高中人教版 (2019)5 光的衍射导学案及答案

 光的衍射 光的偏振 激光

1．知道光的衍射现象和产生明显衍射现象的条件，认识衍射条纹的特点。

2．观察光的偏振现象，知道光是横波。

3．知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的一些应用。

4．了解激光的特点和应用。

知识点一　光的衍射　衍射光栅

[情境导学]

用三块不透光的板，在每块板的中间各开一个圆孔，各板所开的圆孔直径依次变小。装置如图甲所示，先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个如图乙所示的明亮圆形光斑；再换上圆孔较小的那块板，在屏上会出现如图丙所示较小的明亮圆形光斑；最后用圆孔最小(直径约为1 mm)的那块板，在屏上会出现如图丁所示的明暗相间的条纹。

请思考：(1)图乙、丙中的情境是什么现象造成的？

(2)图丁中的情境是什么现象造成的？

提示：(1)图乙、丙中的情境是光的直线传播现象。

(2)图丁中的情境是光的衍射现象。

[知识梳理]

1．光的衍射现象：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，光没有沿直线传播，它绕过了狭缝(或圆孔)的边缘，传播到相当宽的地方的现象。

2．明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸足够小。

3．衍射图样：衍射时产生的明暗相间条纹。

4．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽、最亮，其余条纹变窄、变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。

5．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。

6．衍射光栅

(1)定义：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。

(2)分类

①透射光栅；②反射光栅。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)光的衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。(×)

(2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象。(×)

(3)所有光都能发生衍射现象。(√)

(4)菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象。(×)

2．让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，则在孔后的屏上将先后出现(遮住侧面光)(　　)

A．三角形光斑　倒立的烛焰　明暗相间的圆环

B．三角形光斑　圆形光斑　倒立的烛焰

C．倒立的烛焰　圆形光斑　明暗相间的圆环

D．三角形光斑　明暗相间的圆环　倒立的烛焰

解析：选A　当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示；随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小，当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗。

知识点二　光的偏振

[情境导学]

电影《战狼2》的经典台词“犯我中华者，虽远必诛”扬我国威。《战狼2》是立体电影，放映时通过两台放映机，同步放映两组胶片，观众必须戴上特制的“3D”眼镜观看，就会产生立体感，使观众有身临其境的体验，若不戴上述眼镜，则看到银幕上的画面就会出现重影而模糊不清。

请思考戴上“3D”眼镜观看立体电影应用了什么原理？

提示：应用了光的偏振现象。

[知识梳理]

1．偏振

(1)不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能不同的现象，称为偏振现象。

(2)横波的振动方向称为偏振方向。

(3)偏振现象是横波的特有现象，纵波没有偏振现象。

2．光的偏振

(1)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，沿这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，这个偏振方向叫作透振方向。

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

(3)偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光叫作偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面的反射光和折射光都是偏振光，入射角变化时偏振的程度也有所变化。

3．偏振现象的应用

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，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱了反射光进入镜头。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)凡是波都有偏振现象。(×)

(2)自然光通过偏振片可以得到偏振光。(√)

(3)反射可以引起自然光的偏振。(√)

(4)拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象。(√)

2．下列说法正确的是(　　)

A．“3D电影”的播放和观看利用了光的衍射

B．色散现象表明白光是复色光

C．泊松亮斑是光的干涉现象

D．光的偏振现象表明光是纵波

解析：选B　“3D电影”的播放和观看利用了光的偏振现象，A错误；太阳光是复色光，而七种色光混合后成为白光，色散现象表明白光是由多种色光组成的，B正确；泊松亮斑是光的衍射现象， C错误；只有横波才会发生偏振现象，光波具有偏振特性说明光是横波，       D错误。

知识点三　激光

[知识梳理]

激光的特点及应用

[初试小题]

1．判断正误。

(1)计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光有相干性的特点。(×)

(2)激光可以切割、焊接，是因为激光的亮度高，能量大。(√)

(3)医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光的亮度高的特点。(√)

(4)“激光测距”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。(×)

2．关于激光的应用，下列说法正确的是(　　)

A．全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理

B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距

C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息

D．利用激光亮度高，可以用在医学上做“光刀”切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜

解析：选D　全息照片拍摄是利用了激光的频率单一、相干性好，能够产生明显的干涉，故A错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故B错误；利用激光相干性好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故C错误；利用激光的亮度高、能量集中，可以用在医学上做“光刀”切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确。

[问题探究]

我们日常生活中常有“未见其人、先闻其声”“人未到、声先到”情境，请思考这两句话中隐含了什么物理原理？

提示：两句话中隐含了波发生明显衍射的条件。声波的波长较长，比较容易发生衍射，一个人在房间外(或走廊里)说话，由于声波的衍射(注意：也有声波的反射因素)，在房间里(或走廊拐弯的地方)的其他人可以听到该人的声音；而光波的波长很短，不容易发生衍射，在房间里(或走廊拐弯的地方)的人无法通过光的直线传播看到在房间外(或走廊里)说话的人，故有“未见其人、先闻其声”“人未到、声先到”情境。

[要点归纳]

1．光的衍射与光的直线传播的关系

 (1)光的直线传播只是一个近似的规律，当障碍物或狭缝的尺寸很大时，衍射现象不明显，光可以看成沿直线传播。

(2)在障碍物或狭缝的尺寸足够小时，光会发生明显的衍射现象。

2．三种衍射图样的比较

三种衍射图样如图所示。

(1)单缝衍射图样

①中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小；中央条纹最宽，两边条纹宽度变窄。

②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮条纹的亮度降低。

③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，入射光的波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。

④用白光做单缝衍射实验时，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，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。

②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。

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，光屏上依次得到几种不同的现象——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)。

(3)圆盘衍射图样(泊松亮斑)

①中央是亮斑。

②形成泊松亮斑时，圆盘阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。

③周围的亮环或暗环的间距随半径增大而减小。

3．单缝衍射与双缝干涉的比较

[例题1]　如图所示的四种明暗相间的条纹是红光、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成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。在下面的四幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(　　)

A．红黄蓝紫　　　　　 B．红紫蓝黄

C．蓝紫红黄 D．蓝黄红紫

[解析]　双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故a、c两个是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ可以知道波长λ越大，Δx越大，故a是红光的双缝干涉图样，c是蓝光的双缝干涉图样。单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小、亮度越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，故b、d是单缝衍射图样，b为紫光的单缝衍射图样，d为黄光的单缝衍射图样。故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、蓝光(双缝干涉)和黄光(单缝衍射)，故B正确，A、C、D错误。

[答案]　B

区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法

(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，两侧的亮条纹逐渐变窄。

(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；而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗。　　　　

[针对训练]

1．利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是(　　)

A．甲对应单缝，乙对应双缝

B．甲对应双缝，乙对应单缝

C．都是单缝，甲对应的缝宽较大

D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大

解析：选A　单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。 根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A选项正确。

2.一束激光照在一个很小的不透明的圆盘上，在屏上观察到：在影的中心有一个亮斑，这就是著名的“泊松亮斑”，如图所示。“泊松亮斑”的形成说明了光(　　)

A．能发生衍射

B．能发生干涉

C．发生偏振

D．沿直线传播

解析：选A　当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，亮斑的周围是明暗相间的环状条纹，这就是泊松亮斑。说明光线偏离原来的直线方向传播，是激光绕过不透光的圆盘发生衍射形成的，故A正确，B、C、D错误。

[要点归纳]

1．光的偏振现象表明光是一种横波。

2．偏振片和透振方向：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，只有沿着这个特定方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。

3．自然光与偏振光的比较

[例题2]　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(　　)

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，屏上光的亮度逐渐变暗

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。无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱，故选D。

[答案]　D

(1)偏振片是由特殊材料制成的，每个偏振片都有特定的透振方向，沿与透振方向垂直振动的光不能透过偏振片。

(2)获得偏振光的两种方式

①让自然光通过偏振片；

②自然光射到两种介质的分界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。　　　　

[针对训练]

1．如图所示，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(　　)

A．A、B均不变 B．A、B均有变化

C．A不变，B有变化 D．A有变化，B不变

解析：选C　白炽灯光是自然光，包含各个方向的光，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，此时只有偏振片Q与P的偏振方向一致时偏振光才能完全透过Q，因此在旋转P时B点光的强度有变化，选项C正确。

2．如图所示，一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上不亮的有(起偏器上用箭头表示其透振方向)(　　)

解析：选C　自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向垂直时不能够通过，故选C。

[问题探究]

据了解，我国在激光武器研发领域，已经有五大核心技术领先于世界各国。我国的“死光A”重型激光武器系统，综合作战能力强，可以充分适用于陆战和海战之中。请思考激光武器利用了激光的哪些特性？

提示：激光武器利用了激光的单色性好、平行度好、亮度(能量)高等特性。

[要点归纳]

1．激光的产生：激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。

2．激光的特点

(1)单色性好：激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好。激光的频率单一、颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。

(2)平行度好：从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。

(3)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。

[例题3]　激光被誉为神奇的光，关于激光的应用下列说法中正确的是(　　)

A．激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度

B．激光是相干光，但它不能像无线电波那样被调制，用来传递信息

C．用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光在大气中传播不受大气的影响

D．能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光通过地球大气时不会发生折射

[解析]　激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度，故A正确；由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故B错误；用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好、能量高，能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光的平行度好、方向性好，但都会不同程度地受大气影响，故C、D错误。

[答案]　A

[针对训练]

1．对于激光的认识，以下说法中正确的是(　　)

A．普通光源发出的光都是激光

B．激光是自然界中普遍存在的一种光

C．激光是一种人工产生的相干光

D．激光一定比普通光的强度大

解析：选C　激光是原子受激辐射产生的光，是人工产生的一种相干光，与普通光源发出的光不同，故C正确，A、B错误；用途不同，不同激光的强度大小并不相同，激光的强度不一定比普通光大，D错误。

2．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船。激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)

A．单色性好 B．平行度好

C．高能量 D．相干性好

解析：选C　利用激光的高能量特点，使推进剂急剧膨胀，喷出类似于现代火箭的燃料燃烧后产生的燃气流，C正确。

1．下列现象中体现了光的干涉的是(　　)

A．用手按压两片无色透明的玻璃片，阳光下也能看到彩色花纹

B．透过游标卡尺两测量爪间的狭缝，观看与狭缝平行的线光源时，看到彩色条纹

C．白光透过双缝，在光屏上出现黑白条纹

D．清晨洒水车洒的水珠成彩色的

解析：选A　用手按压相当于调整厚度，光发生了薄膜干涉；透过游标卡尺两测量爪间的狭缝，观看与狭缝平行的线光源时，看到彩色条纹是光的单缝衍射；白光透过双缝，在光屏上出现彩色条纹是双缝干涉；清晨洒水车洒的水珠成彩色的是光的色散，属于折射现象。故选A。

2．我们经常看到，凡路边施工处总挂有红色的灯，除了红色光容易引起人们的视觉反应外，这样做的另一个重要的原因是(　　)

A．红光比其他可见光更容易发生衍射

B．红光比其他可见光更容易发生干涉

C．红光比其他可见光频率更大

D．红光比其他可见光在玻璃中的折射率小

解析：选A　红色光的波长较长，而频率较小，所以比其他可见光更容易发生衍射，故A正确，C错误；只要频率相同，均能发生干涉现象，故B错误；频率越大，折射率越大，可见光中红光频率最小，折射率最小，但挂红灯的原因不是因为折射率小，故D错误。

3．在观看立体电影时，观众要戴上特制的眼镜，银幕上的图像才清晰，这副眼镜的制作原理是利用了光的(　　)

A．折射　　　　　　　　 B．衍射

C．干涉 D．偏振

解析：选D　观众戴上特制眼镜观看立体电影时，利用了光的偏振现象，故选D。

4．若甲、乙两束单色光，经过同一单缝后的衍射图样如甲、乙所示。则下列说法正确的是(　　)

A．若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度均变窄，条纹亮度也变暗

B．若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度都变宽，条纹亮度也变亮

C．在同一介质中传播，甲光比乙光的传播速度小

D．甲光和乙光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是甲光

解析：选C　若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度都变宽，因为通过的光变少，所以亮度变暗，A、B错误；甲、乙两束单色光，经过同一单缝后乙光的中央亮条纹较宽，说明乙光波长较长，则在同一介质中乙光的折射率较小，根据v＝，可知，甲光比乙光的传播速度小，C正确；乙光的折射率较小，根据sin C＝，所以乙光的临界角较大，则甲光和乙光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是乙光，D错误。