第四章 光及其应用
6 光的衍射与偏振
7 激光
基础过关练
题组一 光的衍射现象
1.如图所示,通过用两个刀片组成的、宽度可以调节的狭缝观察日光灯光源时看到三个现象。在狭缝宽度逐渐变小过程中,所看到的三个图像的顺序可能是 ( )
A.a、b、c B.b、c、a
C.c、a、b D.b、a、c
2.在一束单色光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后,在光屏上分别得到如图所示的四幅图样,以下说法正确的是 ( )
A.甲是双缝干涉图样,丁是“泊松亮斑”
B.乙是单缝衍射图样,丙是“泊松亮斑”
C.甲是双缝干涉图样,丁是小圆孔衍射图样
D.乙是双缝干涉图样,丙是小圆孔衍射图样
题组二 光的衍射现象的应用
3.我们经常看到路边施工处挂有红色的灯,除了红光容易引起人们的视觉反应外,这样做的另一个重要的原因是 ( )
A.红光比其他可见光更容易发生衍射
B.红光比其他可见光更容易发生干涉
C.红光比其他可见光频率更大
D.红光比其他可见光更容易发生反射
4.抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上同样宽度的窄缝规律相同。观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化,下列叙述中正确的是 ( )
A.这里应用的是光的直线传播现象
B.这里应用的是光的干涉现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗
D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细
题组三 光的衍射和光的干涉的比较
5.关于光的干涉和光的衍射现象,下列说法正确的是 ( )
A.光的干涉现象遵循波的叠加原理,衍射现象不遵循波的叠加原理
B.光的干涉条纹是彩色的,衍射条纹是黑白相间的
C.光的干涉现象说明光具有波动性,光的衍射现象不能说明这一点
D.光的干涉和衍射现象中形成的明暗相间的条纹都是光波叠加的结果
6.(多选题)下列说法中正确的是 ( )
A.如图甲所示,a是一束白光,射向半圆玻璃砖的圆心O,经折射后发生色散,最左侧为紫光,最右侧为红光
B.如图乙所示为双缝干涉示意图,双缝间距d越大,相邻亮条纹间距越大
C.如图丙所示为光导纤维示意图,内芯的折射率比外套的折射率大
D.如图丁所示为单色光单缝衍射示意图,如果换成白光,屏上得到的条纹是彩色的
题组四 光的偏振的理解与应用
7.(经典题)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
8.夏天柏油路面上的反射光是偏振光,其振动方向与路面平行。人戴的太阳镜的镜片是由偏振玻璃制成的。镜片的透振方向应是 ( )
A.竖直的 B.水平的
C.斜向左上方45° D.斜向右上方45°
题组五 激光的特性及应用
9.下列关于激光特性的应用,说法错误的是 ( )
A.利用激光可以读取光盘信息,是利用了激光的相干性好
B.医学上用激光做“光刀”来切开皮肤,切除肿瘤,是利用了激光的能量高的特点
C.利用激光来进行精确测距,是利用了激光的方向性好
D.光纤通信利用激光被调制,来传递信息,是利用了激光的相干性好
10.某种激光雷达测距软件可以同时显示两列波形,当激光器发射激光时,在电脑液晶显示器上显示一个正的波形,而接收器接收到反射回来的光波时又会显示一个负的波形。某次实际测量时显示器上显示的图像如图所示,已知激光器每秒钟发射激光脉冲数为N=7.5×103个,被测物与测量者之间的距离小于10 km,c=3×108 m/s,则由图可求出被测物与测量者之间的距离为多少
答案与分层梯度式解析
第四章 光及其应用
6 光的衍射与偏振
7 激光
基础过关练
1.D 在狭缝宽度较大时,光沿直线传播,出现图b的情况,随着狭缝宽度逐渐变小,变为衍射,且狭缝越窄,衍射现象越明显,故先后出现图a、图c,故D正确。
2.A 衍射图样与干涉图样的区别是:前者是中间明条纹明且宽大,越向两侧条纹宽度越小,后者明暗条纹宽度相等,由此可知题中甲图是双缝干涉图样,乙图是单缝衍射图样。单色光照射小圆孔做衍射实验时,中央较大的区域是亮的,周围是明暗相间的圆环,条纹间距也不相等,亮度向外逐渐变暗;而泊松亮斑的中间是一个比较小的亮点,亮度向外逐渐变亮,由此可知题中丙图是小孔衍射图样,丁图是“泊松亮斑”,故A正确,B、C、D错误。
方法技巧 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:双缝干涉条纹的宽度相同,而单缝衍射的条纹中央明条纹最宽,两侧的明条纹逐渐变窄。
(2)根据条纹的间距区分:双缝干涉条纹的间距是相等的,而单缝衍射的条纹越向两侧条纹间距越窄。
(3)根据明条纹的亮度区分:双缝干涉条纹,从中央明条纹往两侧亮度变化很小,而单缝衍射条纹中央明条纹最亮,两侧的明条纹逐渐变暗。
3.A 红光的波长较长,频率较小,比其他可见光更容易发生衍射,更易被观察到,故选A。
4.D 当障碍物的尺寸与波的波长相当或小于波的波长时,会发生明显的衍射,该装置应用的是光的衍射现象,如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细,D正确。
5.D 从成因分析,光的干涉现象、衍射现象中形成的明暗相间的条纹都是光波叠加的结果,两者都能说明光具有波动性,故A、C错误,D正确。从条纹特点看,虽然条纹宽度、间距有所不同,但单色光的干涉条纹、衍射条纹都是明(与单色光的颜色相同)暗相间的,白光的干涉条纹、衍射条纹都是彩色的,故B错误。
6.ACD 题图甲中,a是一束白光,射向半圆玻璃砖的圆心O,经折射后发生色散,由于紫光的折射率最大,红光的折射率最小,因此最左侧为紫光,最右侧为红光,A正确;根据干涉条纹间距公式Δx=λ,可知双缝间距d越大,相邻亮条纹间距越小,故B错误;根据光的全反射条件可知,内芯的折射率比外套的折射率大,故C正确;如果将图丁中的单色光换成白光,因白光是多种色光组合而成的,各色光的波长不同,导致屏上得到的条纹间距不同,因此是彩色的,故D正确。
7.C 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处光强可能变化,故B错误;同理同时转动P1和P2,B处光强可能变化,故C正确。
8.A 在日常生活中,发生在光滑的柏油路面、水面或其他类似平面上的镜面反射的“耀眼”太阳光,均是水平偏振光,如果使用透振方向竖直的太阳镜,反射的水平偏振光就不会进入人眼了,A正确。
9.A 利用激光来读取光盘信息,是利用了激光的方向性好的特点,故A说法错误,符合题意;B、C、D说法均正确。
10.答案 5 km
解析 发射相邻两个激光脉冲的时间间隔为
Δt1==×10-4 s
由题图可看出从发射激光到接收到反射脉冲所需的时间为
Δt2=Δt1=×10-4 s(n=0,1,2,3…)
则被测物与测量者之间的距离为
d==×104 m(n=0,1,2,3…)
由于d<10 km,所以n只能取0,可得d=5 km。
7(共19张PPT)
1.光的衍射现象
光通过很小的狭缝时,明显地偏离了直线传播的方向,扩展到了相当宽的地方,并出现明暗相
间的条纹,这种现象叫作光的衍射。
2.发生明显衍射现象的条件
缝、孔的宽度或障碍物的尺寸比光波的波长小或跟光波的波长相差不多。
知识点 1 光的衍射
必备知识 清单破
6 光的衍射与偏振
7 激光
衍射现象 图样及其特点
单缝衍射 单色光的单缝衍射图样:中央为一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,条
纹变窄变暗;
白光的单缝衍射图样:中央为白色条纹,两边是对称且变暗的彩色条纹
圆孔衍射 单色光的圆孔衍射图样:中间亮圆的亮度大,向外是明暗相间的不等距圆环,越向外,亮圆
环亮度越低;
白光的圆孔衍射图样:中央亮圆为白色,向外是彩色圆环
3.三种衍射现象
衍射现象 图样及其特点
圆盘衍射 在光传播途中,放一个较小的圆形障碍物,在阴影中心出现一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑。圆盘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。圆盘衍射图样中的亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小
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.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,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。
知识点 2 光的偏振
3.光的偏振
光的偏振现象 只有沿偏振片的“透射方向”振动的光波才能通过偏振片
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和折射时,反射光和折射光都是偏振光
偏振现象的应用 ①在照相机镜头前装一个偏振滤光片,使玻璃后的景象拍出来更清晰
②液晶显示器、立体电影等都利用了光的偏振原理
特性 应用
强度大 激光加工(切割、焊接、雕刻等)
激光医学(激光刀手术)
激光驱动流体新技术
单色性好、相干性好 激光全息照相
方向性好 激光测距
激光测速
信息存储和阅读(计算机光盘)
激光检测
激光照排
覆盖波段宽且可调谐 光纤通信
知识点 3 激光的特性与应用
知识辨析
1.光的衍射与光沿直线传播矛盾吗
2.阳光下茂密的树林中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的吗
3.隔着帐幔看远处的灯,看到灯周围辐射彩色的光芒,这是光的干涉现象吗
4.自然光是在垂直于传播方向的平面上只沿着某个特定的方向振动吗
5.自然光源能发出激光吗
6.激光能像无线电波那样用来传递信息吗
一语破的
1.不矛盾。光沿直线传播是障碍物或狭缝的尺寸很大时的一种特例。
2.不是。这属于小孔成像,是由光沿直线传播形成的。
3.不是。这属于光的衍射现象。
4.不是。自然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。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是偏振
光。
5.不能。激光是原子受激后发生跃迁产生的。
6.能。激光具有电磁波的一切性质,可以用来传递信息。
单缝衍射 双缝干涉
不同点 产生条件 只要狭缝足够小,任何光都能发生明显衍射现象 频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光波叠加
条纹宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等
条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距
亮度 中央条纹最亮,两边最暗 条纹清晰,亮度基本相等
相同点 成因 都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果 意义 都是波特有的现象,表明光是一种波
定点 单缝衍射与双缝干涉的比较
关键能力 定点破
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【1】
形成的干涉图样以及绿光、紫光各自通过同一个单缝【2】形成的衍射图样(黑色部分表示亮
纹)。四幅图中,从左往右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
典例
C
信息提取 【1】条纹间距取决于光的波长(波长越长条纹间距越大);
【2】中央亮条纹宽度取决于光的波长(波长越长中央亮条纹越宽)。
思路点拨 解题必备知识:(1)单缝衍射条纹中间宽两边窄且不等间距【3】;(2)双缝干涉条纹等
宽等间距【4】;(3)波长大小关系:λ红光>λ黄光>λ绿光>λ紫光【5】;(4)双缝干涉条纹间距公式Δx= λ。
解析 a、c是双缝干涉图样(由【4】得到),a图中条纹间距比c图中的大,则a对应红光,c对应
黄光(由【1】、【5】得到);b、d是单缝衍射图样(由【3】得到),d图中中央亮条纹的宽度比
b图中的大,则d对应绿光,b对应紫光(由【2】、【5】得到)。故选C。
讲解分析
光从一种介质斜射向另一种介质时,会发生折射或全反射现象。光的折射、全反射问
题,部分题目会涉及干涉、衍射的综合分析,尽管题目综合性很强,但是抓住一个关键点——
光的频率,就能解决问题。关于光的折射、全反射以及求光的传播时间问题,解题思路如下:
1.解决光的折射问题的思路
(1)根据题意画出正确的光路图。
(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射角均以法线为标准。
(3)利用折射定律求解相关问题。
解题时要充分利用光路的可逆性原理。
学科素养 题型破
题型 光的折射与全反射的综合问题分析
2.解决全反射问题的思路
(1)确定光是从光密介质射向光疏介质。
(2)应用sin C= 确定临界角。
(3)根据题设条件,判定光在传播时是否发生全反射。
(4)如发生全反射,画出入射角等于临界角时的临界光路图。
(5)运用几何关系、三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算,解决问题。
3.求光的传播时间的一般思路
(1)确定光在介质中的传播速度。全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变
化,即v= 。
(2)确定光的传播路程l,一般需结合光路图与几何关系进行确定。
(3)利用t= 求解光的传播时间。
4.色光的全反射问题
当多种色光从光密介质射向光疏介质时,关于出射光中哪种色光最先消失的问题,其实
就是分析色光的全反射问题。频率大的光发生全反射的临界角较小,更容易发生全反射,所
以入射角增大时,出射光中频率大的光先消失;同理,如果多种色光的入射角相同,且都发生了
全反射,入射角减小时频率小的光先折射出来。如图中的一束光经半圆形玻璃砖折射后射出
a、b两束光线,可知玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率,即a光的频率大于b光的频率;
改变光束的入射方向使θ增大,大到一定程度时折射光消失,由于a光的频率较大,最先消失的
是a光。
典例呈现
例题 直角棱镜的折射率n=1.5【1】,其横截面如图所示,图中∠P=90°,∠M=30°。截面内一细
束与NP边平行的光线,从棱镜MN边上的O点射入,经折射后射到NP边上【2】。
(1)光线在NP边上是否会发生全反射 说明理由。
(2)不考虑多次反射,求从MP边射出的光线与最初的入射光线夹角【3】的正弦值。
例题
信息提取 【1】sin C= 。
【2】画出大致光路如图所示,入射角i=30°。
【3】最初的入射光线与NP边平行,与MP边的出射光线对应的法线平行。
思路点拨 (1)由几何关系得出光线在NP边的入射角,根据sin C= 判断光线能否在NP边发
生全反射;
(2)由几何关系得出i、r、i'、r'间的大小关系,再由折射定律n= 【4】,得出光线在MN边折射
角的正弦sin r和光线在MP边折射角的正弦sin r',进而得出从MP边射出的光线与最初的入射
光线夹角的正弦值。
解析 (1)由sin C= = < ,得C<60°(由【1】得到),由几何关系得θ=90°-(30°-r)=(60°+r)>60
°(由【2】得到),
即θ大于全反射临界角,因此光线在NP边上发生全反射。
(2)由光路图分析可知,从MP边射出的光线与最初的入射光线的夹角就是r'(由【3】得到),
由几何关系可得i'=90°-θ=i-r,
在MN边,有sin i=n sin r(由【4】得到),
得sin r= = ,所以cos r= ,
在MP边,有n sin i'=sin r'(由【4】得到),sin r'=n sin (i-r)= (sin i cos r-sin r cos i)= 。
答案 (1)见解析 (2)
素养解读 本题通过光的折射与全反射考查学生的综合分析和推理能力、数学运算能力。
通过对光学的学习,使学生对物质世界的认识进一步加深,能够运用所学知识解释一些光学
现象。
