精品导学物理选修34讲义浙江专版第十三章 光 56Word版.docx
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精品导学物理选修34讲义浙江专版第十三章光56Word版
5 光的衍射
6 光的偏振
知识内容
考试要求
光的衍射
b
光的偏振
b
课时要求
1.了解光的衍射现象,知道光产生明显衍射现象的条件以及衍射条纹的特点.2.会用激光笔和光传感器做单缝衍射实验,能区分干涉条纹和衍射条纹.3.知道光的偏振现象,了解自然光与偏振光的区别以及偏振的简单应用.知道光的偏振现象证明了光是横波.
一、光的衍射
[导学探究] 让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上,逐渐减小两个卡脚之间的距离,使缝越来越小,观察照在屏幕上光斑现象的变化.缝宽大约多大时屏幕上出现条纹?
缝间距越小时,条纹有什么变化?
用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔,用眼睛通过小孔观察太阳光,会观察到什么现象?
答案 大约0.4mm时会出现条纹,当缝间距变小时,屏幕上条纹间距逐渐变宽,但亮度逐渐减弱.会观察到中央为亮圆,周围为彩色的圆环.
[知识梳理] 对光的衍射的认识
1.光的衍射
当光照射到孔或障碍物上时,光离开直线路径绕到孔或障碍物的阴影里去的现象,叫做光的衍射现象.
2.光产生明显衍射现象的条件
当障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比,甚至比光的波长还小的时候,就会产生明显的衍射现象.
3.衍射图样的特点
(1)单缝衍射图样的特点:
①中央条纹亮而宽,两侧亮条纹具有对称性,亮条纹宽度逐渐变窄,亮度逐渐减弱.
②光的波长一定时,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.
③白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮条纹,两侧为彩色条纹.
(2)圆孔衍射图样的特点:
①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度高,外面是明暗相间的不等距(填“等距”或“不等距”)的圆环,越向外,亮环亮度越低.
②白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色,周围是彩色圆环.
(3)泊松亮斑:
障碍物的衍射现象
①在单色光传播途中,放一个较小的不透光的圆形障碍物,会发现在阴影中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑.
②图样特点:
中央是一个亮斑,圆形障碍物阴影的边缘模糊,阴影外边有明暗相间的圆环.
二、光的偏振
[导学探究]
1.取一根软绳,一端固定在墙上,手持另一端上下抖动,软绳上形成一列横波,质点在竖直平面内沿着上下方向振动.如果手持绳的一端左右抖动,会在绳上形成另一列横波,质点在水平面内沿着左右方向振动.
现在让软绳穿过一块带有狭缝的木板,分别将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置,观察发生的现象(如图1甲、乙所示).
如果将这根软绳换成细软的弹簧,前后推动弹簧形成纵波,观察发生的现象(如图丙所示).
这两种现象说明什么?
图1
答案 当机械波是横波时,若质点的振动方向与狭缝平行,则机械波能透过狭缝传播,反之则不能透过狭缝传播.对纵波而言,不管什么情况,纵波总能透过狭缝传播.
2.如图2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?
图2
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.
[知识梳理] 对偏振现象的认识
1.自然光和偏振光
(1)自然光:
太阳、电灯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,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同,这种光叫自然光.
(2)偏振光:
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偏振光.平时看到的绝大部分光,都是不同程度的偏振光,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变化.
2.偏振片和透振方向
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,这个方向叫做“透振方向”.
3.光的偏振现象表明光是一种横波.
[即学即用] 判断下列说法的正误.
(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的,所以二者是一样的.(×)
(2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象.(×)
(3)横波和纵波都能产生偏振现象.(×)
(4)自然光通过偏振片可以获得偏振光.(√)
一、光的衍射
1.衍射现象是否明显方面:
入射光波长越长,障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显.
2.衍射条纹的亮度方面:
小孔和狭缝的尺寸越小,衍射条纹的亮度越小.
例1
关于光的衍射现象,下列说法正确的是( )
A.红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹
B.白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹
C.光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑,说明发生了衍射
D.光照到较大圆孔上出现大光斑,说明光沿着直线传播,不存在光的衍射
答案 AC
解析 红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹,白光的衍射图样是彩色条纹,光照到不透明小圆盘上,在其阴影中心处出现亮点,是衍射现象,光的衍射现象只有明显与不明显之分,D项屏上大光斑的边缘模糊,正是光的衍射造成的,不能认为不存在衍射现象.
针对训练1 观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2mm逐渐增大到0.8mm,看到的现象是( )
A.衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显
B.衍射条纹的间距逐渐变大,衍射现象越来越明显
C.衍射条纹的间距不变,只是亮度增强
D.以上现象都不会发生
答案 A
解析 由单缝衍射实验的调整与观察可知,狭缝宽度越小,衍射现象越明显,衍射条纹越宽,条纹间距也越大,本题是将缝调宽,现象向相反的方向变化,故选项A正确,B、C、D错误.
二、单缝衍射与双缝干涉的比较
1.不同点
(1)产生条件
(2)图样
2.相同点
(1)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.
(2)都是波特有的现象,表明光是一种波.
例2
如图3所示的四幅明暗相间的条纹,分别是红光、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(黑色部分表示亮条纹).则在下面的四幅图中从左到右排列,亮条纹的颜色依次是( )
图3
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 双缝干涉条纹平行等距,且波长越长,条纹间距越大,而红光波长比蓝光波长长,故第一幅图为红光,第三幅图为蓝光;又由于黄光波长比紫光波长大,故第四幅图为黄光的衍射图样,第二幅图为紫光的衍射图样.
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,从中央亮条纹到两侧亮度变化很小;而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮,两侧的亮条纹逐渐变暗.
针对训练2 如图4(a)所示是做双缝干涉实验的示意图.先做操作1:
用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ;接着再做操作2:
用不透明的挡板挡住b缝.若两块滤光片一块是红色,一块是蓝色,则( )
图4
A.完成操作1后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是红色条纹,乙是蓝色条纹
B.完成操作1后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是蓝色条纹,丁是红色条纹
C.完成操作2后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是蓝色条纹,乙是红色条纹
D.完成操作2后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是红色条纹,丁是蓝色条纹
答案 AD
解析 题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹,是干涉图样,再根据条纹宽度的有关因素分析即可.题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹,是衍射条纹,再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可.操作1是双缝干涉实验,故条纹间距相等,光屏上出现题图(b)图案,由图案知甲的波长大于乙的波长,故甲为红色条纹,乙为蓝色条纹,A正确;操作2是单缝衍射,条纹间距不相等,光屏上为题图(c)图案,再结合波长关系可知D正确.
三、光的偏振
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.
例3
如图5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( )
图5
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
答案 BD
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;它通过偏振片A后,即变为偏振光,故B对;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;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处将看到光亮,故D对.
1.(光的衍射)对光的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继续传播的现象
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
答案 ABC
解析 根据光的衍射现象的定义可知选项A正确;衍射图样中有亮、暗条纹,这是光波相互叠加的结果,加强区为亮条纹,减弱区为暗条纹,选项B正确;因为衍射也是波特有的现象,所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据,选项C正确;当障碍物较大时,光的衍射很弱,光几乎沿直线传播,即光的直线传播只是特殊情况下的近似,二者是统一的,选项D错误.
2.(光的衍射)让烛光照射到一块遮光板上,板上有一个可自由收缩的三角形孔,当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时,则在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)是( )
A.三角形光斑 倒立的烛焰 明暗相间的圆环
B.三角形光斑 圆形光斑 倒立的烛焰
C.倒立的烛焰 圆形光斑 明暗相间的圆环
D.三角形光斑 明暗相间的圆环 倒立的烛焰
答案 A
解析 当三角形孔较大时,屏上出现一个三角形光斑,如图甲所示,随着三角形缓慢地收缩,光斑逐渐变小;当三角形孔小到一定程度时,屏上会出现倒立的烛焰,如图乙所示;继续使三角形孔缓慢收缩,可以观察到小孔衍射图样;当孔闭合时,屏上就会一片黑暗.
3.(单缝衍射与双缝干涉的比较)(2017·宁波效实中学高二第二学期期中)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,图象更清晰.如图6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( )
图6
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
4.(光的偏振)(2017·嘉兴一中高二第二学期期中)让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q,如图7所示,此时可在屏上看到明显的亮光.以光的传播方向为轴旋转下列仪器,最有可能看到操作前后因透射光的强度发生变化,引起光屏亮度改变的是( )
图7
A.沿光的传播方向看P顺时针转动90°
B.沿光的传播方向看P顺时针转动180°
C.沿光的传播方向看光源顺时针转动90°
D.沿光的传播方向看光屏顺时针转动180°
答案 A
一、选择题
考点一 光的衍射
1.在单缝衍射实验中,下列说法正确的是( )
A.其他条件不变,将入射光由黄色换成绿色,衍射条纹间距变窄
B.其他条件不变,使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄
C.其他条件不变,换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽
D.其他条件不变,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽
答案 ACD
解析 当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,条纹间距也越宽,黄光波长大于绿光波长,所以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,衍射条纹间距越宽,B错误;当光的波长一定,单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距会变宽,D正确.
2.沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象,发生沙尘暴时能见度只有几十米,天空变黄发暗,这是由于在这种情况下( )
A.只有波长较短的一部分光才能到达地面
B.只有波长较长的一部分光才能到达地面
C.只有频率较高的一部分光才能到达地面
D.只有频率较低的一部分光才能到达地面
答案 BD
解析 根据光发生明显衍射现象的条件知,发生沙尘暴时,只有波长较长的一部分光能到达地面,据λ=
知,到达地面的光是频率较低的一部分光,故选项B、D正确.
3.(2018·金华高二检测)抽制细丝时可用激光监控其粗细,如图1所示.激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生的条纹规律相同,则( )
图1
A.这是利用光的干涉现象
B.这是利用光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗了
D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细了
答案 BD
解析 由题图图样可知,这是利用了光的衍射现象,当丝变细时(相当于狭缝变窄)条纹间距变宽,B、D选项正确.
4.某同学使用激光器做光源,在不透光的挡板上开一条宽度为0.05mm的窄缝,进行光的衍射实验,如图2所示,则他在光屏上看到的条纹是( )
图2
答案 B
解析 单缝衍射条纹中间宽,两侧越来越窄,又由于单缝是水平的,故衍射条纹也是水平的,B对.
考点二 单缝衍射与双缝干涉的比较
5.关于衍射,下列说法中正确的是( )
A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果
B.双缝干涉中也存在着光的衍射现象
C.一切波都很容易发生明显的衍射现象
D.影子的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实
答案 AB
6.如图3所示,a表示单缝,b表示双缝,用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝,在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示亮条纹),则( )
图3
A.图c表示单缝衍射条纹,图d表示双缝干涉条纹
B.单缝S越宽,越容易观察到对应的明暗条纹
C.双缝间距越小,对应条纹间距越大
D.照射双缝的单色光波长越短,对应条纹间距越大
答案 C
解析 根据单缝衍射条纹间距不等,而双缝干涉条纹间距相等,则有题图c表示双缝干涉条纹,题图d表示单缝衍射条纹,故A错误;根据发生明显衍射现象的条件可知,当单缝S越窄时,越容易观察到对应的明暗条纹,故B错误;在双缝干涉中,干涉条纹的间距Δx=
λ,由公式可得,条纹间距与波长λ、缝与屏之间的距离l成正比,与双缝间的距离d成反比,故C正确,D错误.
7.一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
8.(2017·嘉兴一中高二第二学期期中)在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样,图4的四幅图中属于光的单缝衍射图样的是( )
图4
A.a、cB.b、cC.a、dD.b、d
答案 D
解析 单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮,双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹,所以a是干涉条纹,b、d是单缝衍射条纹,c是水波的衍射图样.
考点三 光的偏振
9.如图所示,一束自然光通过起偏振器照射到光屏上,则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透振方向)( )
答案 ABD
解析 自然光通过起偏振器后成为偏振光,当偏振光的振动方向与起偏振器的透振方向平行时能够通过,垂直时不能通过,所以A、B、D正确.
10.光的偏振现象说明光是横波,下列现象中能反映光的偏振特性的是( )
A.一束自然光相继通过两个偏振片,以光束为轴旋转其中一个偏振片,透射光的强度发生变化
B.一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时,反射光线是偏振光
C.日落时分,拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振片,可以使景象更清晰
D.通过手指间的缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹
答案 ABC
解析 自然光通过第一个偏振片后形成单一振动方向的偏振光,再通过第二个偏振片时,若偏振片的透振方向与此偏振光的振动方向垂直,则无光透过第二个偏振片,若二者平行则透射光最强,故选项A反映了光的偏振特性;一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光线与折射光线垂直时,反射光线和折射光线都是偏振光且偏振方向垂直,选项B反映了光的偏振特性;拍摄水中景物或玻璃橱窗中景物时,由于水或玻璃表面反射光较强,使所拍摄景物不清晰,在照相机镜头前装上偏振片,使其透振方向与反射光的偏振方向垂直,则能有效防止反射光进入照相机,从而使景象更清晰,选项C反映了光的偏振特性;选项D中通过手指间的缝隙观察日光灯,看到彩色条纹是光的衍射现象.
11.(2017·宁波市效实中学高二期中)利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度,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.如图5所示,S是自然光源,A、B是偏振片,转动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( )
图5
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,偏振片B转过的角度等于θ
D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光的强度最大,偏振片A转过的角度等于θ
答案 ACD
12.如图6所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置,一束偏振光射入光纤,由于温度的变化,光纤的长度、芯径、折射率发生变化,从而使偏振光的振动方向发生变化,光接收器接收的光强度就会变化.设起偏振器和检偏振器透振方向相同,关于这种温度计的工作原理,正确的说法是( )
图6
A.到达检偏振器的光的振动方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越大
B.到达检偏振器的光的振动方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越大
C.到达检偏振器的光的振动方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小
D.到达检偏振器的光的振动方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小
答案 B
解析 根据题意知,温度变化越大,光通过光纤时振动方向变化越大,起偏振器和检偏振器的透振方向是相同的,光从光纤中通过时振动方向变化越大,透过检偏振器的光强度就会越小,所以光接收器接收的光强度也就会越小,因此选项B正确.
二、非选择题
13.(综合考查)某同学自己动手制作如图7所示的装置观察光的干涉现象,其中A为单缝屏,B为双缝屏,整个装置位于一暗箱中,实验过程如下:
图7
(1)该同学用一束太阳光照射A屏时,屏C上没有出现干涉条纹;移去B后,在屏上出现不等间距条纹,此条纹是由于______________产生的.
(2)移去A后,遮住缝S1或缝S2中的任一个,C上均出现一窄亮斑,出现以上实验结果的主要原因是______________________________________.
(3)若光通过缝S1或缝S2后在C上依次出现如图8甲、乙、丙、丁所示条纹,说明了什么?
________________________________________________________________________.
图8
答案
(1)光的衍射
(2)双缝S1、S2太宽 (3)缝S1或缝S2越来越窄
解析
(1)移去B后只剩下单缝,故发生单缝衍射现象形成条纹,故此条纹是由于光的衍射产生的.
(2)没有出现明暗相间的条纹而只出现一个窄亮斑,说明衍射现象不明显,故主要原因是双缝S1、S2太宽.
(3)从四张单缝衍射图样可以看出,由题图甲到题图丁,衍射现象越来越明显,说明缝S1或S2越来越窄.
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