5 光的衍射
6 光的偏振 激光
[定位·学习目标] 1.通过阅读教材、观察光的衍射现象,认识衍射条纹的特点;通过观察光的偏振现象,知道自然光和偏振光的区别,知道偏振现象的应用,知道光是横波;知道激光的特性,形成物理观念。2.通过观察得出光明显衍射的条件,经历光的衍射实验的过程,体会
衍射是波的特性,形成科学思维。3.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 衍射光栅
探究新知
1.光的衍射现象:光通过很窄的狭缝时,光没有沿直线传播,它绕过了缝的边缘,传播到相当宽的地方的现象。
2.明显衍射的条件:在障碍物或狭缝的尺寸足够小时,衍射现象十分明显。
3.各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,致使影的轮廓模糊不清,出现明暗相间的
条纹。
4.衍射光栅。
(1)定义:由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
(2)分类。
①透射光栅;②反射光栅。
(3)衍射图样特点:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度变窄,亮度增加。
正误辨析
(1)光的衍射说明光不能沿直线传播。( × )
(2)阳光下茂密的树荫中,地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。( × )
(3)隔着帐幔看远处的灯,见到灯周围辐射彩色的光芒,是光的干涉现象。( × )
(4)白光通过盛水的玻璃杯,在适当的角度可看到彩色光,这是光的衍射现象。( × )
(5)衍射现象中也有干涉的成分。( √ )
知识点二 光的偏振
探究新知
1.偏振
(1)偏振现象:不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能不同的现象,称为偏振现象。
(2)方向:横波的振动方向称为偏振方向。
2.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,沿这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与这个方向垂直的光不能通过,这个偏振方向叫作透振方向。
(2)自然光:由太阳以及日光灯、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。
(3)偏振光:自然光通过某一偏振片后,在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动的光叫作偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,入射角变化时偏振的程度也有所变化。
正误辨析
(1)自然光是偏振光。( × )
(2)立体电影利用了光的偏振原理。( √ )
(3)自然光是在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定方向振动的光。( × )
(4)光的偏振表明光是一种横波。( √ )
知识点三 激光的特点及其应用
探究新知
激光的特点及应用
特点 应用
相干性:激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点,具有高度的相干性。可以被调制,用来传递信息 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 激光测距,为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引
亮度高: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”;科学上以激光为光源研究物质结构、分子运动和化学反应过程等
正误辨析
(1)用激光做双缝干涉实验时应用了激光平行度好的特点。( × )
(2)利用激光亮度高的特点,可以用激光进行距离测量。( × )
要点一 光的衍射
要点归纳
1.光的衍射与光的直线传播的关系
(1)光的直线传播只是一个近似的规律,当障碍物或狭缝的尺寸很大时,衍射现象不明显,光可以看成沿直线传播。
(2)当障碍物或狭缝的尺寸足够小时,光会发生明显的衍射现象。
2.三种衍射图样的比较
三种衍射图样如图所示。
(1)单缝衍射。
①单色光通过狭缝时,在屏幕上出现明暗相间的条纹,中央条纹最宽最亮,两侧的亮条纹逐渐变暗变窄;白光通过狭缝时,在屏上出现彩色条纹,中央为白色条纹。
②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。
(2)圆孔衍射。
①光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
②中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越靠外,圆形亮条纹的亮度越弱,宽度越小。
③圆孔越小,中央亮斑的直径越大,同时亮度越弱。
(3)圆盘衍射(泊松亮斑)。
①若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑。
②中央是亮斑,圆板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,周围的亮环或暗环的间距随半径增大而减小。
3.特别提醒
只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
典例研习
[例1] (多选)(2024·福建福州期末)某实验小组在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,得到如下四幅图样,下列有关说法正确的是( )
[A]甲是单缝衍射图样
[B]乙是双缝干涉图样
[C]丙是小圆孔衍射图样
[D]丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样
【答案】 CD
【解析】 单缝衍射与双缝干涉图样的区别是,前者是中间亮条纹明亮且宽大,越向两侧宽度越小,后者明暗条纹间距相等,则甲是双缝干涉图样,乙是单缝衍射图样,故A、B错误。用单色光照射小圆孔做衍射的实验时,中央较大的区域内是亮的,周围是明暗相间的圆环,条纹间距也不等,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,圆板阴影的边缘是模糊的,在阴影外有不等间距的、明暗相间的圆环,可知丙是圆孔衍射图样,丁是圆板“泊松亮斑”衍射图样,故C、D正确。
要点二 单缝衍射与双缝干涉的比较
要点归纳
1.单缝衍射与双缝干涉的比较
项目 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 频率相同、振动步调一致的两列光波相遇叠加
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,两边变暗 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
2.特别提醒
(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。
(2)光波的波长增大时,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。
(3)复色光的衍射或干涉图样,可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。
典例研习
[例2] 如图所示的四种明暗相间的条纹是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样,以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。在下面的四幅图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是( )
[A]红黄蓝紫 [B]红紫蓝黄
[C]蓝紫红黄 [D]蓝黄红紫
【答案】 B
【解析】 双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹,所有条纹宽度相同且等间距,故甲、丙两个是双缝干涉图样,根据双缝干涉条纹间距Δx=λ可以知道波长λ越大,Δx越大,故甲是红光的双缝干涉图样,丙是蓝光的双缝干涉图样。单缝衍射条纹中间明亮且宽大,越向两侧宽度越小、亮度越暗,而波长越大,中央亮条纹越宽,故乙、丁是单缝衍射图样,乙为紫光的单缝衍射图样,丁为黄光的单缝衍射图样。故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、蓝光(双缝干涉)和黄光(单缝衍射),故B正确,A、C、D错误。
要点三 光的偏振
要点归纳
1.光的偏振现象表明光是一种横波。
2.自然光与偏振光的比较。
项目 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,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
典例研习
[例3] (2024·河北张家口期中)如图所示,让白炽灯发出的光通过偏振片P和Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片P和Q,可以看到透射光的强度会发生变化,这是光的偏振现象。以下说法正确的是( )
[A]仅旋转偏振片P的过程中,透射光的强度一定不会发生变化
[B]仅旋转偏振片Q的过程中,透射光的强度不一定会发生变化
[C]同时旋转偏振片P、Q的过程中,透射光的强度一定会发生变化
[D]仅旋转偏振片P或Q的过程中,透射光的强度一定会发生变化
【答案】 D
【解析】 白炽灯发出的光为自然光,通过偏振片P后变成偏振光,旋转偏振片P或Q时,如果通过P的偏振光的振动方向和Q的偏振方向不平行,透射光的强度就会发生变化,故A、B错误,D正确;同时旋转偏振片P、Q的过程中,可能P、Q的透振方向还是相互平行,透射光的强度不会发生变化,故C错误。
(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射光和折射光。
(2)自然光通过一个偏振片后成为偏振光,偏振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。
(3)偏振光通过偏振片时,透光的强度与光的偏振方向和偏振片的透振方向间夹角大小
有关。
要点四 激光
要点归纳
1.激光的产生
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,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。
2.激光的特点
(1)单色性好:激光是人工产生的相干光,其单色性好、相干性好。激光的频率单一、颜色纯净。用激光做衍射、干涉实验,效果很好。
(2)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。
典例研习
[例4] 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]全息照片的拍摄利用了激光易于全反射的特点
[B]由于激光的方向性好,可以用激光来携带信息
[C]激光测距利用了激光相干性好的特点
[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】 全息照片拍摄是利用了激光的频率单一,即相干性好,能够产生明显的干涉,故A错误;利用激光相干性好,它能像无线电波那样被调制,用来传递信息,故B错误;激光测距利用了激光平行度好的特点,故C错误;利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离,故D正确。
偏振光的应用
核心归纳
偏振光的应用非常广泛。例如,
(1)在摄影中的应用:在镜头前安装一片偏振滤光片,可以减弱进入镜头的反射光。
(2)电子表的液晶显示屏:在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒,可以控制光线显示数字。
(3)夜晚行车时,车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理。
(4)立体电影也利用了光的偏振原理。
典例研习
[例题] (多选)如图所示是立体电影的工作原理图,观众戴上一副特殊的眼镜就能看到由立体电影放出的立体图像。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]产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时,在视网膜上形成的像并不完全
相同
【答案】 BD
【解析】 放立体电影时有左右两架放映机同时工作,在每架放映机前装有一块偏振镜,其偏振方向互相垂直,因此从放映机前偏振镜射出的两束偏振光的偏振方向互相垂直,这两束偏振光经屏幕反射其偏振方向不改变,观众眼睛所戴的偏振眼镜的两只镜片偏振方向互相垂直,且左眼镜片跟左边放映机前偏振镜的偏振方向一致,这样,左眼只能看到左边放映机映出的画面,同理右眼只能看到右边放映机映出的画面,两眼看到的画面略有差别,因而产生立体感。因此B、D说法正确。
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,甚至比光波波长还要小的时候,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
【答案】 AD
【解析】 光的干涉现象和衍射现象都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很多的情况下,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A、D
正确。
2.如图所示为光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样。当光通过正四边形小孔时,会在光屏上产生的衍射图样是( )
[A] [B] [C] [D]
【答案】 B
【解析】 光的衍射是指光在传播过程中,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,根据题目中光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样,可以看出,光通过狭缝(两个边缘)向两边衍射,通过圆孔时,向整个圆周围衍射,可推测光的衍射方向与缝或孔的边缘数有关,所以光通过正四边形小孔时,应向四边衍射,B正确,A、C、D错误。
3.2023年诺贝尔物理学奖颁发给“为研究物质中的电子动力学,而产生阿秒激光的实验方法”方面所做出贡献的三位科学家。下列有关激光的特性及其应用说法正确的是( )
[A]实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光纯净度高
[B]医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的相干性
[C]激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的平行度好
[D]激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的亮度高
【答案】 A
【解析】 实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光纯净度高,频率单一,相干性好的特点,选项A正确;医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的亮度高,强度大,能量集中的特点,选项B错误;激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高,强度大,能量集中的特点,选项C错误;激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的平行度好,选项D错误。
4.如图所示,甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝形成的双缝干涉或单缝衍射图样,分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )
[A]甲、乙是光的干涉图样
[B]丙、丁是光的干涉图样
[C]形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短
[D]形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短
【答案】 A
【解析】 双缝干涉条纹是等间距的条纹,因此题图甲、乙是双缝干涉图样,题图丙、丁是单缝衍射图样,故A正确,B错误;由公式Δx=λ可知,宽条纹对应的入射光的波长长,所以形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长长,故C错误;形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长长,故D错误。
课时作业
(分值:60分)
考点一 光的衍射
1.(4分)下列四幅图是某种单色光形成的干涉或衍射图样,其中与其他三幅表示不同类型的是( )
[A] [B]
[C] [D]
【答案】 B
【解析】 双缝干涉图样的条纹间距相等,衍射图样的中央条纹最宽,所以B是光的干涉图样,A、C、D是光的衍射图样,故选B。
2.(4分)一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板,在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现将其中一条窄缝挡住,让这束红光只通过一条窄缝,则在光屏上可以看到( )
[A]与原来相同的明暗相间的条纹,只是亮条纹比原来暗些
[B]与原来不相同的明暗相间的条纹,而中央亮条纹变宽些
[C]只有一条与缝宽对应的亮条纹
[D]无条纹,只存在一片红光
【答案】 B
【解析】 单缝衍射图样和双缝干涉图样的中央都出现亮条纹,但衍射图样的中央亮条纹较宽,两侧都出现明暗相间的条纹;干涉图样为等间距的、明暗相间的条纹,而衍射图样两侧为不等间距的明暗相间的条纹且亮度沿两侧迅速减弱。故选B。
3.(6分)(多选)关于衍射光栅,下列说法正确的是( )
[A]衍射光栅是由许多等宽的狭缝组成的
[B]增加狭缝的个数,因衍射条纹的宽度将变宽,所以亮度将会增加
[C]透射光栅中有刻痕的部分相当于透光的狭缝
[D]当光通过光栅时,每个狭缝均起到单缝衍射的作用
【答案】 AD
【解析】 衍射光栅由一系列等距的平行狭缝组成,在透射光栅中刻痕处发生漫反射而不透光,未刻痕的部分相当于透光的狭缝,故C错误,A正确;增加狭缝的个数,衍射条纹的宽度将变窄,亮度将会增加,B错误;当光通过光栅的狭缝时,光线发生衍射现象,D正确。
4.(6分)(多选)做单缝衍射实验和双缝干涉实验时,用激光比普通光源效果更好,图像更清晰。如图甲所示,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。下列说法正确的是( )
[A]做单缝实验时,光强分布如图乙所示
[B]做单缝实验时,光强分布如图丙所示
[C]做双缝实验时,光强分布如图乙所示
[D]做双缝实验时,光强分布如图丙所示
【答案】 AD
【解析】 当做单缝实验时,中间是亮条纹,往两侧条纹亮度逐渐降低,且亮条纹的宽度不等,所以其光强分布如题图乙,A正确,B错误;当做双缝实验时,在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹,所以其光强分布如题图丙,C错误,D正确。
考点二 光的偏振
5.(6分)(多选)关于自然光和偏振光,下列说法正确的是( )
[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都相同,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。
6.(6分)(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,在偏振片Q的后边放上光屏,如图所示。则下列说法不正确的是( )
[A]偏振片Q不动,旋转偏振片P,屏上光的亮度不变
[B]偏振片Q不动,旋转偏振片P,屏上光的亮度时强时弱
[C]偏振片P不动,旋转偏振片Q,屏上光的亮度不变
[D]偏振片P不动,旋转偏振片Q,屏上光的亮度时强时弱
【答案】 AC
【解析】 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或Q,屏上的光强都是时强时弱,故选AC。
考点三 激光
7.(4分)激光被誉为“神奇的光”,关于激光的应用,下列说法正确的是( )
[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]医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光方向性好的特点
[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]由于激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
【答案】 A
【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;医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高即能量大的特点,B错误;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;激光是一种波,只要是波就能发生衍射现象,D项错误。
8.(4分)关于激光与自然光,下列说法不正确的是( )
[A]激光的频率单一,而自然光是含有各种色光频率的光,所以激光的相干性好
[B]自然光是由物质的原子发射出来的,而激光是人工产生的,所以激光不是由物质的原子发射出来的
[C]激光和自然光都具有相同的本质,它们都是由原子的跃迁产生的
[D]相干性好是激光与普通光的根本区别
【答案】 B
【解析】 激光的频率单一,相干性很好,自然光中含有各种频率的光,故A、D正确;激光和自然光都是由原子的跃迁产生的,故B不正确,C正确。
9.(4分)在抽制很细的金属丝的过程中,可以用激光随时监测抽丝的粗细情况。其装置如图甲所示,在抽丝机的细丝出口附近,用一束激光沿与细丝垂直的方向照射细丝,在细丝的另一侧用光屏接收激光。工作人员通过观察光屏上明暗相间亮斑的情况(如图乙所示为沿激光传播方向看到的光屏情况),便可知道抽制出的细丝是否合格。对于这种监控抽丝机的装置,下列说法正确的是( )
[A]这是利用光的干涉现象
[B]这是利用光的偏振现象
[C]如果屏上条纹变宽,表明细丝粗了
[D]如果屏上条纹变宽,表明细丝细了
【答案】 D
【解析】 由题意知条纹的形成类似于单缝衍射,并非运用光的干涉,而是利用光的衍射现象,故A、B错误;由单缝衍射可知,缝变窄时条纹变宽,故如果屏上条纹变宽,表明细丝变细了,故C错误,D正确。
10.(6分)(多选)(2025·广西开学考试)某同学研究液晶显示器的结构时发现,显示器的表面有一层偏光膜,如果将偏光膜撕下,显示器就不能正常显示画面,变得一片纯白,如图所示。下列说法正确的是( )
[A]若转动偏光膜观察屏幕,画面亮度的变化不明显
[B]若转动偏光膜观察屏幕,画面出现明、暗交替的变化
[C]若用撕下的偏光膜做成眼镜,戴上该眼镜能看到正常的画面
[D]若用撕下的偏光膜做成眼镜,戴上该眼镜仍看到纯白的画面
【答案】 BC
【解析】 透过偏光膜看到的光是偏振光,若转动偏光膜观察屏幕,则画面出现明、暗交替的变化,故A错误,B正确;液晶显示器发出的光为偏振光,这种偏振光人眼无法直接识别,偏光膜的作用是将这种偏振光转换为我们可以看到的彩色画面,故用撕下的偏光膜做成眼镜,戴上该眼镜能看到正常的画面,故C正确,D错误。
11.(4分)(2024·浙江湖州期末)图中机器名为便携式激光清障仪,可以用激光修剪树枝上方的树枝,树枝经过激光照射后断裂。下列关于激光说法不正确的是( )
[A]激光是频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光波
[B]激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点
[C]激光测距利用了激光相干性好的特点
[D]光纤通信是利用了激光能被调制,可以用来传递信息的特点
【答案】 C
【解析】 激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点,是人工产生的相干光,具有高度的相干性,故A说法正确;激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点,故B说法正确;激光测距利用了激光平行度好的特点,故C说法不正确;光纤通信是应用激光相干性非常高的特点对信号来进行调制,使其在光导纤维中传递信息,故D说法正确。
12.(6分)(多选)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睛,严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改为偏振玻璃,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车灯发出的光的振动方向垂直,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,下列措施可行的是( )
[A]前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向是水平的
[B]前窗玻璃和前灯玻璃的透振方向都是竖直的
[C]前窗玻璃和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
[D]前窗玻璃和前灯玻璃的透振方向都是斜向左上45°
【答案】 CD
【解析】 若前窗玻璃的透振方向竖直、前灯玻璃的透振方向水平,从车灯发出的照射到物体上反射的光将不能透过前窗玻璃,司机面前将是一片漆黑,所以不可行,故A错误;若前窗玻璃与前灯玻璃的透振方向均竖直,则对面车灯发出的光仍能透过前窗玻璃照得司机睁不开眼睛,所以不可行,故B错误;若前窗玻璃和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°,则对面车灯发出的光无法透进本车车窗内,但自己车灯发出的光经物体反射后却可以透进本车车窗内,本车司机能看清自己车灯发出的光所照亮的物体,也不会被照得睁不开眼,
C可行;同理,D可行,故C、D正确。(共49张PPT)
5 光的衍射
6 光的偏振 激光
[定位·学习目标]
1.通过阅读教材、观察光的衍射现象,认识衍射条纹的特点;通过观察光的偏振现象,知道自然光和偏振光的区别,知道偏振现象的应用,知道光是横波;知道激光的特性,形成物理观念。2.通过观察得出光明显衍射的条件,经历光的衍射实验的过程,体会衍射是波的特性,形成科学思维。3.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。
探究·必备知识
1.光的衍射现象:光通过很窄的狭缝时,光没有沿 传播,它绕过了缝的边缘,传播到 的地方的现象。
2.明显衍射的条件:在障碍物或狭缝的尺寸 时,衍射现象十分明显。
3.各种不同形状的障碍物都能使光发生 ,致使影的轮廓 ,出现 的条纹。
知识点一 光的衍射 衍射光栅
「探究新知」
直线
相当宽
足够小
衍射
模糊不清
明暗相间
4.衍射光栅。
(1)定义:由许多 的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
(2)分类。
①透射光栅;②反射光栅。
(3)衍射图样特点:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度 ,亮度 。
等宽
变窄
增加
正误辨析
(1)光的衍射说明光不能沿直线传播。( )
(2)阳光下茂密的树荫中,地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。( )
(3)隔着帐幔看远处的灯,见到灯周围辐射彩色的光芒,是光的干涉现象。
( )
(4)白光通过盛水的玻璃杯,在适当的角度可看到彩色光,这是光的衍射现象。
( )
(5)衍射现象中也有干涉的成分。( )
×
√
×
×
×
知识点二 光的偏振
「探究新知」
1.偏振
(1)偏振现象:不同的横波,即使传播方向相同, 也可能不同的现象,称为偏振现象。
(2)方向: 的振动方向称为偏振方向。
振动方向
横波
2.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 的方向,沿这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与这个方向垂直的光不能通过,这个偏振方向叫作 方向。
(2)自然光:由太阳以及日光灯、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 的光,而且沿各个方向振动的光波的
都相同。
特定
透振
一切方向振动
强度
(3)偏振光:自然光通过某一偏振片后,在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动的光叫作偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是 光,入射角变化时偏振的程度也有所变化。
偏振
正误辨析
(1)自然光是偏振光。( )
(2)立体电影利用了光的偏振原理。( )
(3)自然光是在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定方向振动的光。
( )
(4)光的偏振表明光是一种横波。( )
×
√
×
√
特点 应用
相干性:激光具有频率 、相位差 、振动方向 的特点,具有高度的相干性。可以被调制,用来传递信息 光纤通信
知识点三 激光的特点及其应用
「探究新知」
激光的特点及应用
相同
恒定
一致
平行度:激光的 非常好,在传播很远的距离后仍能保持一定的强度 激光 ,为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引
亮度高: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;医学上可以用激光做“光刀”;科学上以激光为光源研究物质结构、分子运动和化学反应过程等
平行度
测距
空间
时间
能量
正误辨析
(1)用激光做双缝干涉实验时应用了激光平行度好的特点。( )
(2)利用激光亮度高的特点,可以用激光进行距离测量。( )
×
×
突破·关键能力
要点一 光的衍射
1.光的衍射与光的直线传播的关系
(1)光的直线传播只是一个近似的规律,当障碍物或狭缝的尺寸很大时,衍射现象不明显,光可以看成沿直线传播。
(2)当障碍物或狭缝的尺寸足够小时,光会发生明显的衍射现象。
「要点归纳」
2.三种衍射图样的比较
三种衍射图样如图所示。
(1)单缝衍射。
①单色光通过狭缝时,在屏幕上出现明暗相间的条纹,中央条纹最宽最亮,两侧的亮条纹逐渐变暗变窄;白光通过狭缝时,在屏上出现彩色条纹,中央为白色
条纹。
②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。
(2)圆孔衍射。
①光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
②中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越靠外,圆形亮条纹的亮度越弱,宽度越小。
③圆孔越小,中央亮斑的直径越大,同时亮度越弱。
(3)圆盘衍射(泊松亮斑)。
①若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑。
②中央是亮斑,圆板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,周围的亮环或暗环的间距随半径增大而减小。
3.特别提醒
只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
[例1] (多选)(2024·福建福州期末)某实验小组在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,得到如下四幅图样,下列有关说法正确的是( )
[A]甲是单缝衍射图样
[B]乙是双缝干涉图样
[C]丙是小圆孔衍射图样
[D]丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样
「典例研习」
CD
【解析】 单缝衍射与双缝干涉图样的区别是,前者是中间亮条纹明亮且宽大,越向两侧宽度越小,后者明暗条纹间距相等,则甲是双缝干涉图样,乙是单缝衍射图样,故A、B错误。用单色光照射小圆孔做衍射的实验时,中央较大的区域内是亮的,周围是明暗相间的圆环,条纹间距也不等,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,圆板阴影的边缘是模糊的,在阴影外有不等间距的、明暗相间的圆环,可知丙是圆孔衍射图样,丁是圆板“泊松亮斑”衍射图样,故C、D正确。
要点二 单缝衍射与双缝干涉的比较
「要点归纳」
1.单缝衍射与双缝干涉的比较
项目 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 频率相同、振动步调一致的两列光波相遇叠加
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,两边变暗 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
2.特别提醒
(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。
(2)光波的波长增大时,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。
(3)复色光的衍射或干涉图样,可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。
[例2] 如图所示的四种明暗相间的条纹是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样,以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。在下面的四幅图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是( )
[A]红黄蓝紫 [B]红紫蓝黄
[C]蓝紫红黄 [D]蓝黄红紫
「典例研习」
B
要点三 光的偏振
1.光的偏振现象表明光是一种横波。
2.自然光与偏振光的比较。
「要点归纳」
项目 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,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
[例3] (2024·河北张家口期中)如图所示,让白炽灯发出的光通过偏振片P和Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片P和Q,可以看到透射光的强度会发生变化,这是光的偏振现象。以下说法正确的是( )
[A]仅旋转偏振片P的过程中,透射光的强度一定不会发生变化
[B]仅旋转偏振片Q的过程中,透射光的强度不一定会发生变化
[C]同时旋转偏振片P、Q的过程中,透射光的强度一定会发生变化
[D]仅旋转偏振片P或Q的过程中,透射光的强度一定会发生变化
「典例研习」
D
【解析】 白炽灯发出的光为自然光,通过偏振片P后变成偏振光,旋转偏振片P或Q时,如果通过P的偏振光的振动方向和Q的偏振方向不平行,透射光的强度就会发生变化,故A、B错误,D正确;同时旋转偏振片P、Q的过程中,可能P、Q的透振方向还是相互平行,透射光的强度不会发生变化,故C错误。
·规律方法·
(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射光和折射光。
(2)自然光通过一个偏振片后成为偏振光,偏振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。
(3)偏振光通过偏振片时,透光的强度与光的偏振方向和偏振片的透振方向间夹角大小有关。
要点四 激光
1.激光的产生
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,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。
「要点归纳」
2.激光的特点
(1)单色性好:激光是人工产生的相干光,其单色性好、相干性好。激光的频率单一、颜色纯净。用激光做衍射、干涉实验,效果很好。
(2)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。
[例4] 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]全息照片的拍摄利用了激光易于全反射的特点
[B]由于激光的方向性好,可以用激光来携带信息
[C]激光测距利用了激光相干性好的特点
[D]利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
「典例研习」
D
【解析】 全息照片拍摄是利用了激光的频率单一,即相干性好,能够产生明显的干涉,故A错误;利用激光相干性好,它能像无线电波那样被调制,用来传递信息,故B错误;激光测距利用了激光平行度好的特点,故C错误;利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离,故D正确。
提升·核心素养
偏振光的应用
「核心归纳」
偏振光的应用非常广泛。例如,
(1)在摄影中的应用:在镜头前安装一片偏振滤光片,可以减弱进入镜头的反射光。
(2)电子表的液晶显示屏:在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒,可以控制光线显示数字。
(3)夜晚行车时,车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理。
(4)立体电影也利用了光的偏振原理。
「典例研习」
[例题] (多选)如图所示是立体电影的工作原理图,观众戴上一副特殊的眼镜就能看到由立体电影放出的立体图像。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]产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时,在视网膜上形成的像并不完全相同
BD
【解析】 放立体电影时有左右两架放映机同时工作,在每架放映机前装有一块偏振镜,其偏振方向互相垂直,因此从放映机前偏振镜射出的两束偏振光的偏振方向互相垂直,这两束偏振光经屏幕反射其偏振方向不改变,观众眼睛所戴的偏振眼镜的两只镜片偏振方向互相垂直,且左眼镜片跟左边放映机前偏振镜的偏振方向一致,这样,左眼只能看到左边放映机映出的画面,同理右眼只能看到右边放映机映出的画面,两眼看到的画面略有差别,因而产生立体感。因此B、D说法正确。
检测·学习效果
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,甚至比光波波长还要小的时候,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
AD
【解析】 光的干涉现象和衍射现象都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很多的情况下,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A、D正确。
2.如图所示为光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样。当光通过正四边形小孔时,会在光屏上产生的衍射图样是( )
B
[A] [B] [C] [D]
【解析】 光的衍射是指光在传播过程中,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,根据题目中光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样,可以看出,光通过狭缝(两个边缘)向两边衍射,通过圆孔时,向整个圆周围衍射,可推测光的衍射方向与缝或孔的边缘数有关,所以光通过正四边形小孔时,应向四边衍射,B正确,A、C、D错误。
3.2023年诺贝尔物理学奖颁发给“为研究物质中的电子动力学,而产生阿秒激光的实验方法”方面所做出贡献的三位科学家。下列有关激光的特性及其应用说法正确的是( )
[A]实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光纯净度高
[B]医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的相干性
[C]激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的平行度好
[D]激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的亮度高
A
【解析】 实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光纯净度高,频率单一,相干性好的特点,选项A正确;医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的亮度高,强度大,能量集中的特点,选项B错误;激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高,强度大,能量集中的特点,选项C错误;激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的平行度好,选项D错误。
4.如图所示,甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝
形成的双缝干涉或单缝衍射图样,分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )
[A]甲、乙是光的干涉图样
[B]丙、丁是光的干涉图样
[C]形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短
[D]形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短
A
感谢观看
