学年高中物理第五章光的波动性第34节光的衍射与偏振激光教学案教科版.docx
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学年高中物理第五章光的波动性第34节光的衍射与偏振激光教学案教科版
第3、4节光的衍射与偏振__激光
光的衍射
[自读教材·抓基础]
(1)定义:
光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了直线传播的方向,在屏上应该出现阴影的区域出现亮条纹或亮斑,应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑。
(2)衍射图样:
衍射时产生的明暗条纹或光环。
(3)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,中央为一条较宽较亮的条纹,两边是对称而明暗相间的条纹,亮条纹的强度向两边很快减弱。
白光通过狭缝时,中央为白条纹。
两边是很快减弱的彩色条纹。
(4)圆孔衍射:
光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
(5)泊松亮斑:
障碍物的衍射现象。
在单色光传播途中,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。
[跟随名师·解疑难]
1.三种衍射图样的特点比较
(1)单缝衍射图样:
①中央条纹最亮,越向两边越暗;条纹间距不等,越靠外,条纹间距越小。
②缝变窄通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮纹的亮度降低。
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关,入射光波长越大,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
④用白光做单缝衍射时,中央亮条纹仍然是最宽最亮的白条纹。
(2)圆孔衍射图样:
①中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越靠外,圆形亮条纹的亮度越弱,宽度越小。
如图5-3-1所示。
图5-3-1
②圆孔越小,中央亮斑的直径越大,同时亮度越弱。
③用不同色光照射圆孔时,得到的衍射图样的大小和位置不同,波长越大,中央圆形亮斑的直径越大。
④白光的圆孔衍射图样中,中央是大且亮的白色光斑,周围是彩色同心圆环。
⑤只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样。
在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)。
(3)不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑):
①中央是亮斑。
②周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
2.单缝衍射和双缝干涉的比较
名称
项目
单缝衍射
双缝干涉
区别
产生条件
障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多
频率、振动方向相同,相位差恒定的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等,中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等,越靠外条纹间距越小
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮,两边变暗
清晰条纹,亮度基本相等
联系
干涉、衍射都是波特有的现象
干涉、衍射都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样,图5-3-2四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是( )
图5-3-2
A.a、c B.b、c
C.a、dD.b、d
解析:
选D a图中是等间距的光的干涉图样,b图是单色光的单缝衍射图样,c图是水波的衍射图样,d图是白光的单缝衍射图样,可见D正确。
光的偏振
[自读教材·抓基础]
1.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,只有沿这个方向振动的光波才能通过偏振片,这个方向叫做透振方向。
偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。
2.光的分类
(1)自然光:
太阳、电灯等普通光源发出的光,包含着大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光。
(2)线偏振光
自然光通过偏振片后,只有振动方向与偏振片的透光方向平行的成分才能通过,得到的就是线偏振光。
3.结论
光的偏振现象证实光是横波。
[跟随名师·解疑难]
1.自然光与偏振光的对比
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过偏振片后的光
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(与偏振片的透振方向一致)
2.偏振光的产生方式
(1)自然光在玻璃、水面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,入射角变化时偏振的程度也会变化。
自然光射到两种介质的交界面上,如果光入射的方向合适,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时,反射光和折射光都是偏振光,且是完全偏振光,偏振方向相互垂直。
(2)自然光经过偏振片(起偏器)后能形成偏振光。
偏振光可以用另一个偏振片(检偏器)检验。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
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
解析:
选BD 由定义可知,自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同,故A错误。
自然光透过一个偏振片成为偏振光,但偏振光经过偏振片是不可以转化为自然光的,故C错误。
激 光
[自读教材·抓基础]
1.激光
原子受激辐射产生的光,它是人工产生的相干光。
2.激光的特点
(1)强度大:
激光的强度可达1017W/cm2。
(2)方向性好:
激光光束的发散角为10-3rad数量级。
(3)单色性好:
激光的谱线宽度可窄达Δλ<10-8nm。
(4)相干性好:
一束激光中所有光的频率相同,振动完全相同。
(5)覆盖波段宽而且可调谐。
3.激光的应用
激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘等。
[跟随名师·解疑难]
1.光的产生:
原子获得能量后处于不稳定状态,会以光子的形式向外发射能量,这个能量就是光。
2.自然光:
一般光源自发地发出光,所发出的光频率不一、相差不稳定、方向不同。
这种光是自然光,即普通光。
3.激光:
原子受到外来光子的激发,会发射出与这个外来光子“四同”(同频率、同相差、同偏振、同传播方向)的光,这种光就是激光。
4.激光的特点及其应用:
特点(与普通光)
特点内容
应用
相干性好
频率单一,相差恒定,易发生干涉现象,可像无线电波一样调制
光纤通信
光的干涉
激光全息照相
方向性
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DVD、CD唱片、计算机光盘
强度大
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
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
关于激光与自然光,下列说法正确的是( )
A.激光是只含一种频率的光,而自然光是含有各种色光频率的光,所以激光的相干性好
B.自然光是由物质的原子发射出来的,而激光是人工产生的,所以激光不是由物质的原子发射出来的
C.激光和自然光都是横波
D.相干性好是激光与自然光的根本区别
解析:
选CD 激光的频率也有一定的范围,不能错误地理解激光单色性好的含义,所有的光都是由物质的原子发射的,故A、B错误。
不论是什么光都是横波,C正确。
由激光的特点可知,激光具有相干性,而自然光没有这个特点,则D正确。
对衍射现象的理解
[典题例析]
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
[思路点拨] 清楚发生明显衍射的条件;衍射图样在单缝宽度变化时的变化规律。
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,将缝调宽,现象向相反方向变化,故选项A正确。
答案:
A
[探规寻律]
狭缝宽度越小,光衍射现象越明显,衍射条纹越宽,但因通过狭缝的光的能量减小,衍射条纹亮度减弱,因此,观察衍射现象时,并不是狭缝越窄越好。
[跟踪演练]
在单缝衍射实验中,下列说法中正确的是( )
A.将入射光由黄色换成绿色,衍射条纹间距变小(λ黄>λ绿)
B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变小
C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变大
D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变大
解析:
选ACD 当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大。
当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大。
光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽。
故A、C、D均正确,B错误。
对光的偏振的认识
[典题例析]
2.奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标,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5-3-3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( )
图5-3-3
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,则偏振片A转过的角度等于θ
[思路点拨] 光线经过被测样品后,偏振方向旋转了θ角度,要使光能穿过两偏振片,则A、B相差的角度也需是θ角。
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;为了使得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,使光线穿过偏振片时,光的偏振方向与偏振片的透光方向一致,故A、C、D正确。
答案:
ACD
[探规寻律]
(1)自然光通过偏振片后,光的强度相同偏振方向可以不同。
(2)偏振光通过偏振片时,透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。
[跟踪演练]
如图5-3-4所示,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)( )
图5-3-4
解析:
选ABD 自然光通过起偏器后变为偏振光,能照亮光屏,A、B正确;偏振光经过偏振片时,若偏振方向相互垂直,则无光通过,光屏上无亮光,C错误,D正确。
激光的应用
[典题例析]
3.一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光,每道闪光称为一个光脉冲。
若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10-11s,波长为694.3nm,发射功率为1.0×1010W,问:
(1)每个光脉冲的长度是多少?
(2)用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60J以后,便逐渐消失。
一色斑的面积为50mm2,则它要吸收多少个红宝石激光脉冲,才能逐渐消失?
[思路点拨]
(1)光脉冲的速度大小等于c。
(2)明确每个光脉冲的能量与脉冲个数的关系。
解析:
(1)光脉冲持续的时间为一个光脉冲所需的时间,所以一个光脉冲的长度为Δl=cΔt=3.0×108×1.0×10-11m=3.0×10-3m
(2)一个光脉冲所携带的能量为ΔE=PΔt=1.0×1010×1.0×10-11J=0.1J
消除面积为50mm2的色斑需要光脉冲数为n=
=
个=300个
答案:
(1)3.0×10-3m
(2)300个
[跟踪演练]
一台激光器,它的功率为P,如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ,则这束单色光的频率是________,它在时间t内辐射的光能为________。
如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v,那这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为________。
解析:
根据v=λf可得这束单色光的频率f=
;激光器在时间t内所做的功W=Pt转化为光能。
这束单色光对该介质的折射率n=
,设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C,则sinC=
=
,所以有C=arcsin
。
答案:
Pt arcsin
[课堂双基落实]
1.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,说明光发生了衍射
D.光照到较大圆孔上出现大光斑,说明光沿直线传播,不存在光的衍射
解析:
选AC 单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹,白光的衍射图样是彩色条纹。
光照到不透明小圆盘上,在其阴影处出现光点,是衍射现象。
光的衍射现象只有明显与不明显之分,选项D中屏上大光斑只是衍射现象不明显,不能认为不存在衍射现象。
2.下图5-3-5为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样,则( )
图5-3-5
A.甲为紫光的干涉图样 B.乙为紫光的干涉图样
C.丙为红光的干涉图样D.丁为红光的干涉图样
解析:
选B 光通过双缝产生干涉图样,通过单缝产生衍射图样,选项C、D错误。
而干涉图样为明暗相间的条纹,且条纹间距为Δx=
λ,光的波长越长,条纹间距越大,紫光的波长短,因而紫光干涉图样的条纹间距小,选项B正确。
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:
选D 激光是一种光,是横波,A错误;频率相同的激光在不同介质中的波长不同,B错误;两束频率不同的激光不能产生干涉现象,C错误;利用激光平行度好的特点可以测距,D正确。
4.(江苏高考)如图5-3-6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________。
图5-3-6
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:
选C 因白炽灯发出的光为自然光,含各个方向的偏振光,且各个方向的偏振光的强度都相同,偏振片P和Q都只允许特定方向的偏振光通过,不管偏振片P旋转到任何位置都有光线通过,而且强度不变,所以A点的光的强度不变,当自然光通过偏振片P后变为偏振光,再通过偏振片Q,旋转偏振片P,当偏振片P和Q允许通过的方向相同,则B点最亮,当偏振片P和Q允许通过的方向垂直时,B点最暗,所以B点光的强度会发生变化。
所以只有C正确。
[课下综合检测]
1.以下哪些现象可以说明光波是横波( )
A.光的干涉 B.光的偏振
C.光的色散D.光的反射
解析:
选B 光的干涉表明光的波动性,即光是一种波,选项A错。
光的偏振表明光是横波,因为只有横波能发生光的偏振现象,选项B正确。
光的色散可表明光是单色光还是复色光,选项C错。
光的反射不能说明啥问题,选项D错。
2.沙尘暴是由于土地的沙化引起的恶劣的气象现象,发生沙尘暴时能见度只有几十米,天空变黄发暗,这种情况是由于( )
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.只有频率较大的一部分光才能到达地面
D.只有频率较小的一部分光才能到达地面
解析:
选BD 据光发生明显衍射的条件知,发生沙尘暴时,只有波长较长的一部分光能到达地面;根据λ=
知,到达地面的光的频率是较小的部分,故B、D正确。
3.在杨氏干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片,若两个偏振片的偏振方向相互垂直,则有( )
A.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度减小
B.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度增大
C.干涉条纹消失,光屏上一片黑暗
D.干涉条纹消失,但仍有光射到光屏上
解析:
选D 由于两个偏振片的偏振方向相互垂直,所以经偏振片后的两束光的振动方向不再相同,不满足干涉条件,但仍有光到达光屏上。
4.两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯前面以致没有光通过。
如果将其中的一片旋转180°,在旋转的过程中,将会产生( )
A.透过偏振片的光先增强,然后又减小到零
B.透过偏振片的光先增强,然后又减小到非零的最小值
C.透过偏振片的光在整个过程中都增强
D.透过偏振片的光先增强,再减弱,然后又增强
解析:
选A 本题考查起偏器和检偏器的作用。
当两个偏振片的偏振方向垂直时,没有光通过;当两个偏振片的偏振方向平行时,通过的光达最强。
将其中的一片旋转180°的过程中,两偏振片的偏振方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光先增强,然后又减小到零。
5.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理。
用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度与二次曝光时间间隔的乘积等于双缝间距。
实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之距离l以及相邻两条亮纹间距Δx。
若所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式是( )
A.v=
B.v=
C.v=
D.v=
解析:
选B 双缝干涉相邻亮(或暗)条纹间距Δx=
λ,又由d=v·Δt可得v=
,选项B对。
6.如图1所示,一玻璃柱体的横截面为半圆形,让太阳光或白炽灯光通过狭缝S形成细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和透射光束2。
现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动,使反射光束1和透射光束2恰好垂直。
在入射光线的方向上加偏振片P,偏振片与入射光线垂直,其透振方向在纸面内,这时看到的现象是( )
图1
A.反射光束l消失
B.透射光束2消失
C.反射光束1和透射光束2都消失
D.偏振片P以入射光线为轴旋转90°角,透射光束2消失
解析:
选AD 自然光射到界面上,当反射光与折射光垂直时,反射光和折射光的透振方向相互垂直,且反射光的透振方向与纸面垂直,折射光的透振方向与纸面平行,因此当在入射光线方向垂直放上透振方向在纸面内的偏振片P时,因垂直于纸面无光,反射光束1消失,A正确,B、C均错误;偏振片转动90°,平行于纸面内的光消失,则透射光束2消失,D正确。
7.如图2所示,A、B两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图像,其中图A是光的________(填“干涉”或“衍射”)图像。
由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径____________(填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径。
图2
解析:
小孔衍射时,孔的直径越小,衍射越明显。
答案:
衍射 小于
8.某同学自己动手制作如图3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3
(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中的任何一个,C上均出现一窄亮斑。
出现以上实验现象的主要原因是________________________________________________________________
_________________________________________________________________________。
解析:
(1)移去B后只剩下单缝,故发生单缝衍射形成条纹,故此条纹是由于光的衍射产生的。
(2)没有出现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。
答案:
(1)光的衍射
(2)双缝S1、S2太宽
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