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6．光的衍射与偏振
7．激光
第四章 光及其应用
学习任务
1．了解光的衍射现象、偏振现象，知道激光的特性。
2．知道自然光和偏振光的区别。
3．借助实例分析推理，知道光是横波。
4．通过观察得出光明显衍射的条件。
5．经历光的偏振实验的过程，体会偏振光的特性。
6．通过生活中实例观察，引导学生体会物理之美，培养学习兴趣。
必备知识·自主预习储备
知识点一 光的衍射
1．用单色平行光照射狭缝，当缝很____时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，散开到________的范围。这就是光的衍射现象。
2．各种不同形状的障碍物都能使光发生______，致使影像的轮廓__________，甚至出现__________的条纹。
3．发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸跟光的波长______，甚至比光的波长还____的时候，衍射现象十分明显。
窄
相当大
衍射
模糊不清
明暗相间
相当
小
思考 “当障碍物较大时，衍射现象就不会发生”，这种观点正确吗？
提示：不正确。
知识点二 光的偏振
1．自然光和偏振光
(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于______方向上沿______方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光的强度都相同。
(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个______的方向振动的光。
传播
一切
特定
2．光的偏振
偏振现象 只有沿偏振片的“ ______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____波
偏振光
的形成 ①自然光通过________后，得到偏振光
②自然光在介质表面反射时，______光和______光都是偏振光
偏振现象
的应用 把偏振片装在照相机镜头前，可以减弱反射光使景像清晰
透振
横
偏振片
反射
折射
知识点三 激光的主要特性及应用
特点 性质 应用
相干
性好 只有频率______、相位差______、振动方向______的光才是相干光。激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 光纤通信
相同
恒定
一致
特点 性质 应用
方向
性好 激光的________非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度 精确的测距
强度大 它可以在很小的______和很短的______内集中很大的______ 用激光束切割、焊接；医学上可以用激光制成“光刀”
平行度
空间
时间
能量
体验 思考辨析(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)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。 ( )
(3)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。 ( )
(4)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。 ( )
×
√
×
√
(5)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光几乎不能透过偏振片。 ( )
(6)激光是一种人工产生的相干光。 ( )
(7)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点。
( )
(8)激光精确测距是利用激光的平行度好的特点。 ( )
√
√
√
√
关键能力·情境探究达成
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如图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。
(1)图b中的屏上产生了什么现象？
(2)比较屏上图b和图c说明了什么？
提示：(1)衍射。
(2)孔越小，衍射现象越明显。
考点1 光的衍射
1．产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸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a中所示的情形，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b中所示的衍射图样，出现明暗相间的圆环。
甲
a b c
乙
②圆孔衍射图样的两个特点：
a．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。
b．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c中所示。
②障碍物的衍射图样的特点：
圆形阴影中心有一亮斑，圆形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。
【典例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。]
规律方法 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。
[跟进训练]
1．下列属于光的衍射现象的是( )
A B
C D
√
A [光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射， A属于光的衍射现象，B、C属于光的干涉现象，D属于光的色散。故选A。]
考点2 光的偏振
1．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，只有沿着某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”。
2．自然光和偏振光的比较
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
自然光 偏振光
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，则屏亮；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
【典例2】 (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还是Q，屏上的光强都是时强时弱，故选AC。]
规律方法 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方向有关，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透振方向的夹角大小有关。
[跟进训练]
2．有一种魔术道具称为“穿墙而过”。其结构是两片塑料偏振片卷起来，放进空心的透明圆筒内，中间两偏振片重叠区域给观众感觉为一块“挡板”，如图甲所示。当圆筒中的小球从B端滚向A端，居然穿过了“挡板”，如图乙所示。则( )
√
A．该魔术说明光是横波
B．该魔术对观众的观察角度有要求
C．只用一片塑料偏振片也可以完成该魔术
D．该魔术中对两偏振片卷起来的方式无要求
A [光的偏振现象说明光是横波，故A正确；任何角度的光都会发生偏振现象，故不同角度的观众看到的现象相同，故对观察角度无要求，故B错误；偏振片的特点为当偏振片偏振方向与偏振光的方向平行时，偏振光可以通过偏振片，当偏振片偏振方向与偏振光的方向垂直时，偏振光不能通过偏振片，则在中间区域放垂直偏振片和水平偏振片，将两偏振片卷起来，且部分重合，自然光通过两片偏振方向互相垂直的偏振片时，光强减弱，形成黑影，看起来就像一道墙，一片偏振片无法完成实验，故C、D错误。故选A。]
考点3 激光
1．激光的产生
激光是实验室中制造出的光，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。
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。
(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。
【典例3】 关于激光的应用，下列说法正确的是( )
A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的
B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C．医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是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是应用了激光亮度高的特点
√
C [由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光具有高度的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误；医疗中用激光制成“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误。]
[跟进训练]
3．(多选)激光的发明是20世纪科学技术划时代的一项重要成就。关于激光的下列说法正确的是( )
A．可利用激光进行通信
B．可利用激光加工坚硬材料
C．可利用激光进行室内照明
D．激光是由自然界中某种物质直接发光产生的
√
√
AB [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A正确；激光的强度很大，可以用来切割、加工较硬的材料，故B正确； 室内照明需要更多的散射光，而激光的方向性比较好，是单方向的光，不适合室内照明，故C错误；激光是人造光，自然界中无法直接产生，故D错误。故选AB。]
学习效果·随堂评估自测
1．(多选)关于四个图的叙述正确的是
( )
2
4
3
题号
1
A．图甲中，激光切割机主要利用了激光亮度高的特性
B．图乙中，检查工件的平整度是利用光的干涉现象
C．图丙中，观看立体电影时戴的眼镜利用了光的偏振原理
D．图丁中，夏日雷声有时轰鸣不绝，这是声波的衍射现象
2
4
3
题号
1
√
ABC [激光切割是利用了激光的亮度高、能量集中性好的特性，故A正确；用透明的标准平面样板检查光学平面的平整度是利用光的干涉现象，故B正确；观看立体电影佩戴的眼镜利用了光的偏振原理，故C正确；夏日雷声有时轰鸣不绝，这是声波的反射引起的回声现象，故D错误。故选ABC。]
√
√
2．某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条宽为0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是( )
2
3
题号
1
4
√
A B C D
B [根据衍射条纹的特点进行判断，光的衍射条纹与狭缝平行，且中间宽、两边窄，间距不等，故B正确，A、C、D错误。]
3．(新情境题，以光纤电流传感器为背景，考查光的偏振)如图所示为光纤电流传感器示意图，它用来测量高压线路中的电流。激光器发出的光经过左侧偏振元件后变成偏振光，该偏振光受到输电线中磁场作用，其偏振方向发生旋转，通过右侧偏振元件可测得最终偏振方向，由此得出高压线路中的电流大小，图中左侧偏振元件是起偏器，出射光的偏振方向与其透
振方向_________(选填“相同”或“不相同”)，
右侧偏振元件称为______________。
2
3
题号
4
1
相同
检偏器
[解析] 使自然光先经起偏器成为偏振光，出射光的偏振方向与其透振方向相同。右侧偏振元件可测得最终偏振方向，所以它是检偏器。
2
3
题号
4
1
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．光发生明显衍射的条件是什么？
提示：障碍物或孔的尺寸与波长相差不多，甚至比波长还小。
2．什么是光的偏振现象？
提示：只有沿偏振片的“透振方向”振动的光才能透过偏振片的现象。
3．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
阅读材料·拓宽物理视野
照耀未来的激光
激光并非只是科幻影片中最有用的射线，早在1917年，爱因斯坦最先提出这样一种假设：光的发射与吸收可经由受激吸收、受激辐射与自发辐射3种基本过程。但在这以后相当长的一段时间内，有关受激辐射的研究并未引起人们的足够重视。直到20世纪50年代，科学家才找到将它用在器件上的方法。1958年，应用这种理论研制出第一台激光装置；1960年，美国物理学家梅曼用一个红宝石棒制
造出第一台激光器。在当时，激光仅是一种漂亮的发明，因为任何人，包括制造激光的科学家都没能提出激光实际应用的设想。几十年后的今天，形势完全变了，激光在各个领域得到了广泛的应用，已经成为一种不可替代的工具。从商品上的条形码到尖端的外科手术，从激光打印机到激光雷达，激光显然已经成为照耀现代科技的一道光芒。
激光是一种特殊的光，它能把巨大的能量投向一个很小的范围，这束光可能强到足以气化很硬或很耐热的材料。激光是强烈的单色光，即只有一种颜色，因此光子的能量也是一样的。激光不同于太阳光和灯光，因为后两种光是由各种类型的能量组成，具有各种颜色，而激发红宝石的电子得到的是红激光束，而绿或蓝激光束的获得是激发氩或氪的气体“云”。这样人们就可以根据不同颜色即不同能量，正确地应用激光。
问题
1．激光是怎样产生的？
提示：激光是原子受激辐射产生的光。
2．激光有何特点？
提示：激光的三大特点：相干性好、平行度好、亮度高。6．光的衍射与偏振
7．激光
1．了解光的衍射现象、偏振现象，知道激光的特性。
2．知道自然光和偏振光的区别。
3．借助实例分析推理，知道光是横波。
4．通过观察得出光明显衍射的条件。
5．经历光的偏振实验的过程，体会偏振光的特性。
6．通过生活中实例观察，引导学生体会物理之美，培养学习兴趣。
知识点一 光的衍射
1．用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，散开到相当大的范围。这就是光的衍射现象。
2．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影像的轮廓模糊不清，甚至出现明暗相间的条纹。
3．发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸跟光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显。
“当障碍物较大时，衍射现象就不会发生”，这种观点正确吗？
提示：不正确。
知识点二 光的偏振
1．自然光和偏振光
(1)自然光：太阳、电灯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，而且沿着各个方向振动的光的强度都相同。
(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。
2．光的偏振
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 把偏振片装在照相机镜头前，可以减弱反射光使景像清晰
知识点三 激光的主要特性及应用
特点 性质 应用
相干 性好 只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光才是相干光。激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 光纤通信
方向 性好 激光的平行度非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度 精确的测距
强度 大 它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量 用激光束切割、焊接；医学上可以用激光制成“光刀”
思考辨析(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)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。 (√)
(3)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。 (×)
(4)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。 (√)
(5)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光几乎不能透过偏振片。 (√)
(6)激光是一种人工产生的相干光。 (√)
(7)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点。 (√)
(8)激光精确测距是利用激光的平行度好的特点。 (√)
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如图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。
(1)图b中的屏上产生了什么现象？
(2)比较屏上图b和图c说明了什么？
提示：(1)衍射。
(2)孔越小，衍射现象越明显。
考点1 光的衍射
1．产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸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a中所示的情形，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b中所示的衍射图样，出现明暗相间的圆环。
甲
a b c
乙
②圆孔衍射图样的两个特点：
a．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。
b．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c中所示。
②障碍物的衍射图样的特点：
圆形阴影中心有一亮斑，圆形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。
【典例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。
[跟进训练]
1．下列属于光的衍射现象的是( )
A B
C D
A [光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射， A属于光的衍射现象，B、C属于光的干涉现象，D属于光的色散。故选A。]
考点2 光的偏振
1．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，只有沿着某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”。
2．自然光和偏振光的比较
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，则屏亮；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
【典例2】 (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还是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方向有关，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透振方向的夹角大小有关。
[跟进训练]
2．有一种魔术道具称为“穿墙而过”。其结构是两片塑料偏振片卷起来，放进空心的透明圆筒内，中间两偏振片重叠区域给观众感觉为一块“挡板”，如图甲所示。当圆筒中的小球从B端滚向A端，居然穿过了“挡板”，如图乙所示。则( )
A．该魔术说明光是横波
B．该魔术对观众的观察角度有要求
C．只用一片塑料偏振片也可以完成该魔术
D．该魔术中对两偏振片卷起来的方式无要求
A [光的偏振现象说明光是横波，故A正确；任何角度的光都会发生偏振现象，故不同角度的观众看到的现象相同，故对观察角度无要求，故B错误；偏振片的特点为当偏振片偏振方向与偏振光的方向平行时，偏振光可以通过偏振片，当偏振片偏振方向与偏振光的方向垂直时，偏振光不能通过偏振片，则在中间区域放垂直偏振片和水平偏振片，将两偏振片卷起来，且部分重合，自然光通过两片偏振方向互相垂直的偏振片时，光强减弱，形成黑影，看起来就像一道墙，一片偏振片无法完成实验，故C、D错误。故选A。]
考点3 激光
1．激光的产生
激光是实验室中制造出的光，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。
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。
(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。
【典例3】 关于激光的应用，下列说法正确的是( )
A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的
B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C．医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是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是应用了激光亮度高的特点
C [由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光具有高度的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误；医疗中用激光制成“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误。]
[跟进训练]
3．(多选)激光的发明是20世纪科学技术划时代的一项重要成就。关于激光的下列说法正确的是( )
A．可利用激光进行通信
B．可利用激光加工坚硬材料
C．可利用激光进行室内照明
D．激光是由自然界中某种物质直接发光产生的
AB [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A正确；激光的强度很大，可以用来切割、加工较硬的材料，故B正确； 室内照明需要更多的散射光，而激光的方向性比较好，是单方向的光，不适合室内照明，故C错误；激光是人造光，自然界中无法直接产生，故D错误。故选AB。]
1．(多选)关于下列四个图的叙述正确的是( )
A．图甲中，激光切割机主要利用了激光亮度高的特性
B．图乙中，检查工件的平整度是利用光的干涉现象
C．图丙中，观看立体电影时戴的眼镜利用了光的偏振原理
D．图丁中，夏日雷声有时轰鸣不绝，这是声波的衍射现象
ABC [激光切割是利用了激光的亮度高、能量集中性好的特性，故A正确；用透明的标准平面样板检查光学平面的平整度是利用光的干涉现象，故B正确；观看立体电影佩戴的眼镜利用了光的偏振原理，故C正确；夏日雷声有时轰鸣不绝，这是声波的反射引起的回声现象，故D错误。故选ABC。]
2．某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条宽为0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是( )
A B C D
B [根据衍射条纹的特点进行判断，光的衍射条纹与狭缝平行，且中间宽、两边窄，间距不等，故B正确，A、C、D错误。]
3．(新情境题，以光纤电流传感器为背景，考查光的偏振)如图所示为光纤电流传感器示意图，它用来测量高压线路中的电流。激光器发出的光经过左侧偏振元件后变成偏振光，该偏振光受到输电线中磁场作用，其偏振方向发生旋转，通过右侧偏振元件可测得最终偏振方向，由此得出高压线路中的电流大小，图中左侧偏振元件是起偏器，出射光的偏振方向与其透振方向________________(选填“相同”或“不相同”)，右侧偏振元件称为______________。
[解析] 使自然光先经起偏器成为偏振光，出射光的偏振方向与其透振方向相同。右侧偏振元件可测得最终偏振方向，所以它是检偏器。
[答案] 相同 检偏器
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．光发生明显衍射的条件是什么？
提示：障碍物或孔的尺寸与波长相差不多，甚至比波长还小。
2．什么是光的偏振现象？
提示：只有沿偏振片的“透振方向”振动的光才能透过偏振片的现象。
3．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
照耀未来的激光
激光并非只是科幻影片中最有用的射线，早在1917年，爱因斯坦最先提出这样一种假设：光的发射与吸收可经由受激吸收、受激辐射与自发辐射3种基本过程。但在这以后相当长的一段时间内，有关受激辐射的研究并未引起人们的足够重视。直到20世纪50年代，科学家才找到将它用在器件上的方法。1958年，应用这种理论研制出第一台激光装置；1960年，美国物理学家梅曼用一个红宝石棒制造出第一台激光器。在当时，激光仅是一种漂亮的发明，因为任何人，包括制造激光的科学家都没能提出激光实际应用的设想。几十年后的今天，形势完全变了，激光在各个领域得到了广泛的应用，已经成为一种不可替代的工具。从商品上的条形码到尖端的外科手术，从激光打印机到激光雷达，激光显然已经成为照耀现代科技的一道光芒。
激光是一种特殊的光，它能把巨大的能量投向一个很小的范围，这束光可能强到足以气化很硬或很耐热的材料。激光是强烈的单色光，即只有一种颜色，因此光子的能量也是一样的。激光不同于太阳光和灯光，因为后两种光是由各种类型的能量组成，具有各种颜色，而激发红宝石的电子得到的是红激光束，而绿或蓝激光束的获得是激发氩或氪的气体“云”。这样人们就可以根据不同颜色即不同能量，正确地应用激光。
1．激光是怎样产生的？
提示：激光是原子受激辐射产生的光。
2．激光有何特点？
提示：激光的三大特点：相干性好、平行度好、亮度高。
课时分层作业(十九) 光的衍射与偏振 激光
?题组一 光的衍射
1．如图所示的四个图样中哪个是著名的泊松亮斑( )
A B
C D
B [泊松亮斑为光绕过不透光的圆盘而在圆盘阴影中心形成的一个亮斑，其图样周围还有明暗相间的圆环，故选项B正确。题图A小孔较大，没发生明显的衍射。题图D小孔较小，发生了小孔衍射。题图C为干涉条纹。]
2．(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，激光束越过细丝时产生条纹的规律和激光束通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生条纹的规律相同，则下列说法正确的是( )
A．这是利用光的干涉现象
B．这是利用光的衍射现象
C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了
BD [由于是激光束越过细丝，也就是通过障碍物，所以这是利用光的衍射现象，A错误，B正确；当细丝较细时，细丝的直径比较接近激光的波长，衍射现象会较明显，条纹会更宽一些，C错误，D正确。]
3．(多选)下列说法正确的是( )
A．增加光栅的狭缝的个数，亮条纹变窄
B．增加光栅的狭缝的个数，亮条纹变宽
C．增加光栅的狭缝的个数，条纹亮度变暗
D．增加光栅的狭缝的个数，条纹亮度变亮
AD [根据光栅特点可知选项A、D正确。]
4．某实验小组用自制狭缝观察光的干涉、衍射现象，在光屏上分别得到图乙、图丙两幅图样。关于P处放置的自制狭缝，下列说法正确的是( )
A．乙对应双缝，丙对应单缝
B．乙对应单缝，丙对应双缝
C．都是单缝，乙对应的单缝较宽
D．都是双缝，丙对应的双缝间距较大
A [双缝干涉图样是亮暗相间的等宽条纹，单缝衍射图样的中间是宽亮条纹，两侧是明暗交替的窄条纹，所以题图乙是双缝干涉，题图丙是单缝衍射。故选A。]
?题组二 光的偏振
5．如图所示，让太阳光(自然光)通过M上的小孔S后照射到M右方的偏振片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上的亮度变化情况，下列判断中正确的是( )
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．光屏上亮度基本不变
C．光屏上亮、暗交替变化出现
D．光屏上只有一条亮线随偏振片的转动而转动
B [太阳光是自然光，在垂直于光的传播方向的平面内，光的振动沿一切方向，且各个方向上的光振动强度相同，所以旋转偏振片只能改变光振动的方向，不能改变光的强度，光屏上亮度基本不变。故选B。]
6．关于下列四幅图像，说法正确的是( )
A．图甲，阳光下五颜六色的肥皂泡，是光的衍射现象
B．图乙，玻璃中的气泡看起来特别亮，是光的干涉现象
C．图丙，观看3D电影时，观众戴的3D眼镜两个镜片透振方向平行
D．图丁，全息照相利用光的干涉和衍射原理来记录被摄物体信息
D [题图甲，阳光下五颜六色的肥皂泡，是光的干涉现象，故A错误；题图乙，玻璃中的气泡看起来特别亮，是光的全反射现象，故B错误；题图丙，观看3D电影时，观众戴的3D眼镜两个镜片透振方向垂直，故C错误；题图丁，全息照相利用光的干涉和衍射原理来记录被摄物体信息，故D正确。故选D。]
7．如图所示，一束自然光通过偏振片照射到光屏上，则图中光屏上没有发亮的是(偏振片上的箭头表示其透振方向)( )
A B
C D
C [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片的透振方向平行时能够通过，垂直时不能通过。故选C。]
?题组三 激光
8．(多选)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，光源的能量能集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度
B．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
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不会发生折射
AB [激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量能集中在很小一点上，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正确；用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好、能量高，故C错误；能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光平行度好、方向性好，故D错误。故选AB。]
9．(多选)小明制作一个远距离光传音装置，结构如图所示，用互感器以及激光头组成的电路对音乐信号进行调制，使得激光亮度随音乐发生变化，在远处的接收电路中，被激光照射的敏感元件的电阻值会随激光亮度变化而变化，从而使得定值电阻R0两端电压发生相应的变化，再用扩音器把电信号转化成音乐，下列相关说法正确的是( )
A．敏感元件可以是光敏电阻
B．激光频率会随音乐的变化而变化
C．流经激光头的电流强度随音乐的变化而变化
D．传音距离“远”是利用了激光的平行度好、亮度高的特点
ACD [因被激光照射的敏感元件的电阻值会随激光亮度变化而变化，则敏感元件可以是光敏电阻，选项A正确；激光亮度随音乐发生变化，但是激光频率不随音乐的变化而变化，选项B错误；随音乐的变化，互感器上的电流发生变化，则流经激光头的电流强度随音乐的变化而变化，选项C正确；传音距离“远”是利用了激光的平行度好、亮度高的特点，选项D正确。故选ACD。]
1．(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图样更清晰。如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况(如图所示)。下列说法正确的是( )
A．当做单缝实验时，光强分布图如乙所示
B．当做单缝实验时，光强分布图如丙所示
C．当做双缝实验时，光强分布图如乙所示
D．当做双缝实验时，光强分布图如丙所示
AD [做单缝实验时，中央是亮条纹，往两侧条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布图如题图乙所示，A正确，B错误；做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布图如题图丙所示，C错误，D正确。]
2．对于以下的光学现象说法中正确的是( )
A．图甲是双缝干涉示意图，若只将光源由红色光改为绿色光，P0、P1两相邻亮条纹间距离Δx增大
B．图乙是单色光单缝衍射实验现象，若在狭缝宽度相同情况下，下图对应光的波长较短
C．图丙是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，弯曲的干涉条纹说明被检测的平面在此处是凹下的
D．图丁中的P、Q是偏振片，当P固定不动，缓慢转动Q时，光屏上的光亮度将一明一暗交替变化，此现象表明光波是纵波
B [根据Δx＝λ，若只将光源由红色光改为绿色光，波长λ变短，相邻亮条纹间距离Δx将减小，A错误；由题图可知，上图的衍射现象比下图更明显，可知在狭缝宽度相同情况下，下图对应的光波长较短，B正确；由题图可知，条纹向空气薄膜较厚处发生弯曲，说明弯曲处的光程差变短，空气薄膜间距变小，则被检测的平面在此处是凸起的，C错误；缓慢转动Q时，光屏上的光亮度将一明一暗交替变化，表明光波是横波，D错误。故选B。]
3．某同学利用图甲所示的装置研究光的干涉和衍射，光电传感器可用来测量光屏上光强的分布，某次实验时，在电脑屏幕上得到图乙所示的光强分布，这位同学在缝屏上安装的是______________(选填“单缝”或“双缝”)。当做干涉现象研究时，若要使干涉条纹的间距变大，可选用宽度较______________的双缝(选填“宽”或“窄”)，或使缝与光屏间的距离______________(选填“增大”或“减小”)。
甲 乙
[解析] 由题图乙可知，条纹中间亮、两边较暗，是衍射条纹，所以在缝屏上安装的是单缝；根据Δx＝λ知，要使干涉条纹间距变大，可使双缝的宽度减小，即选择宽度较窄的双缝，或使双缝与光屏间的距离增大。
[答案] 单缝 窄 增大
4．如图所示，在杨氏双缝干涉实验中，下述情况能否看到干涉条纹？简单说明理由。
(1)在单色自然光源S后加一偏振片P；
(2)在(1)的情况下，再加偏振片P1、P2，并使P1与P2的透振方向相互垂直。
[答案] (1)能。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，只是强度由于偏振片的吸收作用而减弱。
(2)不能。由于从P1、P2射出的光的振动方向相互垂直，不满足振动方向相同的干涉条件，故光屏E被均匀照亮，但无干涉现象。
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