高中物理第4章光的波动性43光的衍射44光的偏振与立体电影学案沪科版选修34.docx

高中物理第4章光的波动性43光的衍射44光的偏振与立体电影学案沪科版选修34.docx

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高中物理第4章光的波动性43光的衍射44光的偏振与立体电影学案沪科版选修34

4.3　光的衍射

4.4　光的偏振与立体电影

[学习目标]1.认识光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件及衍射条纹的特点.2.了解衍射光栅及它产生衍射时的图样特点.3.认识光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，了解偏振现象在生产与生活中的一些应用，如立体电影、液晶显示屏等．

1．光的衍射：

光在传播过程中遇到障碍物时，绕过障碍物偏离直线传播的现象．

2．产生衍射现象的原因：

单缝衍射是来自单缝的光波波阵面上无穷多个子波的相干叠加．从本质上讲，干涉和衍射并没有区别，但一般来说，人们常把几个分立光束的相干叠加叫做干涉；而把波阵面无穷多个子波的相干叠加叫做衍射．

3．衍射光栅

（1）光栅：

许多等宽的狭缝等距离地排列的光学元件．

（2）光栅衍射的图样：

是许多平行的明暗相间的条纹，减小缝间距离，则条纹间距增大；增多缝数，明暗条纹变得更为清晰．

4．自然光和偏振光

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）

5．立体电影的原理

人们观察物体时，产生立体感的主要原因是两眼的视差．

在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像．在放映时，两个放映机每个镜头上各放一个偏振片，如图1所示，两个偏振片的透振方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的透振方向与左面放映机上的偏振方向相同，右眼偏振片的透振方向与右面放映机上的偏振方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体感的影像了．

图1

6．液晶显示屏应用了光的偏振现象，它的分辨率高，寿命长，功耗低，没有X射线和电磁辐射．

一、光的衍射

[导学探究]

1．将双缝干涉仪上的双缝撤去，留下单缝，我们用测微目镜观察屏上的图样时，仍能看到明暗相间的条纹，这种条纹与双缝干涉图像相同吗？

它有什么明显特点？

答案　不相同，它明显的特点是中央亮条纹最宽最亮，两侧条纹对称且逐渐变窄变暗．

2．根据单缝由宽变窄的规律更换单缝屏，我们会观察到屏上的条纹有什么变化？

答案　单缝越窄，得到的条纹宽度、条纹间距都越大．

[知识深化]

1．产生明显衍射现象的条件

在障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还要小的时候，就会出现明显的衍射现象．

2．三种衍射现象

（1）单缝衍射：

单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．

（2）圆孔衍射：

光通过小孔（孔很小）时在屏幕上会出现明暗相间的圆环．

（3）泊松亮斑：

圆形障碍物的衍射现象．

各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清．若在单色光传播路径中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．

3．光的衍射现象和光的直线传播的关系

光的直线传播只是一个近似的规律，当光的波长比障碍物或小孔小的多时，光可以看成沿直线传播；当小孔或障碍物尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射现象就十分明显．

[延伸思考]

衍射现象明显就是衍射条纹更亮吗？

答案　衍射现象明显是指光绕到阴影区域的范围更大，随着缝、孔的减小，衍射条纹的宽度增大，但条纹亮度减弱．

例1

　对于单缝衍射现象，下列说法正确的是（　　）

A．缝的宽度d越小，衍射条纹越亮

B．缝的宽度d越小，衍射现象越明显

C．缝的宽度d越小，光的传播路线越接近直线

D．入射光的波长越短，衍射现象越明显

答案　B

解析　单缝宽度越小，衍射条纹的亮度越小，选项A错；入射光的波长越长，单缝宽度越小，衍射现象越明显，选项B对，D错；缝的宽度d越小，光没有沿直线传播，而是绕过了缝的边缘，传播到相当宽的地方，C错．

二、单缝衍射与双缝干涉的比较

[导学探究]　单缝衍射和双缝干涉得到的都是明暗相间的条纹，如何区别它们？

答案　它们的主要区别是：

单缝衍射的条纹宽度不等，中央最宽，条纹间距不等；双缝干涉的条纹宽度相等，条纹间距相等．

[知识深化]　单缝衍射与双缝干涉的比较

两种现象

比较项目　

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

频率相同的两列光波相遇叠加

条纹宽度

条纹宽度不等，中央条纹最宽

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

亮度情况

中央条纹最亮，两边变暗

条纹清晰，亮度基本相等

相

同

点

成因

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

条纹的

变化　

缝越窄，条纹宽度、条纹间距越大；波长越长，条纹宽度、条纹间距越大

意义

都是波特有的现象，表明光是一种波

例2

　如图2所示的4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2

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，且波长越大，条纹间距越大，而红光波长大于蓝光波长，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，第二幅为紫光的衍射图样．

三、光的偏振

[导学探究]　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3甲、乙所示）．

如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，观察发生的现象（如图丙所示）．

图3

这两种现象说明什么？

答案　当机械波是横波时，若质点的振动方向与狭缝平行时，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．

[知识深化]

1．横波、纵波的判定方法

（1）直接看质点的振动方向与波传播方向的关系．若相互垂直，为横波；若在同一直线上，为纵波，这种方法适用于可看得见质点振动方向的机械波．

（2）看波能否通过两个相互垂直且共线的“狭缝”，能通过两个“狭缝”的为纵波，不能通过的为横波．（填“能”或“不能”）

2．感知光的偏振现象

通过偏振片P的偏振光在通过偏振片Q时，如果两个偏振片的透振方向平行，则通过P的偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向一致，透射光的强度最强．如果两个偏振片的透振方向垂直，则通过P的偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向垂直，偏振光不能通过Q，透射光的强度为零．如图4所示．

图4

3．光的偏振现象表明，光是一种横波．

例3

　（多选）奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α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处光强度最大，偏振片B转过的角度等于α

D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α

答案　ACD

解析　因为A、B的偏振方向一致，故A、B间不放糖溶液时，自然光通过偏振片A后，变成偏振光，通过B后到达O.当在A、B间放糖溶液，由于溶液的旋光作用，使通过A的偏振光振动方向转动了一定角度，不能再通过B，A对，B错．但当B转过一个角度，恰好使偏振片方向与经

过糖溶液后的偏振光振动方向一致时，O处光强为最强，故B的旋转角度即为糖溶液的旋光度．所以C对．同理D也对．

针对训练　（多选）如图6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（　　）

图6

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会最弱，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

答案　AC

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A、C选项正确．

1．光的衍射

2．光的偏振与立体电影

1．（多选）在用单色平行光照射单缝观察衍射现象的实验中，下列说法正确的是（　　）

A．缝越窄，衍射现象越明显

B．缝越宽，衍射现象越明显

C．入射光的波长越长，衍射现象越明显

D．入射光的频率越高，衍射现象越明显

答案　AC

2．（多选）关于光的衍射现象，下面说法正确的是（　　）

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红暗相间的直条纹

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　单色光照到狭缝上产生的衍射图样是明暗相间的直条纹，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项中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．

3．夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车的司机照射得睁不开眼睛，影响行车安全．若将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃，使双方司机都看不见对方眩目的灯光，但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体．所有的汽车前窗玻璃、前灯玻璃的透振方向应该是（　　）

A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，前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，前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°，前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°

D．前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°

答案　D

解析　玻璃的透振方向是允许光通过的偏振方向，要能看清自己车的车灯发出的光所照亮的物体，即车灯玻璃的透射光经对面物体反射后能透过自己车的车窗玻璃，则同一车前窗玻璃和前灯玻璃的透振方向必须相同，故A、C错误；若使对面车的车灯发出的光不透过自己车的车窗，则自己车的车窗玻璃的透振方向和对面车的车灯玻璃的透振方向必须垂直，B项中对面车车灯玻璃的透振方向和自己车车窗玻璃的透振方向相同，而D项符合垂直的条件．

4．在拍摄日落时分水面下的景物时，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

答案　A

解析　让偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱反射光进入镜头，使水下景物的像清晰．

课时作业

一、选择题

1．对光的衍射现象的定性分析，不正确的是（　　）

A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物偏离直线传播的现象

B．衍射