2021学年第六节 光的衍射和偏振学案

第六节 光的衍射和偏振 第七节 激光

[核心素养·明目标]

知识点一　光的衍射

1．定义

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，会偏离原有直线传播的途径而绕到障碍物后面的现象．

2．常见的衍射现象

(1)狭缝衍射现象．

(2)圆孔衍射现象．

3．光的明显衍射的条件

当障碍物或孔的尺寸与光的波长相当，甚至小于光的波长时，衍射现象将十分明显．

知识点二　光的偏振

1．偏振片是一种由特殊材料制成的元件，它有一个特殊的方向，叫作透振方向．当光的振动方向与透振方向平行时，光能完全通过偏振片；当光的振动方向与透振方向垂直时，光不能通过偏振片，当处于两者之间时，光只能部分通过．

2．只有横波才具有偏振性，光的偏振现象验证了光是横波．

3．偏振现象在生活中的应用：

(1)保护眼睛的偏振光眼镜．

(2)摄影爱好者常备的偏振滤光片．

知识点三　激光

1．激光的特性

(1)单色性好．

(2)相干性好．

(3)平行度好．

(4)亮度高．

2．激光的应用

(1)光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体．

(2)激光在雷达上用于测量距离和跟踪目标．

(3)工业上的激光切割、激光焊接技术，医学上切割肿瘤的“光刀”等．

(4)全息照相．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．

(1)衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的． (×)

(2)所有光都能发生衍射现象． (√)

(3)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好． (√)

(4)光的偏振现象说明光是横波． (√)

2．(多选)关于衍射，下列说法正确的是(　　)

A．衍射现象中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

AB　[衍射花纹图样是光波相互叠加的结果，故A正确；双缝干涉中缝的宽度与波长差不多，光通过逢时，也发生了衍身现象，故B正确；衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射，但只有波长大于或相当于障碍物或小孔的尺寸时，才能发生明显的衍射，故C错误；当波长比障物或孔的宽度小得多时，不能发生明显的衍物，这是表现出直线传播的特征，出现了影，影的存在与衍射现象并不是相互矛盾的，故D错误．]

3．(多选)一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)(　　)

ABD　[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平行时能够通过，否则不能通过，所以A、B、D正确．]

考点1　光的衍射

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，如图所示．

(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．不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)

(1)中央是亮斑．

(2)形成泊松亮斑时，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．

(3)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小．

【典例1】　对于单缝衍射现象，下列说法正确的是(　　)

A．缝的宽度d越小，衍射条纹越亮

B．缝的宽度d越小，衍射现象越明显

C．缝宽度d越小，光传播路线越接近直线

D．入射光的波长越短，衍射现象越明显

B　[单缝衍射现象中，波长越长越容易衍射，中央亮纹越宽，所以d减小，相对波长变长，因此衍射现象越明显．缝宽度d越小，越体现光子的随机性，衍射越明显，入射光的波长越长，衍射现象越明显，所以答案为B．]

[跟进训练]

1．(多选)在观察光的衍射实验中，分别观察到如图甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹．那么障碍物应是(　　)

甲　　　　乙

A．甲图对应的障碍物应是小圆孔

B．甲图对应的障碍物是小圆板

C．乙图对应的障碍物应是小圆板

D．乙图对应的障碍物是小圆孔

AC　[比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑．故A、C正确，B、D错误．]

考点2　单缝衍射、双缝干涉的比较

单缝衍射与双缝干涉的比较

【典例2】　如图所示的4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)．则在下面的四个图中从左往右排列，哪个图是黄光形成的条纹(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　　D

D　[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是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越长，中央亮条纹越粗，故B、D是衍射图样，紫光波长较短，则中央亮条纹较细，故B是紫光的衍射条纹，D是黄光的衍射条纹．故选D．]

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，而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，而两侧的亮纹逐渐变暗．

考点3　激光

激光的特性及应用

【典例3】　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

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；利用激光光强度大、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．]

[跟进训练]

2．激光可以用来进行精确的测距，激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置，它是利用了激光的什么特点(　　)

A．激光具有高度的相干性

B．激光的平行度非常好

C．激光的亮度高

D．激光的单色性好

B　[“激光测距雷达”利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度好，方向性好．故B正确．]

考点4　光的偏振

1．偏振现象

对于横波通过狭缝的情况，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能无阻碍地通过狭缝，而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时，横波不能通过狭缝，说明偏振是横波特有的现象．

2．自然光与偏振光的区别

【典例4】　(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(　　)

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

[思路点拨]　该题可按如下思路分析：太阳光是自然光振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．

BD　[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．]

关于“偏振”的几个注意事项

(1)偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．

(2)偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝．

(3)光的偏振现象说明光是一种横波．

(4)自然光透过偏振片可以变成偏振光．

(5)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．

[跟进训练]

3．关于自然光和偏振光，下列观点正确的是(　　)

A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能

B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光

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

D　[振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光，所以B错；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D对．]

1．对衍射现象的定性分析，不正确的是(　　)

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

D　[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．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．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．衍射条纹的间距不变，只是亮度减弱

A　[由单缝衍射实验的调整与观察可知，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．将缝调宽，现象向相反方向变化，故选项A正确．]

3．2016年，科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，下列说法中正确的是(　　)

A．激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光

B．激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉

C．用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环

D．激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息

D　[激光是人造光，也是偏振光，故A错误；激光相干性好，只有频率相同的两束激光才会发生干涉，故B错误；用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故C错误；激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息，故D正确．]

4．将两个偏振片紧靠在一起，把它们放在一盏灯(自然光)前面，眼睛透过偏振片看到灯光很微弱．如果将其中一个偏振片旋转180°，在旋转过程中会观察到的现象是(　　)

A．灯光逐渐增强，然后又逐渐减弱

B．灯光逐渐增强，然后减到零

C．灯光逐渐增强，没有变弱现象

D．灯光逐渐增强，再减弱，然后又增强到较亮

A　[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，光强达到最大．当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，然后又逐渐减弱．故A正确，B、C、D错误．]

5．应用激光平行性好的特性，可以精确地测量距离．对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到反射脉冲的时间间隔，就可以求出激光器到目标的距离．若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s，求月球到地球的距离大约是多少？

[解析]　真空中的光速c＝3.0×108 m/s，

从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t＝2.56 s，月球与地球距离为：

l＝ct＝×3.0×108×2.56 m＝3.84×105 km．

[答案]　3.84×105 km