课件51张PPT。第五章 光的波动性3．光的衍射与偏振
4．激光
光的衍射较宽 亮线 减小 直线传播 明暗相间 小孔 狭缝 明暗条纹
××√光的偏振波动性 透光方向 振动方向 振动方向 线偏振 横
×√√激光的特性及其应用方向性好 单色性好 相干性好 激光全息照相 激光通信
√××点击右图进入…Thank you for watching !3．光的衍射与偏振
4．激光
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.观察光的衍射现象进一步认识光的波动性.
2.了解光明显衍射的条件，了解衍射图样．(重点)
3.观察光的偏振现象，了解自然光与偏振光的区别．(难点)
4.了解激光的特点及其应用，知道激光和自然光的区别.
知识点一| 光的衍射
1．单缝衍射现象
(1)当单缝较宽时，光沿着直线方向通过单缝，在光屏上可以看到一条跟单缝(或圆孔)宽度相当的亮线．
(2)把单缝调窄些，可以看到屏上亮线也随之减小．
(3)当单缝调到很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了直线传播方向，到达屏上以后，不再是一条很窄的亮线，而是照到了相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹；再调小单缝，条纹也随之变得清晰、细小．
2．光的衍射
光在传播过程中遇到障碍物或小孔(狭缝)时，绕过障碍物或通过小孔、狭缝传播到阴影区域的现象．
3．衍射图像
衍射时产生的明暗条纹或光环．
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．菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象． (×)
3．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． (√)
1．白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹有什么共同特点？
【提示】 都是中央为白色条纹，两侧为彩色条纹．
2．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象可能发生，也可能不发生，这种说法对吗？
【提示】 不对．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象只有明显与不明显之分，无发生与不发生之别．
1．三种衍射图样的比较
(1)单缝衍射图样(如图所示)
单色光衍射 白光衍射
①中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小．
②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．
④用白光做单缝衍射时，中央亮条纹仍然是最宽最亮的白条纹．
(2)圆孔衍射图样
①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．
如图所示．
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．
③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．
⑤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，光屏上依次得到几种不同的现象——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)．
(3)不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)(如图所示)
①中央是亮斑．
②周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小．
2．单缝衍射与双缝干涉的异同点
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
频率相同的两列光相遇叠加
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
清晰条纹，亮度基本相等
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
1．在单缝衍射实验中，下列说法正确的是( )
A．将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄
B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
E．条纹间距与单缝到屏的距离无关
【解析】 当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大，A、C正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大，B错误；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，D正确，E错误．
【答案】 ACD
2．如图甲、乙所示，是单色光通过窄缝后形成明暗相间的两种条纹图样，________为单缝衍射的图样，________为双缝干涉的图样．
【解析】 甲图中的条纹宽度不等，中央宽，两侧窄，应为单缝衍射图样．乙图中的条纹等宽等距，应为双缝干涉图样．
【答案】 甲 乙
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：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄．
2．根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．
知识点二| 光的偏振
1．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性．
2．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，只有沿这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫作透光方向．
3．线偏振光：光的振动方向限在一个平面内的光．
4．自然光：通常光源发出的光是由大量的振动方向不同而互不相干的线偏振光组成．
5．光的偏振现象证明光是横波．
1．凡是波都有偏振现象． (×)
2．反射可以引起自然光的偏振． (√)
3．拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象． (√)
1．自然光和偏振光的主要区别是什么？
【提示】 在垂直于传播方向的平面内，自然光沿所有方向振动，偏振光沿某一特定方向振动．
2．自然光经水面反射的光一定是偏振光吗？
【提示】 经水面反射和折射的光都是偏振光．
1．几个概念
(1)自然光——沿各个方向均匀分布振动的光．
(2)偏振光——沿着特定方向振动的光．
(3)起偏器——自然光通过后变为偏振光的偏振片．
(4)检偏器——检测投射光是否为偏振光的偏振片．
2．偏振原因
光是横波，是电磁波，电场强度E和磁感应强度B的振动方向均与波传播的方向垂直，所以光有偏振现象．
(1)自然光经过反射或折射后会变成偏振光，如自然光射到两介质分界面时同时发生反射和折射(反射角和折射角之和为90°时)，反射光线和折射光线是光振动方向互相垂直的偏振光．
(2)光波的感光作用主要是由电场强度E引起的，因此常将E的振动称为光振动．在与光传播方向垂直的平面内，光振动的方向可以沿任意的方向，光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光，光振动沿着特定方向的光就是偏振光．
3．偏振光的两种产生方式
(1)让自然光通过偏振片．
(2)自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．
3.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
E．偏振现象表明光是横波
【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．故正确答案为B、D、E.
【答案】 BDE
4．电子表的显示屏利用了液晶的旋光性，当液晶上不加电压时，偏振光通过液晶时偏振方向会旋转90°，这就是液晶的旋光性；如果在液晶上加上电压，则旋光性消失．有一种电子表的显示屏是透明的，而在显示数字的笔画处不透光，则上下两个偏振片的透振方向相互________；笔画处为________电极，因此加上电压时变为________的．
【解析】 假设光从下向上传播，光线通过下偏振片时成为偏振光，如果不加电压，偏振光通过液晶时偏振方向旋转90°，此时光线能透过上偏振片，可知上偏振片的透振方向应与此时偏振光的偏振方向相同，即与下偏振片的透振方向垂直；组成数字的笔画处有时透明，有时不透明，可知笔画处为透明电极，当加上电压时液晶旋光性消失，光线不能透过．
【答案】 垂直 透明 不透明
1．偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．
2．偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝．
3．光的偏振现象说明光是一种横波．
4．自然光透过偏振片可以变成偏振光．
5．当偏振片的偏振方向与光的偏振方向的夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．
知识点三| 激光的特性及其应用
1．激光的特性体现在以下几个方面：强度大、方向性好、单色性好、相干性好、覆盖波段宽而且可调谐．
2．激光的应用：根据激光的特性，在工、农、科技及社会各方面有广泛应用，体现在以下几方面：激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘等方面．
1．激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点． (√)
2．激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好． (×)
3．全息照相技术只能记录光波的强弱信息． (×)
1．利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光哪方面的性质？
【提示】 应用了“平行度”非常好的性质．
2．在演示双缝干涉的实验时，常用激光作光源，这主要是应用激光的什么特征？
【提示】 应用了激光单色性好的特性．
激光的应用与对应的特性
特点
性质
应用
强度大
可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
激光加工激光医学
方向性好
激光的平行度非常好、传播很远的距离而不发散，仍能保持其高能量
激光测距、雷达激光检测、光盘
单色性好
激光的频率范围较窄、颜色几乎是相同的
激光照排
相干性好
激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向相同的特点
干涉、衍射光源激光全息照相
覆盖波段宽且可调谐
用不同的激光器可获得从X射线到远红外波段的激光，且像无线电波一样进行调制
激光通信
5．对于激光的认识，以下说法正确的是( )
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．激光已经深入我们生活的各个方面
E．激光具有单色性好、方向性好、亮度高的特点
【解析】 普通光源不能产生激光，A错误；激光要通过人工控制才能产生，B错误，C正确；激光具有单色性好、方向性好、亮度高的特点，已深入我们生活各个方面，D、E正确．
【答案】 CDE
6．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
激光的特点
1．激光首先是光，激光遵循光的一切规律，如折射、反射、衍射、干涉等．
2．激光是一种新型光源，具有一般光源所不具备的特点，如单色性好、方向性强、亮度高等．
3．针对激光的每一个特点，都有很多方面的应用．
课时分层作业(十九)
(建议用时：45分钟)
[基础达标练]
1．对衍射现象的定性分析，正确的是( )
A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象
B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果
C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据
D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论
E．衍射现象说明光是一种横波
【解析】 衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看做是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误．一切波都可以发生衍射现象，选项E错误．
【答案】 ABC
2．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同
B．偏振光是垂直于传播方向上，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
E．只有横波才会发生偏振现象
【解析】 自然光沿各振动方向的光波的强度相同，A错误；偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，B正确；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，C错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D正确．由偏振原理知E正确．
【答案】 BDE
3．下列情况中能产生明显衍射现象的是( )
A．光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多
B．光的波长与孔或障碍物的尺寸可相比
C．光的波长等于孔或障碍物的尺寸大小
D．光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多
E．用红光做实验时未观察到明显的衍射现象，现用绿光替代红光做实验
【解析】 发生明显衍射的条件是障碍物、缝、孔的尺寸与光的波长差不多或更小．
【答案】 ABC
4.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
E．以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮
【解析】 该题考查了对自然光、偏振光的特点的认识．自然光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，则A错．它通过偏振片A后，变为偏振光，则B对．设通过A的光沿竖直方向振动，当偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光时，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，D对．同理可知E对．
【答案】 BDE
5．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，如下措施中不可行的是( )
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．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的
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°
E．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向左上45°
【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A错；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睛，B错；若前窗玻璃的透振方向斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透振进本车车窗内，却可以透振进对面车窗内，C错．D、E是可行的．
【答案】 ABC
6．关于波动，下列说法正确的是( )
A．各种波均会发生偏振现象
B．用白光做单缝衍射与双缝干涉实验，均可看到彩色条纹
C．声波传播过程中，介质中质点的运动速度等于声波的传播速度
D．已知地震波的纵波波速大于横波波速，此性质可用于横波的预警
E．各种波均会发生干涉和衍射现象
【解析】 只有横波才有偏振现象，A错；白光是复色光，其中各单色光的波长不同，导致条纹间距不同，B正确；波的传播过程中，介质中质点的运动速度是变化的，而波的传播速度在同一均匀介质中是匀速的，且波的传播是指振动形式的传播，C错；因为地震波的纵波波速大于横波波速，所以两波传到同一地点有时间差，可用于横波的预警，D正确．干涉、衍射都是波特有的现象，E对．
【答案】 BDE
7．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
E．激光可以用来拍摄立体电影
【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．立体电影应用的是光的偏振现象，E错误．
【答案】 ACD
8．点光源照在一个剃须刀片上，在屏上形成了它的影子，其边缘较为模糊，原因是光的________．
【解析】 在刀片边缘有部分光绕过障碍物进入到阴影中去，从而看到影子的边缘模糊，光绕过障碍物偏离直线传播是光的衍射．
【答案】 衍射
[能力提升练]
9．某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是( )
A．若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行
B．若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与狭缝垂直
C．衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关
D．衍射条纹的间距与光的波长有关
E．波长越小，衍射条纹间距越大
【解析】 若狭缝与线状白炽灯平行，衍射条纹与狭缝平行则现象明显；衍射条纹的疏密程度与缝宽有关，缝宽越小，条纹越疏；条纹间距与波长有关，波长越长，间距越大．
【答案】 ACD
10．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平行度好的特点来进行的
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
E．全息照相应用了激光相干性好的特点
【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正确；医学中用激光作“光刀”利用了激光的亮度高的特点，故C正确；激光测距是利用了激光的平行度好，D错误；全息照相应用了激光相干性好的特点，E正确．
【答案】 BCE
11．激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理．用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度与二次曝光时间间隔的乘积等于双缝间距．实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏的距离l以及相邻两条亮纹间距Δy.若所用激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是________．
【解析】 设双缝间距为d.由d＝v·Δt，Δy＝λ，则v＝＝.
【答案】 v＝
12．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光为一个(列)光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11 s，波长为694.3 nm，发射功率为1.0×1010 W，求：
(1)每列光脉冲的长度是多少？
(2)用这种红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60 J以后，色斑便逐渐消失，一块色斑的面积为50 mm2，则它要吸收多少个(列)红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
【解析】 (1)光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲长度Δl＝c·Δt＝3×108×1.0×10－11 m＝3.0×10－3 m.
(2)面积为1 cm2的色斑吸收的能量E＝60 J，色斑便逐渐消失．而1个光脉冲的能量为
ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11 J＝0.1 J
消除50 mm2的色斑需要光脉冲数为
n＝＝＝300(个)．
【答案】 (1)3.0×10－3 m (2)300 个
