鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第一册 第5章 第4节　光的偏振 第5节　激光与全息照相学案

第4节　光的偏振
第5节　激光与全息照相
学习目标：1.[物理观念]了解光的偏振现象，知道光是横波．　2.[科学思维]了解偏振光和自然光的区别，知道偏振光在实际生活中的应用．　3.[科学态度与责任]了解激光的特点及其应用．
一、光的偏振
1．偏振现象
(1)偏振：横波只沿着某一个特定的方向振动的现象．
(2)偏振片和透振方向
偏振片是只让某一方向振动的光通过的一种光学元件．通常把这个透光方向称为偏振片的透振方向．
(3)光的偏振现象说明，光是一种横波．
(4)自然光
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，这样的光称为自然光．
(5)偏振光
让自然光通过偏振片，就能获得偏振光．
(6)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．
二、激光与全息照相
1．激光及其特性
(1)激光器
产生激光的装置．
(2)激光及特性
激光是原子受激辐射产生的光，激光光束中所有光子的频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致，所以激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点．
2．激光的应用
(1)激光音乐喷泉
(2)激光扫描条形码
(3)激光测量
(4)激光治疗
3．全息照相
全息照相是应用光的干涉实现的．作为光源的激光被分成两部分：一部分通过凹透镜发散后射至胶片上；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摄的物体．该物体把光反射到胶片上，并与第一束光发生干涉，两束光干涉的结果就在胶片上记录下被拍摄物体的三维图像信息，这就是全息照片．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)自然光是偏振光． (×)
(2)光的偏振现象说明光是横波． (√)
(3)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好． (√)
(4)探照灯的光束就是激光． (×)
2．(多选)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
CD　[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、相干性好、方向性好、亮度高的特点，已深入我们生活各个方面，D正确．]
3．(多选)一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)(　　)
ABD　[自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向平行时能够通过，否则不能通过，所以A、B、D正确．]
激光
激光作为一种人造光源在科研、通讯、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等．激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？
激光干涉仪　　激光切割机　　　激光炮
提示：激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点．
激光的特性及应用
特点 (与普通光相比) 特点内容 应用
单色性好 相干性好 频率单一，相位差恒定，易发生干涉现象，可像无线电波一样调制 激光全息照相、光纤通信、光的干涉
方向性好 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、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
【例1】　关于激光的应用，下列说法正确的是(　　)
A．全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理
B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距
C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息
D．利用激光亮度高，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜
D　[全息照片拍摄是利用了激光的频率单一，相干性好，能够产生明显的干涉，故A错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故B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C错误；利用激光光强度大、能量集中，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确．]
1．激光可以用来进行精确的测距，激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置，它是利用了激光的什么特点(　　)
A．激光具有高度的相干性
B．激光的平行度非常好
C．激光的亮度高
D．激光的单色性好
B　[“激光测距雷达”利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度好，方向性好．故B正确．]
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)
【例2】　(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，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
思路点拨：该题可按如下思路分析：太阳光是自然光?振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过?两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．
BD　[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．]
关于“偏振”的几个注意事项
(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夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．
2．关于自然光和偏振光，下列观点正确的是(　　)
A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能
B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光
C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光
D．自然光和偏振光都能使感光底片感光
D　[振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错；光的偏振现象并不罕见，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，所以B错；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D正确．]
1．物理观念：光的偏振、激光．
2．科学思维：偏振光与自然光的区别、激光的特性．
3．科学态度与责任：立体电影、全息照相.
1．(多选)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
BD　[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．]
2．在拍摄日落时水面下的景物时，应在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是(　　)
A．减弱反射光，从而使景物的像清晰
B．增强反射光，从而使景物的像清晰
C．增强透射光，从而使景物的像清晰
D．减弱透射光，从而使景物的像清晰
A　[由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光．]
3．2016年，科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，下列说法中正确的是(　　)
A．激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光
B．激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉
C．用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环
D．激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息
D　[激光是人造光，也是偏振光，故A错误；激光相干性好，只有频率相同的两束激光才会发生干涉，故B错误；用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故C错误；激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息，故D正确．]
4．将两个偏振片紧靠在一起，把它们放在一盏灯(自然光)前面，眼睛透过偏振片看到灯光很微弱．如果将其中一个偏振片旋转180°，在旋转过程中会观察到的现象是(　　)
A．灯光逐渐增强，然后又逐渐减弱
B．灯光逐渐增强，然后减到零
C．灯光逐渐增强，没有变弱现象
D．灯光逐渐增强，再减弱，然后又增强到较亮
A　[起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过；偏振方向平行时，光强达到最大．当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，然后又逐渐减弱．故A正确，B、C、D错误．]
5．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
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