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6.光的偏振 激光
第四章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道光的偏振现象,了解光的偏振的应用。
2.了解自然光与偏振光的区别。
3.知道光的偏振现象证明了光是横波。
4.知道激光的特点和应用。
1.理解自然光与偏振光的概念,形成物理观念。
2.运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象,掌握科学思维。
3.体会激光的实际应用,形成科学态度与责任。
自主预习 新知导学
一、偏振
1.偏振现象
不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能是不同的,这个现象称为“偏振现象”。
2.偏振方向
在横波中,各点的振动方向总与波的传播方向垂直,横波的振动方向称为“偏振方向”。
二、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,沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与方向垂直的光不能通过,这个方向叫作“透振方向”。
2.自然光
太阳以及日光灯、发光二极管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,而且沿各个方向振动的光波的强度都相同,这种光是“自然光”。
3.偏振光
在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动,这种光叫作偏振光。
4.光的偏振现象说明光是一种横波。
三、偏振现象的应用
1.在照相机镜头前安装一片偏振滤光片,转动滤光片可以减弱反射光进入镜头。
2.立体电影也利用了光的偏振现象。
四、激光的特点及其应用
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)横波和纵波都能产生偏振现象。( )
(2)自然光通过偏振片可以获得偏振光。( )
(3)茶色眼镜利用了光的偏振现象。( )
(4)利用激光的相干性好可以用来做“光刀”。( )
2.利用激光测量地球到月球的距离,应用了激光哪方面的性质
提示:应用了激光平行度非常好的性质。
×
√
×
×
3.市场上有一种太阳镜,它的镜片是偏振片。请查找资料或向有经验的人请教并回答:
为什么不用普通的带色玻璃而用偏振片
提示:两者的目的都是减少通光量,但普通带色玻璃改变了物体的颜色,而偏振片却没有,并且看景物的色彩柔和浓重。
合作探究 释疑解惑
知识点一
光的偏振
【问题引领】
如图所示,取一个偏振片P,让阳光通过偏振片P,在P的另一侧观察,可以看到偏振片是透明的;在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片Q,会看到什么现象 这说明什么
提示:会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。偏振片的作用类似于狭缝的作用,只有振动方向与透振方向一致的光才能通过。当偏振片Q与P的透振方向平行时,穿过Q的光最强;当Q与P的透振方向垂直时,光不能透过Q。
【归纳提升】
1.偏振现象
对横波,只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时,横波才能毫无阻碍地通过狭缝;当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时,横波就不能通过狭缝,这种现象叫作横波的偏振,偏振是横波特有的现象。
2.自然光和偏振光的比较
比较项 自然光 偏振光
光的 来源 直接从光源发出的光 自然光通过偏振片后的光
光的振 动方向 在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿所有方向,且沿各个方向振动的光强度都相同 在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿某一特定方向(与偏振片的“透振方向”一致)
3.偏振光的产生方式
(1)自然光经过偏振片后能形成偏振光,偏振光可以用另一个偏振片检验。
(2)自然光在玻璃、水面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,入射角变化时偏振的程度也会变化。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°,那么反射光和折射光都是偏振光,且是完全偏振光,偏振方向相互垂直。
【典型例题】
【例题1】 (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
答案:BD
解析:自然光在垂直于传播方向的平面内,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,故A错误;它通过偏振片A后,即变为偏振光,故B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P点无光亮,以SP为轴将B转过180°后,P处仍无光亮,故C错误;以SP为轴将B转过90°后,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,故D正确。
科学思维 偏振片是由特殊材料制成的,其“狭缝”用肉眼不能看见,它只允许振动方向与“狭缝”平行的光波通过。通过偏振片后,自然光就变成了偏振光。
【变式训练1】 如图所示,让太阳光通过M上的小孔S后照射到M右方的一偏振片P上,P的右侧再放一光屏Q,现使P绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周,则关于光屏Q上光的亮度变化情况,下列说法正确的是( )
A.只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮,其他位置时光屏上无亮光
B.光屏上亮、暗交替变化
C.光屏上亮度不变
D.光屏上只有一条亮线随偏振片转动而转动
答案:C
解析:自然光在各方向的振动强度是相同的。当偏振片转动时,自然光透过偏振片的光的强度并不发生变化。
【问题引领】
知识点二
激光的特点和应用
激光作为一种人造光源在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等,激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性
提示:相干性强、平行度好、亮度高。
【归纳提升】
1.激光的相干性好
所谓相干性好,是指容易产生干涉现象。普通光源发出的光(即使是所谓的单色光)频率是不一样的,而激光器发出的激光的频率几乎是单一的,并且满足其他的相干条件,所以,现在我们做双缝干涉实验时,无需在双缝前放一个单缝,而是用激光直接照射双缝,就能得到既明亮又清晰的干涉条纹。利用相干光易于调制的特点,传输信息,所能传递的信息密度极高。
2.激光的平行度非常好
与普通光相比,传播相同距离的激光束的扩散程度小,光线仍能保持很大的强度,保持它的高能量,利用这一点可以精确测距。
3.激光的亮度非常高
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来,可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温。
【典型例题】
【例题2】 (多选)关于激光,下列说法正确的是( )
A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光
B.自然界中某些天然物体也可以发出激光
C.激光可以切除肿瘤
D.由于激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
答案:AC
解析:激光是用人工方法激发出的一种特殊的光,A项正确,B项错误;激光具有方向性好、亮度高、强度大等特点,可以切除肿瘤,C项正确;激光是一种波,只要是波就能发生衍射现象,D项错误。
科学思维 激光的特点
1.激光首先是光,遵循光的一切规律,例如折射、反射、衍射、干涉等。
2.激光是一种新型光源,具有一般光源所不具备的特点,例如单色性好、方向性强、亮度高等。
3.针对激光的每一个特点,都有很多方面的应用。
【变式训练2】 激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用广泛。下面关于激光的叙述正确的是( )
A.激光是纵波
B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C.两束频率不同的激光能产生干涉现象
D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
答案:D
解析:一切光都是横波,故选项A错误;根据v=λf,光在不同介质中的传播速度不同,频率相同,波长不同,故选项B错误;发生干涉现象的两束光频率必须相同,故选项C错误,D项正确。
课堂小结
随堂练习
1.(光的偏振)关于偏振光的下列说法正确的是( )
A.自然光就是偏振光
B.单色光就是偏振光
C.沿着一个特定方向传播的光叫偏振光
D.沿着一个特定方向振动的光叫偏振光
答案:D
解析:自然光和偏振光的根本区别是前者包含着沿任意方向(垂直光传播方向)振动的光,而且沿各个方向振动的光波强度相同,而偏振光只有沿着某一特定方向振动的光,与光的颜色无关。
2.(激光的应用)下列应用激光的事例中错误的是( )
A.利用激光进行长距离精确测量
B.利用激光进行通信
C.利用激光进行室内照明
D.利用激光加工坚硬材料
答案:C
解析:利用激光的方向性强可进行长距离测距;利用激光通过光导纤维以及光的全反射原理进行光纤通信;利用激光的高能量可加工坚硬材料,所以本题应选C。
3.(光的偏振)如图所示,一束自
然光通过偏振片照射到光屏
上,则图中光屏上不发亮的是
(偏振片上用箭头表示其透射
方向) ( )
答案:C
解析:自然光通过偏振片后成
为偏振光,当偏振光的振动方
向与偏振方向平行时能够通过,垂直时不能通过,故A、B、D能发亮,C不能。
4.(激光的应用)关于激光的应用问题,下列说法正确的是( )
A.光纤通信应用了激光平行度非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中进行传递信息
B.计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息应用了激光有相干性的特点来进行的
C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离应用了激光亮度高的特点
答案:C
本 课 结 束6.光的偏振 激光
基础巩固
1.下列现象中可以说明光是横波的是( )
A.光的干涉现象 B.光的衍射现象
C.光的全反射现象 D.光的偏振现象
答案:D
解析:光能发生干涉和衍射现象,说明光是一种波,具有波动性;光的全反射现象,说明光由光密介质进入光疏介质和由光疏介质进入光密介质会有不同的现象;光的偏振现象说明光的振动方向与传播方向垂直,即说明光是横波,所以选项D正确。
2.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
答案:C
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。
3.(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
答案:BD
解析:由定义可知,自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同,故A错误。自然光透过一个偏振片成为偏振光,但偏振光经过偏振片是不可以转化为自然光的,故C错误。
4.如图所示,P是偏振片,P的“透振方向”(用不带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中,哪种照射P时不能在P的另一侧观察到透射光( )
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
答案:C
解析:根据光的偏振知识,只要光的振动方向不与偏振片的“透振方向”垂直,就有光能通过偏振片。当光的振动方向与偏振片的“透振方向”相同时,透射光最强,当二者垂直时,光完全不能透过。当二者间的夹角由0°至90°逐渐增加时,透射光逐渐减弱。太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片。
5.在拍摄日落时水面下的景物时,应在照相机镜头前装一偏振片,其目的是( )
A.减弱反射光,从而使景象清晰
B.增强反射光,从而使景象清晰
C.增强入射光,从而使景象清晰
D.减弱入射光,从而使景象清晰
答案:A
解析: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。
6.两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯前面以致没有光通过。如果将其中的一片旋转180°,在旋转的过程中,将会产生的现象是( )
A.透过偏振片的光先增强,然后又减小到零
B.透过偏振片的光先增强,然后又减小到非零的最小值
C.透过偏振片的光在整个过程中都增强
D.透过偏振片的光先增强,再减弱,然后又增强
答案:A
解析:当两个偏振片的透振方向垂直时,没有光通过;当两个偏振片的透振方向平行时,通过的光达最强。将其中的一片旋转180°的过程中,两偏振片的透振方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光先增强,然后又减小到零。
7.(多选)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
答案:BC
解析:由于激光站与火箭相距较远,为了减少能量损失,必须要求激光具有很好的平行度,同时利用激光的高能量特点。
能力提升
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
答案:C
解析:白炽灯光属于非偏振光,通过偏振片P后的自然光变成了偏振光,当P转动时,通过偏振片P后光强不变,选项B、D错误;同时,P的偏振方向发生变化,使B处光强发生变化,选项A错误,C正确。
2.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度与二次曝光时间间隔的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔为Δt、双缝到屏的距离为l以及相邻两条亮纹间距为Δx。若所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式是( )
A.v= B.v=
C.v= D.v=
答案:B
解析:双缝干涉相邻亮(或暗)条纹间距Δx=λ,又由d=v·Δt可得v=,选项B对。
3.(多选)鉴别奶粉的质量时,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,透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,则下列说法正确的是( )
A.到达O处的光的强度会明显减弱
B.到达O处的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处光的强度仍为最大,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处光的强度仍为最大,偏振片A转过的角度等于α
答案:ACD
解析:自然光通过偏振片后得到振动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,故A正确,B错误;若将A或B转动一个角度,使得O处光的强度仍为最大,说明它们转过的角度等于α,故C、D都正确。
4.(多选)如图所示,一玻璃柱体的横截面为半圆形,让太阳光或白炽灯光通过狭缝S形成细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和透射光束2。现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动,使反射光束1和透射光束2恰好垂直。在入射光线的方向上加偏振片P,偏振片与入射光线垂直,其透振方向在纸面内,这时看到的现象是( )
A.反射光束1消失
B.透射光束2消失
C.反射光束1和透射光束2都消失
D.偏振片P以入射光线为轴旋转90°角,透射光束2消失
答案:AD
解析:自然光射到界面上,当反射光与折射光垂直时,反射光和折射光的透振方向相互垂直,且反射光的透振方向与纸面垂直,折射光的透振方向与纸面平行,因此当在入射光线方向垂直放上透振方向在纸面内的偏振片P时,因垂直于纸面无光,反射光束1消失,A正确,B、C均错误;偏振片转动90°,平行于纸面内的光消失,则透射光束2消失,D正确。
5.如图所示,杨氏双缝实验中,下述情况能否看到干涉条纹 说明理由。
(1)在单色自然光源S后加一偏振片P。
(2)移除偏振片P后,在双缝后面加偏振片P1、P2,且P1与P2的透光方向垂直。
答案:见解析
解析:(1)到达S1、S2的光是从同一偏振光分解出来的,它们满足相干条件,能看到干涉条纹。且由于偏振片很薄,对光程差的影响可忽略,干涉条纹的位置与间距和没有P时基本一致,只是强度由于偏振片吸收而减弱。
(2)由于从P1、P2射出的光振动方向相互垂直,不满足干涉条件,故光屏被均匀照亮,无干涉现象。
6.一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光,每道闪光称为一个光脉冲。这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10-11 s,波长为694.3 nm,发射功率为1.0×1010 W。
(1)每个光脉冲的长度是多少
(2)用红宝石激光器照射皮肤上的色斑,每平方厘米色斑吸收能量达到60 J以后,便逐渐消失。一色斑的面积为50 mm2,则它要吸收多少个红宝石激光脉冲,才能逐渐消失
答案:(1)3.0×10-3 m (2)300
解析:(1)光脉冲持续的时间为一个光脉冲所需的时间,所以一个光脉冲的长度为
Δl=cΔt=3.0×108×1.0×10-11 m=3.0×10-3 m。
(2)一个光脉冲所携带的能量为
ΔE=PΔt=1.0×1010×1.0×10-11 J=0.1 J。
消除面积为50 mm2的色斑需要光脉冲数为n==300。
