人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光6 光的偏振 激光学案

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☆ 阅读第5节教材，回答第98页“问题”并梳理必要知识点．
教材第98页“问题”提示：因为光的波长太小，可见光的波长大约在10－7 m这个数量级上，日常生活中的孔(缝)或障碍物的尺寸要远大于这个数量级，光不能发生明显衍射，所以我们观察不到光的明显衍射；光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的．
一、光的衍射
1．定义：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，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象．
2．衍射图样：衍射时产生的明暗条纹或光环．
3．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．
4．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．
5．衍射光栅
(1)结构
由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．
(2)衍射图样特点
与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．
☆ 阅读第6节教材，回答第102页“问题”并梳理知识点．教材第102页问题提示：立体电影放映时通过两台放映机，同步放映两组胶片，每台放映机前都安装一块偏振片，放映机放出的光通过偏振片后成了偏振光．左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直．这两束光投射到银幕上再反射到观众眼里，偏振方向不变．观众用上述的偏振眼镜观看，就会产生立体感，若不带上述眼镜，则看到银幕上的画面就会出现重影而模糊不清．
二、光的偏振
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象．(×)
(2)菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象．(×)
(3)用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹．(√)
(4)凡是波都有偏振现象．(×)
(5)反射可以引起自然光的偏振．(√)
2．(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是( )
A．将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄
B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
ACD [当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大，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，条纹间距越大，B错误；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，D正确．]
3．(多选)对于光的偏振，下列说法正确的是( )
A．自然光通过偏振片后成为偏振光
B．偏振光不能再通过偏振片
C．如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光不能透过偏振片
D．偏振现象表明光是横波
ACD [自然光透过偏振片后的光振动方向只沿着偏振片的透振方向，故自然光透过偏振片后变为偏振光．A选项正确；只要偏振光的振动方向与偏振片的透振方向不垂直就能通过偏振片，当两者方向平行时，透射光强度最大，B选项错误；当两者方向垂直时，偏振光将不能通过偏振片，故C选项正确；偏振现象表明光是横波，D选项正确．]
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到闭合的过程中，猜一猜光屏上依次可以看到的不同现象．
提示：正方形孔较大时看到正方形光斑，孔逐渐减小看到的屏上的正方形光斑由大到小，孔再减小看到圆形光斑，孔小到一定程度看到明暗相间的彩色条纹，孔闭合后屏上什么也看不到．
1．产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射．对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显．由于波长越长，衍射性越好，所以观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多．
2．三种不同的衍射现象及特点
(1)单缝衍射．
①现象：如图所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象．
②单缝衍射图样的四个特点：
a．中央条纹亮而宽；
b．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；
c．波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，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；
d．白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色．
(2)圆孔衍射．
①现象：圆孔衍射如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图乙中a所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙中b所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环．
甲
乙
②圆孔衍射图样的两个特点
单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环．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．
①现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清．若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，如图乙中c所示．
②障碍物的衍射图样的特点．
圆形阴影中心有一亮斑，圆板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．与小孔衍射图样有明显区别．
【例1】 (多选)对于光的衍射现象，下列说法正确的是( )
A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比，甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象
B．衍射现象是光特有的现象，只有光才会发生衍射
C．光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论
D．光的衍射现象说明了光具有波动性
思路点拨：通过衍射现象可知光具有波动性．
AD [光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象比较明显，只有在光的波长比障碍物的尺寸小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的，所以光的衍射现象和光沿直线传播是不矛盾的，它们是光在不同条件下产生的两种现象，衍射现象是波特有的现象，故正确的选项是A、D.]
对衍射现象的理解
(1)衍射现象是否明显方面：入射光波长越大，障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小，衍射现象越明显．
(2)衍射条纹的亮度方面：小孔和狭缝的尺寸越小，衍射条纹的亮度越小．
eq \([跟进训练])
1．用单色光分别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( )
A．用前者做实验时中央是暗的，用后者做实验时中央是亮的
B．用前者做实验时中央是亮的，用后者做实验时中央是暗的
C．中央均为亮点的同心圆形条纹
D．中央均为暗点的同心圆形条纹
C [前者为障碍物小圆盘的衍射，障碍物后的阴影中央是一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，是光绕过盘的边缘后在中央叠加后形成的，在亮斑的周围有一个大的影区，在影区的边沿有明暗相间的圆环．圆孔衍射形成的图样是明暗相间的同心圆环，中央是明亮的．]
单缝衍射与双缝干涉的比较
【例2】 (多选)如图所示的四种明暗相间的条纹，是红光、紫光分别通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和通过同一个单缝形成的衍射图样．图中黑色部分代表亮条纹，下列四幅图中由红光形成的图样是( )
AD [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是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距Δx＝eq \f(L,d)λ可知波长λ越大，Δx越大，故A选项是红光的干涉图样，C选项是紫光的干涉图样；单缝衍射条纹中间明亮且宽度大，越向两侧宽度越小越暗，且波长越大，中央亮条纹就越宽，故B选项是紫光单缝衍射图样，D选项为红光单缝衍射图样．综上所述，选项A、D是红光形成的图样．]
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，两侧的条纹变窄.
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；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗.
eq \([跟进训练])
2．如图甲、乙所示，是单色光通过窄缝后形成明暗相间的两种条纹图样．________为单缝衍射的图样，________为双缝干涉的图样．
[解析] 甲图中的条纹宽度不等，中央宽，两侧窄，应为单缝衍射图样．乙图中的条纹等宽等距，应为双缝干涉图样．
【答案】 甲 乙
1.横波、纵波的判断方法
直接看质点的振动方向与传播方向的关系．若互相垂直为横波；若在同一直线上为纵波．这种方法适用于看得见质点振动方向的机械波．
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完全通过偏振片，这个方向叫作透振方向．偏振片对光波的作用就像狭缝对机械波的作用一样．
3．自然光和偏振光的比较
【例3】 (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，则下列说法不正确的是( )
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
AC [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，故选AC.]
对偏振光的理解
(1)自然光通过一个偏振片成为偏振光，透射光的偏振方向与偏振片的放置有关，但光的强度与偏振片的方向无关．
(2)偏振光通过偏振片时，透光的强度与偏振方向和偏振方向的夹角大小有关．
eq \([跟进训练])
3．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
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点的光强有变化，选项C正确．]
1．物理观念：光的衍射、衍射条件、光的偏振．
2．科学思维：比较法理解单缝衍射和双缝干涉．
3．科学探究：探究产生明显衍射的条件．
1．(多选)对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发生传播的现象
B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果
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的直线传播结论
ABC [衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误．]
2．(多选)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同
B．偏振光是垂直于传播方向上，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光
D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光
BD [自然光沿各振动方向的光波的强度相同，A错误；偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，B正确；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，C错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D正确．]
3．(多选)下列情况中能产生明显衍射现象的是( )
A．光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多
B．光的波长与孔或障碍物的尺寸可相比
C．光的波长等于孔或障碍物的尺寸大小
D．光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多
E．用红光做实验时未观察到明显的衍射现象，现用绿光替代红光做实验
ABC [发生明显衍射的条件是障碍物、缝、孔的尺寸与光的波长差不多或更小．]
4．(多选)如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则( )
A．图中a光为偏振光
B．图中b光为偏振光
C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮
D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮
E．以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮
BDE [该题考查了对自然光、偏振光的特点的认识．自然光沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光．从电灯直接发出的光为自然光，则A错；它通过偏振片A后，变为偏振光，则B对；设通过A的光沿竖直方向振动，当偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光时，则P点无光亮，将B转过180°后，P处仍无光亮，即C错；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，D对；同理可知E对．]
5．[思维拓展]情境：奶粉的碳水化合物(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，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，就能确定被测样品中的含糖量．如图所示．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．
问题：(1)当被测样品P置于A、B之间后到达O处光的强度怎样变化？
(2)要想使O处光强度最大，偏振片A或B应怎样转动？
[解析] (1)自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱．(2)将A或B转动一个最小角度α，使到达B的光的偏振方向与B的透振方向一致，此时O处光强最大．
[答案] 见解析偏振现象
只有沿偏振片的“透振方向”振动的光波才能通过偏振片
结论
偏振现象表明光是一种横波
偏振光的形成
(1)自然光通过偏振片后得到偏振光
(2)自然光在介质表面反射时，反射光和折射光都是偏振光
偏振现象
的应用
(1)把偏振片装在照相机镜头前
(2)电子表的液晶显示
光的衍射
单缝衍射和双缝干涉的比较
名称
项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
只要狭缝足够小，任何光都能发生
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮，两边变暗
条纹清晰，亮度基本相等
相同点
成因
都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象，表明光是一种波
光的偏振
自然光
偏振光
成因
从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光
自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光
振动方向
在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动
在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向
经偏振片后现象比较
如上图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化
如上图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗