，A正確，B、C錯誤；偏振片轉(zhuǎn)動90°，平行于紙面內(nèi)的光消失，則透射光束2消失，D正確．8．如圖所示，這是一種利用光纖溫度傳感器測量溫度的裝置，一束偏振光射入光纖，由于溫度的變化，光纖的長度、芯徑、折射率發(fā)生變化，從而使偏振光的振動方向發(fā)生變化，光接收器接收的光強(qiáng)度就會變化．設(shè)起偏振器和檢偏振器透振方向相同，關(guān)于這種溫度計的工作原理，正確的說法是()A．到達(dá)檢偏振器的光的振動方向變化越