第5、6節(jié) 光的衍射 光的偏振 激光

第5、6節(jié)光的衍射

光的偏振

激光核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)認(rèn)識光的衍射、衍射條紋的特點(diǎn)。(2)認(rèn)識光的偏振的特點(diǎn)。(3)掌握激光的特點(diǎn)和各種應(yīng)用?？茖W(xué)探究(1)探究光發(fā)生明顯衍射的條件。(2)觀察光的偏振現(xiàn)象。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任認(rèn)識光學(xué)知識在現(xiàn)代生活和科技等方面的應(yīng)用。一、光的衍射1．實(shí)驗(yàn)觀察

在擋板上安裝一個(gè)______可調(diào)的狹縫，縫后放一個(gè)光屏，用單色平行光照射狹縫。2．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(1)縫比較寬時(shí)，在屏上產(chǎn)生一條與縫寬相當(dāng)?shù)腳__條紋。(2)縫調(diào)到很窄時(shí)，亮條紋亮度_____，但寬度_____，而且還出現(xiàn)了__________的條紋，中央亮條紋較寬。(3)用白光做實(shí)驗(yàn)，得到的條紋是______的，但中央條紋是白色的。寬度亮降低增大明暗相間彩色3．明顯衍射的條件

障礙物或狹縫的尺寸________的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時(shí)就不能說光沿直線傳播了。4．衍射光柵(1)衍射光柵：由許多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學(xué)元件。(2)衍射圖樣特點(diǎn)：與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度______，亮度_____。(3)分類：______光柵和反射光柵。[微點(diǎn)撥]光在沒有障礙物的均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。足夠小變窄增加透射二、光的偏振1．偏振(1)橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向_____，具有偏振現(xiàn)象，質(zhì)點(diǎn)振動方向稱為______方向。(2)縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向在__________上，沒有偏振現(xiàn)象。2．光的偏振(1)研究表明：光是一種______。(2)偏振片：由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，這個(gè)方向叫作“透振方向”。光的振動方向與這個(gè)透振方向_____時(shí)能順利通過偏振片，_____時(shí)不能通過偏振片。垂直偏振同一直線橫波平行垂直(3)自然光：垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個(gè)方向振動的光波的強(qiáng)度都_____。(4)偏振光：自然光透過某一偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，沿著某一特定方向振動的光。3．偏振現(xiàn)象的應(yīng)用照相機(jī)鏡頭前裝一片偏振濾光片，轉(zhuǎn)動濾光片，讓它的透振方向與水面和玻璃表面的反射光的偏振方向_____，就可以減弱反射光進(jìn)入鏡頭。相同垂直三、激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用1．普通光源的特點(diǎn)：發(fā)出的自然光是許多頻率、相位、偏振以及傳播方向各不相同的光的雜亂無章的混合。2．激光：______相同、_______恒定、振動方向一致的光波。3．激光的三個(gè)特點(diǎn)(1)相干性好，頻率單一：可以做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和衍射實(shí)驗(yàn)，可被調(diào)制，用來傳遞信息。(2)平行度非常好：傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度。可用于激光測距。(3)亮度很高：可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量。可用于切割、焊接、打孔等，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”切除腫瘤，也可“焊接”剝落的視網(wǎng)膜。頻率相位差1．用三塊不透光的板，在每塊板的中間各開一個(gè)圓孔，各板所開的圓孔直徑依次變小。裝置如圖甲所示，先用點(diǎn)光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現(xiàn)一個(gè)如圖乙所示的明亮圓形光斑；再換上圓孔較小的那塊板，在屏上會出現(xiàn)如圖丙所示較小的明亮圓形光斑；最后用圓孔最小(直徑約為1mm)的那塊板，在屏上會出現(xiàn)如圖丁所示的明暗相間的條紋。(1)圖乙中的情境是______________現(xiàn)象。(2)圖丙中的情境是______________現(xiàn)象。(3)圖丁中的情境是__________現(xiàn)象。2．通過一塊偏振片觀察電燈、蠟燭、月亮、反光的黑板，當(dāng)以入射光線為軸轉(zhuǎn)動偏振片時(shí)，看到的現(xiàn)象有何不同？提示：通過一塊偏振片去觀察電燈、蠟燭時(shí)，透射光的強(qiáng)弱不隨偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化。因?yàn)闊艄?、燭光都是自然光，沿各個(gè)方向振動的光的強(qiáng)度相同，因此當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)，透射出來的光波的振動方向雖然改變了(肉眼對此不能感覺)，但光的強(qiáng)弱沒有改變。月亮和黑板反射的光是偏振光，它們通過偏振片透射過來的光線的強(qiáng)弱會隨偏振片的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性的變化。光的直線傳播光的直線傳播光的衍射3．激光火箭的體積小，卻可以裝載更大、更重要的衛(wèi)星或飛船，激光由地面激光站或空間激光動力衛(wèi)星提供，通過一套裝置，像手電筒一樣，讓激光束射入火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室，使推進(jìn)劑受熱而急劇膨脹，于是形成一股高溫高壓的燃?xì)饬?，以極大的速度噴出，產(chǎn)生巨大的推力，把衛(wèi)星或飛船送入太空。則激光火箭利用了激光哪些性質(zhì)？

提示：由于激光站與衛(wèi)星相隔距離遠(yuǎn)，為了減少能量損失，必須使激光具有很好的平行度，同時(shí)使用激光的高能量。新知學(xué)習(xí)(一)|三種常見的衍射[任務(wù)驅(qū)動]三種衍射圖樣如圖所示：試判斷三種衍射的類型。提示：a為單縫衍射，b為圓孔衍射，c為泊松亮斑。

[重點(diǎn)釋解]1．單縫衍射

(1)現(xiàn)象：如圖，點(diǎn)光源S發(fā)出的光經(jīng)過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則

光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區(qū)域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳

播而是傳到幾何陰影區(qū)，在AA′、BB′區(qū)出現(xiàn)亮暗相間的條紋，即發(fā)生了

衍射現(xiàn)象。(2)單縫衍射圖樣的四個(gè)特點(diǎn)：①中央條紋亮而寬；②兩側(cè)亮條紋具有對稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱；③波長一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大，單縫不變時(shí)，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大；④白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近白色亮條紋的內(nèi)側(cè)為紫色。2．圓孔衍射(1)現(xiàn)象：圓孔衍射如圖甲所示，當(dāng)擋板AB上的圓孔較大時(shí)，光屏上出現(xiàn)如圖乙中a所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)擋板AB上的圓孔很小時(shí)，光屏上出現(xiàn)如圖乙中b所示的衍射圖樣，出現(xiàn)亮、暗相間的圓環(huán)。(2)圓孔衍射圖樣的兩個(gè)特點(diǎn)①單色光的圓孔衍射圖樣中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環(huán)；越向外，亮環(huán)亮度越低。②白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán)。3．泊松亮斑——障礙物的衍射現(xiàn)象(1)現(xiàn)象：各種不同形狀的障礙物也能使光發(fā)生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個(gè)較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖乙中c所示。(2)障礙物的衍射圖樣的特點(diǎn)：圓形陰影中心有一亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。[典例體驗(yàn)][典例]如圖a、b是由單色光分別入射到a圓孔和b圓孔形成的圖像，由兩圖可以得出

(

)A．a(chǎn)圖是衍射圖像，a孔直徑小于b孔直徑B．a(chǎn)圖是干涉圖像，a孔直徑大于b孔直徑C．b圖是衍射圖像，a孔直徑小于b孔直徑D．b圖是干涉圖像，a孔直徑大于b孔直徑[解析]

因?yàn)楦缮鎴D樣為等寬度亮暗相間的條紋，a圖是衍射圖像，所以B、D錯(cuò)誤；衍射發(fā)生的條件是縫隙寬度小于光的波長才能有清晰的衍射圖像，如果縫隙寬度過大會觀察不到衍射圖像，光會沿直線傳播，根據(jù)圖像信息可知，b圖是光沿直線傳播形成的圖像，所以a孔直徑小于b孔直徑，故A正確、C錯(cuò)誤。[答案]

A/方法技巧/大孔、小孔、小圓盤的區(qū)別(1)大孔光沿直線傳播、不形成衍射條紋。(2)小孔形成明顯的衍射條紋。(3)小圓盤出現(xiàn)泊松亮斑。[針對訓(xùn)練]1．光可以通過小孔形成清晰的明暗相間的衍射圖樣，下列四幅圖片中屬于光的小孔衍射圖樣的是(圖中白色和黑色分別表示明亮和黑暗程度)(

)

解析：小孔衍射條紋的特點(diǎn)是圓形條紋，中心圓形亮條紋大且亮，B項(xiàng)符合這個(gè)特點(diǎn)。

答案：B2．

在一次觀察光衍射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖所示的清晰的明暗相間

圖樣(黑線為暗紋)，那么障礙物應(yīng)是

(

)A．很小的不透明的圓板B．很大的中間有大圓孔的不透明的圓板C．很大的不透明圓板D．很大的中間有小圓孔的不透明的圓板解析：由題圖可知中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越向外，圓環(huán)形亮條紋寬度越窄，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，故D正確；有的同學(xué)誤選為A，要注意很小的不透明的圓板產(chǎn)生的圖樣中心也是亮點(diǎn)，但其周圍有一個(gè)大的陰影區(qū)，在陰影區(qū)的邊緣有明暗相間的圓環(huán)，它與圓孔衍射的圖樣是不同的。答案：D

3．讓太陽光垂直照射一塊遮光板，板上有一個(gè)可以自由收縮的三角形孔，當(dāng)此三角形孔緩慢縮小直至完全閉合時(shí)，觀察在孔后的屏上將先后出現(xiàn)什么現(xiàn)象？并解釋產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因？提示：當(dāng)孔足夠大時(shí)，由于光沿直線傳播，所以屏上首先出現(xiàn)的是三角形光斑，之后隨著小孔的繼續(xù)縮小，出現(xiàn)小孔成像，成的是太陽的像，故為小圓形光斑，隨著小孔的進(jìn)一步縮小，當(dāng)尺寸與光波波長差不多時(shí)，出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，最后隨小孔的閉合而全部消失。新知學(xué)習(xí)(二)|單縫衍射和雙縫干涉的對比[重點(diǎn)釋解]單縫衍射與雙縫干涉的比較名稱項(xiàng)目單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)產(chǎn)生條件只要狹縫足夠小，任何光都能明顯發(fā)生頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列光波相遇疊加條紋寬度條紋寬度不相等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不相等各相鄰條紋等間距亮度中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相等相同點(diǎn)成因都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時(shí)加強(qiáng)或削弱的結(jié)果意義都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波圖樣光波的波長增大，衍射條紋、干涉條紋的寬度都變大。復(fù)色光的衍射或干涉圖樣，可認(rèn)為各單色光單獨(dú)衍射或干涉所成圖樣的疊加。續(xù)表[典例體驗(yàn)][典例]如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍(lán)光各自通過同一個(gè)雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮條紋)。在下面的4幅圖中從左往右排列，亮條紋的顏色依次是

(

)A．紅黃藍(lán)紫 B．紅紫藍(lán)黃C．藍(lán)紫紅黃 D．藍(lán)黃紅紫[答案]

B區(qū)分雙縫干涉圖樣與單縫衍射圖樣的方法(1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的，而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，兩側(cè)的亮條紋逐漸變窄。(2)根據(jù)條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮條紋往兩側(cè)亮條紋的亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮條紋最亮，兩側(cè)的亮條紋逐漸變暗。/方法技巧/[拓展]

(多選)對應(yīng)[典例]的情境，結(jié)合其中藍(lán)光產(chǎn)生的干涉圖樣和黃光產(chǎn)生的衍射圖樣，下列能使條紋變寬的方法是

(

)A．把藍(lán)光換成紫光B．把雙縫干涉儀器中的雙縫間距變小C．把黃光換成紅光D．把單縫的寬度變小[答案]

BCD[針對訓(xùn)練]1．(多選)下列各選項(xiàng)所示的四種明暗相間的條紋，是紅光、紫光分別通過同一個(gè)雙縫干涉儀形成的干涉圖樣和通過同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣。圖中黑色部分代表亮條紋，下列四幅圖中由紅光形成的圖樣是

(

)答案：AD解析：單縫衍射圖樣的中央條紋亮且寬，相鄰條紋間距不等；雙縫干涉圖樣中相鄰條紋間距相等。根據(jù)題目中給出的甲、乙兩種圖樣可知，甲是單縫衍射的圖樣，乙是雙縫干涉的圖樣，A選項(xiàng)正確。答案：A新知學(xué)習(xí)(三)|光的偏振及應(yīng)用[任務(wù)驅(qū)動]立體電影放映時(shí)通過兩臺放映機(jī)，同步放映兩組膠片，觀眾必須戴上特制的“3D眼鏡”觀看，就會產(chǎn)生立體感，使觀眾有身臨其境的體驗(yàn)，若不戴上述眼鏡，則看到銀幕上的畫面就會出現(xiàn)重影而模糊不清。請思考戴上“3D眼鏡”觀看立體電影應(yīng)用了什么原理？提示：應(yīng)用了光的偏振現(xiàn)象。

[重點(diǎn)釋解]1．偏振片和透振方向偏振片由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，只有沿著某個(gè)特定方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫作“透振方向”。說明：光的偏振現(xiàn)象表明光是橫波。2．自然光和偏振光的比較

自然光偏振光成因從光源(如太陽、電燈等)直接發(fā)出的光自然光通過偏振片后就變成了偏振光，反射光、折射光均為偏振光振動方向在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著各個(gè)方向振動在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著某個(gè)特定的方向振動續(xù)表[典例體驗(yàn)][典例]

(多選)如圖所示，P是一偏振片，P的透振方向(用帶箭頭的實(shí)線表示)為豎直方向。下列四種入射光束中哪幾種照射P時(shí)能在P的另一側(cè)觀察到透射光

(

)A．太陽光B．沿豎直方向振動的光C．沿水平方向振動的光D．沿與豎直方向成45°角的方向振動的光[解析]

偏振片只讓沿某一方向振動的光順利通過，當(dāng)偏振片的透振方向與光的振動方向的夾角不為90°時(shí)，有光透過偏振片，但透射光的強(qiáng)度變?nèi)?。太陽光是自然光，光波可沿任何方向振動，所以在P的另一側(cè)能觀察到透射光；沿豎直方向振動的光，振動方向與偏振片的透振方向相同，當(dāng)然也可看到透射光；沿水平方向振動的光，其振動方向與偏振片的透振方向垂直，所以看不到透射光；沿與豎直方向成45°角的方向振動的光，其振動方向與透振方向不垂直，仍可看到透射光。故選項(xiàng)A、B、D正確。[答案]

ABD[針對訓(xùn)練]1．

如圖所示，白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q，A點(diǎn)位

于P、Q之間，B點(diǎn)位于Q右側(cè)。旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點(diǎn)光

的強(qiáng)度變化情況是

(

)A．A、B均不變 B．A、B均有變化C．A不變，B有變化 D．A有變化，B不變解析：白熾燈發(fā)出的光為自然光，通過偏振片P后產(chǎn)生偏振光，旋轉(zhuǎn)P，A處光的強(qiáng)度不變；當(dāng)P與Q的偏振方向一致時(shí)B點(diǎn)光的強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)P與Q的偏振方向垂直時(shí)B點(diǎn)光的強(qiáng)度最弱，所以選項(xiàng)C正確。答案：C

2．在拍攝日落時(shí)水面下的景物時(shí)，應(yīng)在照相機(jī)鏡頭前裝一個(gè)偏振片，其目的是(

)A．減弱反射光，從而使景物的像清晰B．增強(qiáng)反射光，從而使景物的像清晰C．增強(qiáng)透射光，從而使景物的像清晰D．減弱透射光，從而使景物的像清晰解析：由于反射光的干擾，景物的像常常比較模糊，裝上偏振片的目的是減弱反射光，其透振方向與反射光的振動方向垂直，不能增強(qiáng)透射光。答案：A

3．(多選)如圖所示，電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B，人眼在

P處迎著入射光方向，看不到光亮，則

(

)A．圖中a處光為偏振光B．圖中b處光為偏振光C．以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后，在P處將看到光亮D．以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后，在P處將看到光亮解析：自然光通過偏振片后，透射光是沿著某一特定方向振動的光。電燈直接發(fā)出的光為自然光，故A錯(cuò)誤；自然光通過A偏振片后即變?yōu)槠窆?，故B正確；設(shè)通過A的光沿豎直方向振動，因P點(diǎn)無光亮，則B偏振片的透振方向沿水平方向，將B轉(zhuǎn)過180°后P處仍無光亮，若將B轉(zhuǎn)過90°，則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^沿豎直方向振動的光的偏振片，則偏振光能通過B，即在P處有光亮，故C錯(cuò)誤，D正確。答案：BD

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

科學(xué)思維——太陽光的衍射1．

(選自魯科版新教材課后練習(xí))如圖所示，讓太陽光通過窗上的小孔

射進(jìn)漆黑的室內(nèi)，并落在光滑的反射面(如玻璃、瓷碗、鍍鉻器件

或涂有油漆的門窗等)上。這時(shí)，你瞇著眼并迎著反射方向看去，不但能看到反射面上的白點(diǎn)(太陽虛像)，同時(shí)還能看到在它的兩旁出現(xiàn)一排對稱的彩帶，眼縫越細(xì)，這種現(xiàn)象越顯著，請分析原因。提示：這是一種光的衍射現(xiàn)象，光通過眼縫時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，不同色光衍射條紋間距不同，因此，可以看到一排對稱的彩帶，眼縫越細(xì)，衍射現(xiàn)象越明顯。

科學(xué)探究——偏振光的檢測2．(選自粵教版新教材“觀察與思考”)如圖所示，偏振片是

一種由特殊的材料制成的元件，

它有一個(gè)特殊的方向，

叫作透振方向。當(dāng)光的振動方向與透振方向平行時(shí)，光能完全通過偏振片；當(dāng)光的振動方向與透振方向垂直時(shí)，光不能通過偏振片；當(dāng)處于