4.6 光的偏振 激光--高中物理选择性必修一素养提升学案

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高中物理选择性必修一素养提升学案
第四章 光
4.6 光的偏振 激光
【核心素养目标】
物理观念
1.了解光的偏振现象，知道激光的特性。
2.知道自然光和偏振光的区别。
科学思维
.借助实例分析推理知道光是横波。
科学探究
经历光的偏振实验的过程，体会偏振光的特性。
科学态度与责任
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。
【知识点探究】
知识点一　　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波的强度都相同。
(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
【温馨提示】
(1)自然光沿各个方向振动的光波的强度都相同。
(2)自然光通过偏振片后成为偏振光。
(3)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。 (√)
(4)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。 (√)
知识点二　激光
特点 性质 应用
相干性 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
平行度 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
高亮度 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；医学上可以用激光做“光刀”
【特别提醒】
(1)激光是人工通过特殊方法制造出的光源产生的一种光。
(2)激光是一种人工产生的相干光。
(3)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。
(4)激光精确测距利用激光的平行度好的特点。
【考点探究】
考点1　光的偏振
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。
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，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
3. 偏振现象的应用
（1）．摄影技术中的应用： 摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面的反射光的干扰，景象会不清楚。如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，转动滤光片，让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰。
（2）．偏振片在汽车挡风玻璃上的应用：汽车夜间行驶与对面的车辆相遇时，如遇远光灯引发炫目，极易引起车祸。如果驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振方向都沿同一方向并与水平面成45°角，可避免远光灯引发炫目，保证行车安全。
（3）．立体电影：在每架放映机前装有一块偏振片，其透振方向互相垂直。观众所戴的偏振眼镜的两只镜片透振方向互相垂直，且左眼镜片与左放映机前偏振片的透振方向一致，右眼镜片与右边放映机前偏振片的透振方向一致。这样，左眼只能看到左边放映机放映出的画面，右眼只能看到右边放映机放映出的画面，两眼看到的画面略有差别，因而产生立体感。
【典例1】(多选)(2023·广东韶关实验中学高二月考)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相同
B．偏振光是在垂直于传播方向的平面上、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　自然光沿各个方向振动的光波的强度相同，故A错误；偏振光是在垂直于传播方向的平面上、只沿着某一特定方向振动的光，故B正确；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不能还原为自然光，故C错误；太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光，故D正确。
【方法归纳】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透振方向的夹角大小有关。
考点2　激光
激光切割技术已广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高加工质量。现代的激光成了人们所幻想追求的削铁如泥的“宝剑”，那么，激光切割是利用了激光的什么特点来完成的？
提示：激光的亮度高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，可以用于切割、焊接以及在坚硬材料上打孔等。
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2】　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
【答案】C　
【解析】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；医疗中用激光做“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。
【同步训练】
1．关于自然光和偏振光，下列说法正确的是(　　)
A．自然光能产生光的干涉现象和衍射现象，而偏振光却不能
B．自然光只有透过偏振片才能获得偏振光
C．自然光只能是白光，而偏振光不能是白光
D．自然光和偏振光都能使感光底片感光
【答案】D　
【解析】干涉与衍射都是波特有的现象，偏振光也是一种波，同样能产生干涉现象与衍射现象，故A错误；自然界中的折射光、反射光等均属于偏振光，故B错误；自然光可以是任意颜色的光，偏振光可以是白光，故C错误；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，故D正确。
2．(多选)准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光，用于近视眼的治疗。关于这个治疗，以下说法正确的是(　　)
A．近视眼是物体在眼球中成像在视网膜的前面，使人不能看清物体
B．激光的方向性好，可以在非常小的面积上对眼睛进行光凝手术
C．激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复
D．激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削
【答案】ABD　
【解析】利用激光的方向性好对眼睛进行光凝手术是物理技术应用于临床医学的最新成果。人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体。当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清楚物体，这就是近视眼。激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的“凸透镜”的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上。故选项A、B、D正确。
　3. (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，它通过偏振片A后，即变为偏振光，故A错，B对；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；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故C错，D对。
4。　(2022·重庆南开中学高二期末)用如图所示装置研究偏振现象，P1、P2是两块完全相同的圆形偏振片，A、B为观测点，A、B和两块偏振片的中心共线，且偏振片与AB连线垂直，两偏振片可绕AB连线转动，下列说法正确的是(　　)
A．固定P1，转动P2，则A、B处光强均发生变化
B．固定P2，转动P1，则A、B处光强均不发生变化
C．同时转动P1和P2，A处光强不变，B处光强可能变化
D．同时转动P1和P2，A、B处光强均发生变化
答案　C
解析　自然光沿着各个方向振动的光波强度均相同，故无论是否转动P1，A处光强不变，故A、D错误；
若转动P1，固定P2，当两偏振片的狭缝平行时，B处光强最大，当狭缝垂直时，B处光强最小，故B处光强发生变化，故B错误；
同时转动P1和P2，同理当两偏振片的狭缝平行时，B处光强最大，当狭缝垂直时，B处光强最小，故B处光强可能变化，故C正确。
5．(2022·南通市期中)用图示实验装置演示光的偏振现象，白炽灯O发出的光通过两个透振方向平行的偏振片P、Q照到光屏上，通过偏振片前后的光束分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，下列说法正确的是(　　)
A．白炽灯发出的光是纵波
B．偏振片Q起到检偏的作用
C．光束Ⅱ中光的振动方向与透振方向垂直
D．将偏振片P以光传播方向为轴转动45°，光束Ⅲ将消失
答案　B
解析　光是一种横波，A错误；白炽灯发出的光经过偏振片P后就成为了偏振光，又经与P透振方向平行的偏振片Q照到光屏上，所以偏振片Q起到检偏作用，B正确；光束Ⅱ中的光是经偏振片P透射来的，所以光束Ⅱ中光的振动方向与透振方向不可能垂直，C错误；将偏振片P以光传播方向为轴转动45°，光束Ⅲ将会减弱但不会消失，D错误。
6 .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。
7．(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
答案　AB
解析　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。
8．拍摄立体电影时用一台摄影机，让它通过两个窗口(相当于人的双眼)交替拍摄，两套图像交替地印在同一条电影胶片上，放映时用一台放映机，通过左右两个窗口，把两套图像交替地映在银幕上。在每个放映窗口前安装一块偏振片，两个窗口射出的光，通过偏振片后成了偏振光。左右两个窗口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。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众那里，偏振方向不变，观众用偏振眼镜观看时，左眼只看到左窗口映出的画面，右眼只看到右窗口映出的画面，这样就会像直接观看物体那样产生立体感，下列说法正确的是(　　)
A．偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向应保持一致
B．偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向互换后不能正常观影
C．只用一只眼睛透过偏振眼镜也可以产生立体感，但是亮度减弱
D．把放映窗口的两个偏振片透振方向改为相互平行，把偏振眼镜两个镜片的透振方向也改为相互平行，并使两者偏振方向一致，也可以正常观影
答案　B
解析　由于影片播放时，投射到银幕上的两束偏振光的振动方向不同，故偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向不同，否则，只能看到一种偏振光，故A错误；由于左眼只能看到左窗口映出的画面(比如左窗口偏振光水平，左眼镜片透振方向水平)，右眼只能看到右窗口映出的画面(比如右窗口偏振光竖直，右眼镜片透振方向竖直)，如果左、右镜片互换，两偏振光均不能通过偏振眼镜，无法正常观影，故B正确；人眼接收到两个偏振方向不同的偏振光，两个像经过大脑综合以后，就能区分物体的前后、远近，从而产生立体感，所以只用一只眼睛透过偏振眼镜不能产生立体感，故C错误；根据上述分析可知，若两个偏振片透振方向改为相互平行，同时把偏振眼镜两个镜片的透振方向也改为相互平行，只能接收到一种偏振光，可以看到影片，但没有立体效果，所以不能正常观影，故D错误。
9．夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与对面灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施可行的是(　　)
A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的
B．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是竖直的
C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
答案　D
解析　若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光经物体反射后将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼，B错误；若前窗玻璃透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透进本车车窗内，却可以透进对面车的车窗内，C错误；若前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°，则车灯发出的光经物体反射后可以透进本车车窗内，且不可以透进对面车的车窗内，D正确。
10．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。
11. 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，只是透射光暗了一些；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？
答案　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。
【解析】偏振片的作用类似于狭缝，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。
【课堂小结】
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是光的偏振现象？
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。
2．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
【知识拓展】
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。
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