高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射导学案及答案

光的衍射 光的偏振 激光

必备知识·自主学习

一、光的衍射

为什么会发生

小孔衍射现象？

提示：因为光是一

种波，衍射是波的特征。

光的单缝衍射中光还沿直线传播吗？

提示：光不再沿直线传播。光只有在没有障碍物的均匀介质中才是沿直线传播的。

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。

二、光的偏振

(1)使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄。(×)

(2)菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象。 (×)

(3)换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽。(√)

(4)凡是波都有偏振现象。(×)

(5)反射可以引起自然光的偏振。(√)

关键能力·合作学习

知识点一　三种不同的衍射现象及特点

1．单缝衍射：

(1)现象：如图，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：

①中央条纹亮而宽；

②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱；

③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；

④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。

(2)圆孔衍射图样的两个特点

①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。

②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。

取3块不透光的板，在每块板的中间各开1个圆孔，3块板所开的圆孔大小不一。先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑图a；再换上圆孔中等的那块板，在屏上会出现图b；最后用圆孔最小(直径约为1 mm)的那块板，在屏上会出现图c。

讨论：

(1)屏上图b产生了什么现象？

(2)比较屏上图b和图c，说明了什么？

提示：(1)衍射现象。

(2)孔越小，衍射现象越明显。

【典例】如图a、b是由单色光分别入射到a圆孔和b圆孔形成的图像，由两图可以得出(　　)

A．a图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径

B．a图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径

C．b图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径

D．b图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径

【解析】选A。因为干涉图样为等宽度的亮暗条纹，a图是衍射图像，所以B、D错误；衍射发生的条件是缝隙宽度小于光的波长才能有清晰的衍射图像，如果缝隙宽度过大会观察不到衍射图像，光会沿直线传播，根据图像信息可知，a孔直径小于b孔直径，故选项A正确、B错误。

1．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

【解析】选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。

2．(2021·淮安高二检测)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激光束经过细丝时在光屏上所产生的条纹即可判定细丝粗细的变化(　　)

A．这主要是光的干涉现象

B．这主要是光的衍射现象

C．假如屏上条纹变宽，表明抽制的细丝变粗

D．假如屏上条纹变窄，表明抽制的细丝变细

【解析】选B。当障碍物的尺寸与波的波长相当，或小于波的波长，会发生明显的衍射，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则金属丝变细，故选项A、C、D错误，B正确。

知识点二　单缝衍射和双缝干涉的比较

【典例】如图所示的四种明暗相间的条纹分别是红光、黄光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及绿光、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．黄绿红紫　　　　　　　　　 B．黄紫红绿

C．红紫黄绿         D．红绿黄紫

【解析】选C。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两个是双缝干涉现象，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，c是黄光；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为绿光单缝衍射图样；故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、黄光(双缝干涉)和绿光(单缝衍射)。

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。

1．如图所示，a、b、c、d四个图是单色光在不同条件下形成的干涉或衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是(　　)

A．a是光的衍射图样     B．b是光的干涉图样

C．c是光的干涉图样     D．d是光的衍射图样

【解析】选D。a是光的双缝干涉图样，条纹间距相等，A错误；b是光的单缝衍射图样，中央亮条纹最宽，向外条纹变窄，间距变小，B错误；c是圆孔衍射图样，C错误；d是泊松亮斑(光照射在小圆盘上却出现中央亮斑)，是光的衍射图样，D正确。

2．(2021·枣庄高二检测)关于光的衍射和干涉，下列说法正确的是(　　)

A．只有当光的波长比圆孔的直径大时，才可以产生衍射现象

B．衍射现象的研究表明“光沿直线传播”是错误的

C．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的干涉现象

D．用平行的单色光垂直照射一个刀片，发现屏上刀片阴影的边缘模糊不清，这是光的衍射现象

【解析】选D。当光的波长比圆孔的直径大时，可以产生明显的衍射现象，选项A错误；衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律，选项B错误；用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的衍射现象，选项C错误；用平行的单色光垂直照射一个刀片，发现屏上刀片的阴影的边缘模糊不清，这是光的衍射现象，选项D正确。

知识点三　光的偏振和激光

角度1光的偏振

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与狭缝对机械波的作用一样。

3．自然光和偏振光的比较

如图所示是立体电影中的图片。为什么立体电影会产生如此神奇的效果？

提示：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片。

【典例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时各方向透射光的强度相同，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。

角度2激光

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)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，相干性非常好，颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。

(2)激光的平行度好。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。

近视眼激光手术是矫正近视的一种方法，它利用激光作为“光刀”进行手术。这主要是利用了激光的什么特性？

提示：激光的亮度高。

【典例2】下列叙述中符合激光应用的实例的是(　　)

①利用激光进行通信

②利用激光加工坚硬的材料

③利用激光进行室内照明

④利用激光进行长距离精确测量

A．①②③     B．①②④

C．②③④     D．①③④

【解析】选B。激光能够传递声音、图像等信息，因此可以利用激光进行通信，故①正确；激光的强度很大，可以用来切割、加工较硬的材料，故②正确；激光的亮度高而且平行度很好，不能用于室内照明，会刺伤人的眼睛，故③错误；激光的定向性好，精准度高，可以进行长距离精确测量，故④正确。

1．(2021年江苏适应性测试)小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光，转动镜片时发现光有强弱变化。下列说法能够解释这一现象的是(　　)

A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用

B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用

C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用

D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用

【解析】选B。在转动镜片时光有强弱变化证明反射光为偏振光，镜片的作用为检测功能，为检偏器，B正确。

2．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用光的(　　)

A．平行度好，可以会聚到很小的一点上

B．相干性好，可以很容易形成干涉图样

C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量

D．波长短，很容易发生明显的衍射现象

【解析】选A。由于激光的平行度好，故用在计算机内的“激光头”读出光盘上记录的信息，故A正确；激光的相干性好，可以很容易形成干涉图样，但与处理数据无关，故B错误； 激光具有亮度高的特点，可以在很短时间内集中很大的能量，故可用来切除肿瘤，但与本题无关，故C错误；激光波长短，不容易发生明显的衍射现象，故D错误。

【拓展例题】考查内容：光的偏振的应用

【典例】在拍摄日落时水面下的景物时，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

【解析】选A。由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光。

情境·模型·素养

激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重要的卫星或飞船，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，以极大的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。

探究：激光火箭利用了激光哪些性质？

【解析】由于激光站与卫星相隔距离远，为了减少能量损失，必须使激光具有很好的平行度，同时使用激光的高能量。

答案：(1)平行度好；

(2)能量高。

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。

探究：

(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