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（含练习）

第4节　光的偏振
第5节　激光与全息照相
核心素养 物理观念 科学态度与责任
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。 了解激光的应用对人们生活的影响。
知识点一　光的偏振
1.偏振现象
(1)波的偏振：如果横波只沿着某一个特定的方向振动，在物理学上就叫作波的偏振。
(2)偏振片：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)自然光和偏振光
①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大致均匀的光。
②偏振光：通过偏振片的光，振动方向与偏振片的透振方向平行，称为偏振光。
(4)起偏器和检偏器
①起偏器：用于获得偏振光的偏振片。
②检偏器：为了检查通过起偏器的光是不是偏振光，在起偏器后面再放的那一个偏振片。
2.偏振现象的应用
立体电影、照相机镜头前的偏振镜、检查力的分布情况等。
[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)自然光通过偏振片可以获得偏振光。(√)
(4)立体电影应用了光的偏振现象。(√)
只有横波才存在偏振现象，纵波不存在偏振现象。
起偏器和检偏器都是偏振片。
知识点二　激光与全息照相
1.激光：激光是原子受激辐射产生的光。
2.激光的特性
单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。
3.全息照相
全息照相是应用光的干涉实现的。如图所示，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到胶片上，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。
[思考判断]
(1)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好。(√)
(2)探照灯的光束就是激光。(×)
(3)全息照相是利用激光单色性好的特点，发生干涉。(√)
自然界中并不存在激光。
激光笔应用了激光平行度好的特点。
核心要点 　光的偏振及其应用
[问题探究]
如图所示，取一个偏振片P，让阳光通过偏振片P，在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的；在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，会看到什么现象？这说明什么？
答案　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。
偏振片的作用类似于狭缝的作用，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过。当偏振片Q与P的透振方向平行时，穿过Q的光最强；当Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q。
[探究归纳]
1.自然光和偏振光的比较
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
2.对偏振方向与透振方向的理解
透振方向：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，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。
(1)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片。
(2)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间。
[试题案例]
[例1] (多选)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
解析　自然光在垂直于传播方向的平面内，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，故A错误；它通过偏振片A后，即变为偏振光，故B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无光亮，故C错误；以SP为轴将B转过90°后，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，故D正确。
答案　BD
[针对训练1] 如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧。旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是(　　)
A.A、B均不变 B.A、B均有变化
C.A不变，B有变化 D.A有变化，B不变
解析　白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，只有Q与P的透振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光的强度有变化，选项C正确。
答案　C
核心要点 　激光与全息照相
[要点归纳]
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 频率相同，相位一致，相干性很好 激光全息照相、光纤通信
方向性好 激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行的光束 测距和跟踪目标、传递军事情报
亮度高 激光的亮度可比普通光源高出上千倍，强激光甚至可以产生上亿摄氏度的高温 “光刀”、激发热核聚变
[试题案例]
[例2] 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平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应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了激光的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误；医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误。
答案　C
[针对训练2] (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
1.(光的偏振)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.(偏振光)(多选)如图所示，A、B为两偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此时在光屏C上，透射光的强度最大，则下列说法中正确的是(　　)
A.此时A、B的透振方向平行
B.只有将B绕OO′轴顺时针旋转90°，屏上透射光的强度才最弱，几乎为零
C.不论将A或B绕OO′轴旋转90°，屏上透射光的强度都将最弱，几乎为零
D.将A沿顺时针旋转180°，屏上透射光的强度最弱，几乎为零
解析　当A、B两偏振片的透振方向平行时，光屏上的光强度最大；当二者透振方向垂直时，光屏上的光强度最小，几乎为零，由此可知选项A、C正确。
答案　AC
3.(激光的特点)下列说法中正确的是(　　)
A.激光是自然光被放大而产生的
B.激光是原子受激辐射而得到的加强光
C.激光的能量一定大于其他光的能量
D.激光的传播速度比普通光大
解析　激光是由人工产生的光，它是由于原子受到激发而产生的，它具有平行度好、相干性强和亮度高的特点，其传播速度仍然是光速，故B正确。
答案　B
4.(激光的应用)(多选)激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)
A.单色性好 B.平行度好
C.高能量 D.相干性好
解析　由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点。
答案　BC
基础过关
1.(多选)对于自然光和偏振光，以下认识正确的是(　　)
A.从太阳、蜡烛等普通光源直接发出的光是自然光
B.自然光在玻璃表面反射时，反射光和折射光都是偏振光
C.电灯光透过偏振片，偏振片旋转时看到透射光的亮度无变化，说明透射光不是偏振光
D.自然光只有在通过偏振片后才能成为偏振光
解析　太阳、蜡烛等普通光源发出的光为自然光，包括在垂直光的传播方向上沿一切方向振动的光，故选项A正确；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，故选项B正确；由于自然光在各个振动方向上的强度相同，所以旋转偏振片时透射光的亮度不变，即旋转偏振片时亮度不变是因为入射光是自然光，而不是因为透射光不是偏振光，所以选项C错误；偏振现象是很普遍的，而不是只有通过偏振片后才能成为偏振光，平常见到的绝大多数光都是偏振光，故选项D错误。
答案　AB
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正确，A、B错误；但它不一定比普通光的强度大，D错误。
答案　C
3.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
4.(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的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱的。
答案　BD
5.(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错误，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
能力提升
6.(多选)准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光刀，可用于进行近视眼的治疗。用这样的激光刀对近视眼进行手术，手术时间短、效果好、无痛苦。关于这个治疗，以下说法中正确的是(　　)
A.近视眼是物体成像在眼球中的视网膜的前面，使人不能看清物体
B.近视眼是物体成像在眼球中的视网膜的后面，使人不能看清物体
C.激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术
D.激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复
解析　激光手术是物理技术用于临床医学的最新成果。人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体。当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清物体，这就是近视眼，A正确，B错误；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术，C正确；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的凸透镜的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上，D错误。
答案　AC
7.(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是(　　)
A.自然光通过起偏器后成为偏振光，利用检偏器可以检验出偏振光的振动方向
B.立体电影利用了光的偏振现象
C.茶色太阳眼镜利用了光的偏振现象
D.拍摄日落时水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响
解析　起偏器使光成为偏振光，检偏器可检出偏振方向，A正确；光的偏振有广泛的应用，如立体电影、偏振眼镜、液晶显示器、偏振摄影，B、D正确；茶色太阳眼镜是有色镜片，它只能通过与镜片相同颜色的光，以减弱光的透射，没有利用偏振现象，C错误。
答案　ABD
8.(多选)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
9.一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