高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 光的偏振 激光导学案

5　光的衍射

6　光的偏振　激光

一、光的衍射

1．衍射现象和衍射条纹

(1)衍射现象：光通过很窄的缝或很小的孔时，光没有沿直线传播，而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象．

(2)衍射条纹特点：衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央条纹最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越窄，亮度越低．

2．光产生明显衍射现象的条件

障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长相差不多．

二、衍射光栅

1．衍射光栅的结构：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学仪器．

2．衍射图样的特点：与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．

3．衍射光栅的种类：反射光栅、透射光栅．

三、光的偏振

1．自然光和偏振光

(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，沿着各个方向振动的光波的强度都相同．

(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光．

(3)光的偏振现象，表明光是一种横波．

2．光的偏振

你看过立体电影吗？你知道它的原理吗？在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，从银幕上看到的景象才有立体感．如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了．你知道这是为什么吗？

提示：立体电影是应用光的偏振现象的一个例子．观众所戴的眼镜是一对透振方向互相垂直的偏振片．人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感．这是由于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，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉．

立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片．在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上．这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架放映机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器．从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光．

左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直．这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变．观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉．

四、激光

激光的特点和应用

(1)纯净的特性与应用

①纯净的特性：1960年，美国物理学家梅曼率先在实验室制造出了传播方向、偏振、相位等性质完全相同的光波，这就是激光．激光的诞生使人类获得了极其理想的、自然界中不存在的光源．

②应用：用来传递信息．光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物．每时每刻都有无数激光信号承载着无数信息在海底光缆中传输．

(2)平行度及应用

①平行度：激光的平行度非常好，所以它在传播很远的距离后仍能保持一定的强度．

②应用：进行精确的测距．对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到反射回波的时间间隔，就可以求出目标的距离．

(3)亮度及应用

①亮度高，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量．

②可用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔，医学上可以用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤．

1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验．他的实验装置里有一根人造红宝石棒，突然，一束深红色的亮光从装置中射出——从此一项伟大的发明诞生了，它比太阳表面还要亮4倍！这就是激光．

在日常生活中，我们可以随时感受到激光的存在．如在超级市场里，你会看到用激光在商品的条形码上扫描，结算账目(如图所示)，你能再举几个生活中应用激光的例子吗？

提示：如：用CD或VCD播放影片，电视或网络信息的传输光缆，激光测距等．

考点一　　　　　光的衍射现象

泰山佛光是一种光的衍射现象.

1.定义：光照到小孔或障碍物上之后，离开直线传播的路径，在背后的阴影区形成明暗相间的条纹的现象．

2．产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸跟光波波长相差不大或比光波波长还要小，才能产生明显的衍射现象．

3．衍射条纹的特点：

①单色光通过单缝衍射时，在光屏上出现明暗相间的条纹，且中间亮条纹又宽又亮，两侧对称出现的亮条纹宽度窄且亮度随距中间亮条纹的距离的增加而迅速降低，而暗条纹的宽度明显小于亮条纹．

②光屏上相邻两条亮(或暗)条纹的距离不等．

③白光通过单缝衍射时，光屏上出现的是中间较宽的白色条纹，白色条纹的两侧对称分布着彩色条纹．

4．衍射条纹产生的实质：衍射条纹的产生实质上是光波发生干涉的结果，即相干波叠加的结果．当光源发出的光照射到小孔或障碍物时，小孔处或障碍物的边缘可看成许多点光源，这些点光源是相干光源，发出的光相互干涉，形成明暗相间的条纹．

5．光的衍射和机械波的衍射相同，都不需要条件，但发生明显的衍射是需要条件的，都是障碍物或孔的尺寸与波长相差不大，或小于波长，由于光波的波长很小，不易满足衍射条件．

【例1】　关于光的衍射现象，下面说法正确的是(　　)

A．只有当光的波长等于障碍物或小孔的尺寸时，才会发生明显的衍射现象

B．当光的波长大于障碍物的尺寸时，完全不发生光的衍射现象

C．发生单缝衍射时，若减小单缝宽度，条纹变亮

D．发生单缝衍射时，若略微增大单缝宽度，条纹变亮

【审题指导】

1．光发生衍射必须有条件吗？

2．衍射现象越明显是不是条纹越亮呢？

【解析】　本题易错选A、B，是因为没有很好地理解衍射的条件．光离开直线传播的路径进入障碍物的阴影里去的现象叫作光的衍射．任何障碍物都可以使光发生衍射，但当障碍物或孔的尺寸跟光的波长相差不多或小于光的波长时，将产生明显的衍射现象．现象“明显”了，才容易被观察到．当发生单缝衍射时，缝宽越小，衍射越明显．但由于单缝窄通过单缝的光的能量少，故而图样将变暗．选C是误认为衍射越明显就是衍射条纹越亮．

【答案】　D

1衍射是光所具有的特点，使光发生明显的衍射现象则需要满足一定的条件.

2衍射条纹的亮度是由光照射的能量决定的，并不是衍射现象越明显条纹越亮.

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　)

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，现象向相反的方向变化，故选项A正确，B、C、D错.

考点二　　　　　　　衍射与干涉的区别

1．几种衍射现象

(1)单缝衍射图样

①缝变窄，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．

②中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．

③用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮．

(2)圆孔衍射图样

①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，当圆孔的直径取某些特定值时，圆形亮斑的中心还会出现一个黑斑，且越靠外，环形亮条纹的亮度越弱，宽度越小．如图所示．

②只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样．在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗．

③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．

④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．

⑤圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．

(3)不透明的小圆板衍射图样

①泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小．

②与圆孔衍射图样比较

a．均是明暗相间的环形条纹，中心均有亮斑．

b．圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小．

c．圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小．

d．圆孔衍射图样的背景是黑暗的，而小圆板衍射图样中的背景是明亮的．

2．单缝衍射与双缝干涉的比较

【例2】　(多选)关于衍射，下列说法正确的是(　　)

A．衍射条纹的出现是光叠加后产生的结果

B．双缝干涉中也存在衍射现象

C．一切波都很容易发生明显的衍射现象

D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实

【审题指导】

1．光的干涉和衍射现象的区别是什么？

2．光的干涉现象和衍射现象有什么联系？

【解析】　　衍射是很复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射．一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于波长或与波长相差不大的条件．

双缝干涉离不开衍射现象，衍射条纹是光波叠加的结果．

【答案】　AB

一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹．现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　B　)

A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些

B．与原来不同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些

C．只有一条与缝宽相对应的明条纹

D．无条纹，只存在一片红光

    解析：本题中红光通过双缝时产生了干涉现象，说明每条缝都很窄，也应满足发生明显衍射的条件，所以挡住一条缝时发生明显衍射现象，出现单缝衍射条纹．条纹的特点是中央亮条纹较宽且亮度大，应选B.

考点三　　　　　　　偏振现象

除了从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光.

1.光的偏振

(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同．这种光是自然光．

(2)偏振光：光在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动．这种光叫作偏振光．

(3)偏振光一般用自然光透过偏振片得到．

(4)偏振光的另一种产生方式：自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．

2．用偏振光验证光是一种横波

只有一个振动方向的光叫偏振光．如经过偏振片后的自然光．若偏振光再经过一个偏振片后，情况会怎样呢？如图1所示，当两偏振片的“狭缝”平行时，光屏上仍有亮光．当两偏振片的“狭缝”相互垂直时，透射光的强度几乎为零，光屏上是暗的．如图2所示．

光的偏振现象表明：光是一种横波．

当两个偏振片的透振方向平行时，透过的光强度最强；当两个偏振片的透振方向相互垂直时，透射光的强度最弱，几乎为零．

【例3】　两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过．如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象(　　)

A．透过偏振片的光先增强，然后又减弱到零

B．透过的光先增强，然后减弱到非零的最小值

C．透过的光在整个过程中都增强

D．透过的光先增强，再减弱，然后又增强

【审题指导】

每个偏振片都有一个固定的偏振方向，灯光为自然光，通过一个偏振片后则变成偏振光．

【解析】　起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过，偏振方向平行时，光的强度达到最大．当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的偏振方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光先增强，又减小到零，故选A.

【答案】　A

(多选)在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图所示，则下列说法正确的是(　BD　)

A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变

B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱

C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变

D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱

    解析：P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P的透振方向一致．所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时，通过Q的光强最小．即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱.

考点四　　　　　　　偏振现象的应用

光的偏振现象说明光是横波.

①光的偏振现象有很多应用．如在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清楚，如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景像清晰．②夜晚行车时，对方车灯照射过来的光很强，若加一个偏振片，可减弱对眼睛的照射．③立体电影也是利用了光的偏振原理．平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外绝大部分都是偏振光．④各种液晶显示器．

【例4】　在拍摄日落水面下的景物时，应在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是(　　)

A．减弱反射光，从而使景物的像清晰

B．增强反射光，从而使景物的像清晰

C．增强透射光，从而使景物的像清晰

D．减弱透射光，从而使景物的像清晰

【审题指导】

拍水面下景物时，由于水面反射光，会使景物的像不清晰．

【解析】　反射光为偏振光，当照相机镜头前装一个偏振片时，调整偏振片的方向可减弱进入镜头的反射光，从而使景物的像清晰，故A正确．

反射光为偏振光，平时我们看到的光，除直接从光源射出来的以外绝大部分都是偏振光．

【答案】　A

 (多选)毒奶粉作为食品加工业中的添加剂或调味剂，做成了糖果面包等，让人防不胜防．奶粉的碳水化合物(糖)的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．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α，这一角度α称为“旋光度”．α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了．如下图所示，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(　ACD　)

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α

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α

     解析：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O.当在A、B间放糖溶液时，由于溶液的旋光作用，使通过A的偏振光振动方向转动了一定角度，通过B到达O处的光强会明显减弱，A正确，B错误；但当B转过一个角度，恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光振动方向一致时，O处光强又为最强，故B的旋转角度即为糖溶液的旋光度；因为A、B的偏振方向一致，故转动偏振片A也可以，D正确.

考点五　　　　　　　激光的产生和特点

1．激光的产生

激光是人类在实验室里激发出的在自然界中没有的光．激光是一种特殊的光，自然界中的发光体不能发出激光．

2．激光的特点

可以用激光测量月球到地球的距离.

(1)激光是人工产生的“纯净”光

激光的传播方向、偏振、相位等性质完全相同，激光可以像无线电波那样进行调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物．

(2)激光束的平行度和方向性非常好

激光的光束高度平行，这样，激光的能量就不容易发散，激光在传播很远距离后仍能保持一定的强度．

(3)激光的强度大，亮度高

激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，可使被照射物体在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温．

(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．

【例5】　(多选)对激光的认识，下列说法中正确的是(　　)

A．普通光源发出的光都是激光

B．激光是自然界普遍存在的一种光

C．激光是一种人工产生的“纯净”光

D．激光已经深入到我们生活的各个方面

【审题指导】

1．激光与自然光有什么区别？

2．激光是怎么产生的？

【解析】　要知道激光的产生、特点及应用．

【答案】　CD

 (多选)关于激光与自然光，下列说法中正确的是(　AC　)

A．激光只含一种频率的光，而自然光含有各种频率的光，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电磁本质，它们都是电磁波

D．激光与自然光没有区别

考点六　　　　　　　激光的应用

激光的应用举例与对应的特性

【例6】　在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的什么特性(　　)

A．亮度高　　　　　　　 B．平行性好

C．单色性好   D．波动性好

【审题指导】

1．光发生干涉的条件是什么？

2．激光的什么特性与干涉条件相符合？

【解析】　　频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光．故本题的正确选项是C.

激光的单色性好，也就是频率单一．

【答案】　C

 (多选)下列说法中正确的是(　BCD　)

A．如果地球表面没有大气层，太阳照亮地球的范围要比有大气层时略大些

B．激光是一种人工产生的相干光，因此可对它进行调制来传递信息

C．激光雷达能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪

D．从本质上说激光是一种横波

    解析：如果地球表面没有大气层，太阳照亮地球的范围要比有大气层时略小些；激光是一种人工产生的相干光，因此可对它进行调制来传递信息；激光雷达能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪；激光是一种横波，故B、C、D正确.

1．(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是(　ACD　)

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

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．(多选)纳米科技是跨世纪新科技，将激光束宽度聚焦到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把尚令人类无奈的癌症、遗传疾病彻底根除．这是利用激光的(　BC　)

A．单色性　　　　　　　 B．方向性好

C．高能量   D．粒子性

解析：激光由于能把巨大能量高度集中地辐射出来，所以在医学上用“光刀”切开皮肤、切除肿瘤或进行其他外科手术．

3．(多选)除了从太阳、电灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是不同程度的偏振光．自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时(　AC　)

A．反射光和折射光都是偏振光

B．只有反射光是偏振光

C．反射光中振动方向垂直于纸面的光较强

D．反射光中振动方向在纸面内的光较强

解析：自然光中经过反射和折射后的光都是偏振光．反射光中振动方向垂直于纸面的光较强．

4．用单色光通过小圆盘与小圆孔做衍射实验时，在光屏上得到衍射图样，它们的特点是(　C　)

A．用小圆盘时中央是暗的，用小孔时中央是亮的

B．用小圆盘时中央是亮的，用小孔时中央是暗的

C．中央均为亮点的同心圆条纹

D．中央均为暗点的同心圆条纹

解析：小圆孔衍射图样，中央是亮的，亮点周围是明暗相间的同心圆环状条纹；小圆盘衍射图样，中央也是亮的，叫泊松亮斑，亮斑周围也有明暗相间的同心圆条纹，故只有C正确，A、B、D均错误．

5．(多选)如图所示，P是一偏振光，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(　ABD　)

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

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．