5.3、5.4 光的偏振 激光与全息照相 教案

第3节光的偏振
第4节激光与全息照相
(教师用书独具)
●课标要求
知识与技能
1.知道什么是偏振现象，了解偏振片的原理.
2.知道偏振光和自然光的区别，知道偏振是横波的特点.
3.知道激光及其特性.
4.了解激光的应用，知道全息照相．
过程与方法
通过机械波的偏振实验和光的偏振实验学习研究物理问题的类比方法．
情感态度与价值观
通过观察光的偏振现象培养学生联系实际学习物理的观念和习惯.
●课标解读
1．知道横波在振动中的偏振现象，知道偏振是横波特有的性质．
2．知道偏振光和自然光的区别．
3．了解偏振光在实际生活中的应用．
4．知道激光及其与自然光的区别．
5．了解激光的特点及其应用．
●教学地位
光的干涉、衍射现象为光的波动说提供了坚实的实验基础，使人们对光的波动性有了正确的认识．本节延续前面的探究，从光的偏振现象指出光是一种横波，偏振现象的研究使人类对光的波动性的认识更深入，更具体．
(教师用书独具)
●新课导入建议
3D电视逐渐普及，带上3D眼镜看电视，都有一种身临其境的感觉．小鸟在眼前飞翔，导弹曳着火花从头顶飞过，老虎张开血盒大口要把我们吃掉．这些画面为什么会产生立体感呢？3D眼镜发挥怎样的功能呢？
光的偏振
1.基本知识
(1)偏振现象
①光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光的偏振现象说明光是横波．
②自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，在垂直于传播方向的平面内，光波可沿任何方向振动，光振动在平面内的分布是大致均匀的，所以不显示偏振性，这样的光叫做自然光．
③偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，其振动方向沿着偏振片的透光方向，这样的光称为偏振光．
④偏振：横波只沿着某一个特定的方向振动的现象．
⑤起偏器和检偏器
用于获得偏振光的偏振片叫起偏器，用于检查通过起偏器的光是不是偏振光的偏振片叫检偏器．
(2)偏振现象在生产生活中的应用
偏振现象的主要应用有偏振镜、立体电影、地震预报等．
2．思考判断
(1)自然光是偏振光．(×)
(2)光的偏振现象说明光是横波．(√)
3．探究交流
图5－3－1
你看过立体电影吗？当你戴上一副特制的眼镜开始欣赏立体电影时，经历过敌人的拳头向你袭来的感受吗？(如图5－3－1)，这副特制的眼镜有什么作用？
【提示】　利用光的偏振使人感到图象立体化．
激光与全息照相
1.基本知识
(1)激光及其应用
①激光是原子受激辐射产生的．
②激光的三大特点分别是：单色性好、方向性好、亮度高．
(2)全息照相
①激光的应用
激光诞生后的一个很重大的应用是全息照相，它是应用光的干涉来实现的．
②作为光源的激光被分为两部分：一部分通过凹透镜发射后射到照相胶片上，另一部分射向一个平面镜，经反射后通过另一个凹透镜发散后射向被拍照的物体，该物体把光线反射到照相胶片上并与第一束光发生干涉，两束光干涉的结果就在照相胶片上记录下被拍摄物体的三维图像信息，这就是全息照相．
2．思考判断
(1)激光由于方向性强，所以能发生干涉．(×)
(2)激光由于有很多特点，所以在生活中有很多用途．(√)
(3)全息照相是利用激光单色性好的特点发生干涉．(√)
3．探究交流
取激光笔一支、手电筒一个．观察比较普通光和激光经三棱镜折射后的传播情况．你看到激光与普通光有什么不同？
【提示】　可以看到激光不发生色散、颜色纯正、亮度高．
偏振现象及应用
【问题导思】　
1．什么是偏振现象？
2．自然光与偏振光有何区别？
3．偏振光的具体应用是什么？
1．偏振现象：对于横波通过狭缝的情况，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能无阻碍地通过狭缝，而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时，横波不能通过狭缝，说明偏振是横波特有的现象．
2．自然光与偏振光的区别
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过起偏器后的光
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(与起偏器透振方向一致)
3.偏振片：由特殊材料制成的，只让某一方向振动的光通过，而不让其他振动方向的光通过的一种光学元件．偏振片上的“狭缝”若不借助特殊仪器，用肉眼无法观察到．
起偏器和检偏器都是偏振器．把偏振光能完全通过的方向称为这个偏振器的偏振化方向．
4．自然界中的起偏器：江湖或海洋的水面、皮革、鱼鳞、毛皮等．
5．偏振光的应用
(1)立体电影．
(2)摄影时利用偏振片消除反光．
(3)利用偏振现象检查应力的分布．
(4)汽车挡风玻璃上安装偏振片可减弱对面车灯射来的光．
(5)液晶显示也是利用了偏振现象．
1．我们平时所看到的光，除直接从光源射来的光，其他多为偏振光．
2．自然光经镜面反射后的反射光是偏振光．
3．只有横波才能发生偏振现象，光是横波．
图5－3－2
　(多选)(2013·济宁高二检测)如图5－3－2所示，a是一偏振片，a的透振方向为竖直方向．下列四种入射光束哪几种照射a时能在a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°的光
【审题指导】　解答本题应把握以下三点：
(1)自然光沿各个方向的振动强度相同．
(2)光的振动方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能透过偏振片．
(3)光的振动方向与偏振片的透振方向平行时，透过的光最强．
【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，光都能通过偏振片．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．当二者间的夹角在0°～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．
【答案】　ABD
获取偏振光的方法
1．让自然光通过一块偏振片．
2．让自然光射到两种介质的交界面上，使反射光与折射光垂直时，反射光就是偏振光．
3．让自然光射到两种介质的交界面上，当反射光与折射光垂直时，折射光经过多次折射以后就是偏振光．
1．两个偏振片紧靠在一起．将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过．如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象(　　)
A．透过偏振片的光强先增强，然后又减小到零
B．透过偏振片的光强先增强，然后减小到非零的最小值
C．透过偏振片的光强在整个过程中都增强
D．透过偏振片的光强先增强，再减弱，然后又增强
【解析】　起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过，偏振方向互相平行时，光强度最大．当一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的偏振方向会由垂直到平行再到垂直，所以透过的光强先增强．又减小到零．答案为A.
【答案】　A
激光
【问题导思】　
1．激光是如何产生的？
2．激光与普通光源发出的光有何区别？
3．激光有何特点？有何应用？
1．激光及其产生
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，两列相同的激光相遇可以发生干涉，激光是相干光．在现代科学技术中用多次反射和折射在激光器内产生振荡而发出激光．激光是人工产生的光，自然界中的发光体不能发出激光．
2．激光是相干光，普通灯泡发出的光不是相干光
激光是从物质的原子中发出的，原子获得能量后，处于不稳定状态，它会以光子的形式把能量辐射出去．普通光源——灯泡，灯丝中的每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发光的频率也不一样．这样光在叠加时，一会在空间的某点加强，一会又在这点削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉，因而是非相干光．
激光的光源原子发生受激辐射跃迁时，发出的光子的频率、方向，都跟入射光子完全一样，能产生稳定的干涉图样，是相干光．
3．激光的特点及其应用
特点(与普通光相比)
特点内容
应用
相干性好
频率单一，相差恒定，易发生干涉现象，可像无线电波一样调制
光纤通信光的干涉激光全息照相
平行度好
激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行光，可以会聚到很小的点上
测距和跟踪目标、DVD、CD唱片、计算机光盘
亮度高
激光能在很小的空间、很短的时间内集中很大的能量
“光刀”激发核反应
　关于激光的应用问题，下列说法中正确的是(　　)
A．光纤通信是应用激光的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信息传递
B．计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光有相干性的特点来进行的
C．医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是利用了激光的亮度高的特点
D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是利用了激光亮度高的特点
【解析】　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用激光的相干性，故A错；计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息主要应用了激光的平行度好，故B错；医学中用激光作“光刀”利用了激光的亮度高的特点，故C对；激光测距是利用了激光的平行度好．
【答案】　C
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
【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．故本题的正确答案是C.
【答案】　C
激光全息照相与我们平时照相的区别
【问题导思】　
1．全息照相的原理是什么？
2．全息照相与平时照相相比有什么优点？
1．“全息”是指物体发出的光波的全部信息，既包括振幅和强度，也包括相位．
2．普通照相技术所记录的只是光波的能量强弱信息．(凸透镜成像原理)
3．所谓全息照相就是一种记录被摄物体反射(或透射)光波中全部信息的先进照相技术．全息照相不用一般的照相机，而要用一台激光器．激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上．另一束直接照到感光胶片即全息胶片上．当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程．
4．全息照相的优点
(1)它再现出来的像是跟原来物体一模一样的逼真的立体像，跟观察实物完全一样．
(2)把全息底片分成若干小块，每一小块都可以完整地现出原来物体的像，即使全息底片有缺损，也不会使像失真．
(3)在同一张感光片上可以重叠记录许多像，这些像能够互不干扰地单独显示出来．
　(多选)全息照相利用了下列哪些原理(　　)
A．小孔成像
B．光的干涉
C．光的衍射
D．激光是一种相干光
【解析】　激光是一种人工产生的相干光，它的频率相同，偏振方向一致．全息照相就是利用参考光与物光的干涉，形成复杂的干涉条纹．因此，B、D正确，A、C错误．
【答案】　BD
3．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息
B．全息照片的拍摄利用了光的衍射原理
C．激光的出现使全息技术得到了长足的发展
D．立体电影的拍摄利用的是全息照相技术
【解析】　由全息照相的原理可知A正确，全息照相利用的是光的干涉，B错C正确，立体电影利用的是光的偏振，不是全息照相．故D错误．
【答案】　AC
【备课资源】(教师用书独具)
照耀未来的激光
激光自诞生以来，就在许多领域里大显身手：它能使不再年轻的面容重新焕发青春；让几个世纪以前的艺术品褪去陈旧的外貌而重放光彩；它能“俘获”闪电，并重新把它送回天空……这就是激光，一种直接从微观粒子中汲取的能量的集聚物．
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．纵波不可能产生的现象是(　　)
A．偏振现象　　　　　　
B．反射现象
C．折射现象
D．衍射现象
【解析】　反射、折射和衍射都是波的特征，所以横波、纵波都能产生这些现象，但只有横波能产生偏振现象，纵波不能，所以A正确．
【答案】　A
2．对于激光的认识，以下说法中正确的是(　　)
A．普通光源发出的光都是激光
B．激光是自然界普遍存在的一种光
C．激光是一种人工产生的相干光
D．激光一定比普通光的强度大
【解析】　激光是一种人工产生的光，且频率范围窄，是相干光，故C项正确，A、B两项错误．但它不一定比普通光的强度大，D项错误．
【答案】　C
3．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．激光可用于测距
B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料
C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D．激光可用于全息照相，记录下物体的三维信息
【解析】　激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，A正确．激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工，激光医疗，激光美容，激光武器等，B错误．激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，D正确．由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤等的同时，也能杀灭细菌，所以C正确．
【答案】　ACD
4．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
1．(多选)将激光束的宽度聚焦到纳米级(10－9m)范围内，可修复人体已损坏的器官，可对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病彻底根除，以上功能是利用了激光的(　　)
A．单色性好　　　　　　
B．平行度好
C．粒子性
D．高能量
【解析】　激光的平行度好，故可聚焦到很小的范围；激光的亮度高、能量大，故可修复器官．
【答案】　BD
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，这是利用激光的(　　)
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】　激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．
【答案】　A
3．(多选)以下说法正确的是(　　)
A．光纤通信利用了激光相干性好的特点
B．激光武器利用了激光亮度高的特点
C．激光写、读利用了激光亮度高的特点
D．激光加工、激光手术和激光武器都利用了激光亮度高的特点
【解析】　由激光的几种特点及应用可知A、B、D正确．
【答案】　ABD
4．(多选)关于立体电影，以下说法正确的是(　　)
A．观众戴上特制眼镜是为了防止伤害眼睛
B．这副眼镜其实就是一对偏振方向互相垂直的偏振片
C．戴上特制眼镜的观众若只用一只眼睛看，则银幕上只是一片光亮而无图像
D．产生立体视觉是因人的两只眼睛同时观察物体时，形成的在视网膜上的像并不完全相同
【解析】　看立体电影必须用偏振片才能达到好的效果．
【答案】　BD
5．(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，以下说法正确的是(　　)
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
【解析】　P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)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光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱的．
【答案】　BD
6．(多选)(2013·宁德高二检测)如图5－3－3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(　　)
图5－3－3
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
【解析】　自然光沿各个方向是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只有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，则A错；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B对；设通过A的光沿竖直方向振动，若B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，将B转过180°后，P处仍无光亮，即C错；若将B转过90°，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，即D对．
【答案】　BD
7．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
【解析】　光波都是横波，波长与频率和介质都有关，只有频率相同的光才能干涉．
【答案】　D
图5－3－4
8．(多选)(2013·青岛高二检测)奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，利用旋光仪可以测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量．其原理是：偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振光的偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关，将θ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5－3－4所示，S是自然光源，A、B是偏振片，绕中心轴转动偏振片B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间．则下列说法中正确的是(　　)
A．到达O处光的强度会明显减弱
B．到达O处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处光的强度最大，则偏振片B转动的角度等于θ
D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，则偏振片A转过的角度等于θ
【解析】　根据题意可知，开始A、B两偏振片的透光方向相同，当被测样品置于A、B之间时，光线旋转一个角度θ，因此到达O处光的强度会明显减弱；为了使O处的光线强度最大，则必须将其中一个偏振片旋转角度θ，光线穿过偏振片时，光的偏振方向与偏振片的透光方向一致．
【答案】　ACD
9．(多选)激光器发光功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ，c表示光在真空中的速度，下列说法中正确的是(　　)
A．该光在真空中的波长为nλ
B．该光在真空中的波长为λ/n
C．该光的频率为c/λ
D．该光的频率为
【解析】　n＝，c＝fλ0，v＝fλ，所以λ0＝nλ
f＝＝.
【答案】　AD
10．(2013·四川高考)光射到两种不同介质的分界面，分析其后的传播情形可知(　　)
A．折射现象的出现说明光是纵波
B．光总会分为反射光和折射光
C．折射光与入射光的传播方向总是不同的
D．发生折射是因为光在不同介质中的传播速度不同
【解析】　光的折射不能反映光是纵波还是横波，由光的偏振现象可知光是横波，选项A错误；当光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角时，发生全反射现象，没有折射光，选项B错误；当光线垂直于界面入射时，折射光与入射光的传播方向相同，选项C错误；发生折射是因为光的传播速度在不同介质中不同，选项D正确．
【答案】　D
图5－3－5
11．(2013·攀枝花高二检测)如图5－3－5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)在(1)情况下，再加偏振片P1、P2，P1与P2透光方向垂直．
【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．
【答案】　见解析
12．应用激光平行性好的特性，可以精确地测量距离．对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到反射脉冲的时间间隔，就可以求出激光器到目标的距离．若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56
s，求月球到地球的距离大约是多少？
【解析】　真空中的光速c＝3.0×108
m/s，
从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t＝2.56
s，月球与地球距离为：
l＝ct＝×3.0×108×2.56
m＝3.84×105
km
【答案】　3.84×105
km