第6、7节 光的衍射和偏振 激光（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第六、七节　光的衍射和偏振 激光 核心素养导学 物理观念 (1)知道光的衍射现象，知道光能产生明显衍射现象的条件。 (2)知道光的偏振现象，光是横波。 (3)知道激光的特性和各种应用。 科学思维 (1)能用对比法分析衍射图样和干涉图样的区别。 (2)对比自然光和偏振光的区别，知道偏振现象、激光在科技和生活中的应用。 科学探究 (1)探究光发生明显衍射的条件。 (2)观察光的偏振现象。 科学态度与责任 认识光学知识在现代生活和科技等方面的应用。 一、光的衍射 1．实验探究 (1)实验步骤：用单色平行光照射一狭缝可调的挡板AB，在狭缝后面放置一光屏。 (2)实验现象： ①当狭缝较宽时，在观察屏上是一条____的光带，光带的宽度符合光的直线传播规律。 ②当狭缝不断变窄时，观察屏上会出现中央___且宽、两边_________、_________的光带，整个图样远大于光通过狭缝时按照直线传播所能照亮的区域。 亮 亮 对称分布 明暗相间 (3)将狭缝换成大小可调的圆孔，当圆孔足够小时，同样能观察到中央为明显的亮斑、周围是明暗相间的__________的图样，图样远大于通过圆孔时按照直线传播所能照亮的区域。 2．明显衍射的条件：障碍物或小孔的尺寸跟光的波长______，甚至比光的波长______。 [微点拨] 光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的。　　 圆形光环 相当 还小 二、光的偏振 1．光的偏振 (1)偏振片：由特殊的材料制成的元件，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作透振方向。光的振动方向与这个透振方向_____时能完全通过偏振片，_____时不能通过偏振片。 (2)自然光：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。 (3)偏振光：自然光透过某一偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光。 (4)通过偏振光的检测实验可知光是_____。 平行 垂直 横波 2．偏振现象的应用 (1)偏振光眼镜可以有效地衰减进入眼睛的光强，保护眼睛，避免意外发生。 (2)照相机镜头前装一片偏振滤光片，会起到有效地______水面、玻璃面反射光的作用，从而获得清晰的照片。 三、激光 1．激光的特性 (1)单色性好：激光发射的光谱宽度很窄，是______性很好的光源。 (2)相干性好：激光能保证相位差恒定，是很好的相干光源。 (3)平行度好：激光束的发散角很小，______性很强。 (4)亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012～1019倍，是目前最亮的光源。 减弱 单色 方向 2．激光的应用 (1)用激光作为信息高速传输的载体，进行光导纤维通信。 (2)激光在雷达上用于测量距离和跟踪目标。 (3)激光高亮度的特点被用在工业上的激光切割、激光焊接技术，医学上用于切割肿瘤的“光刀”、用于矫正视力的准分子激光技术，美容上的“激光祛斑”，军事上的激光武器等。 (4)利用激光测量大气中水蒸气的饱和程度，可以准确预告降雨量。 (5)利用激光可进行______照相，能拍摄三维照片。 全息 1．用三块不透光的板，在每块板的中间各开一个圆孔，各板所开的圆孔直径依次变小。装置如图甲所示，先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个如图乙所示的明亮圆形光斑；再换上圆孔较小的那块板，在屏上会出现如图丙所示较小的明亮圆形光斑；最后用圆孔最小(直径约为1 mm)的那块板，在屏上会出现如图丁所示的明暗相间的条纹。 (1)图乙中的情境是______________现象。 (2)图丙中的情境是______________现象。 (3)图丁中的情境是_________现象。 光的直线传播 光的直线传播 光的衍射 2．通过一块偏振片观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？ 提示：通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化。因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了(肉眼对此不能感觉)，但光的强弱没有改变。月亮和黑板反射的光是偏振光，它们通过偏振片透射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化。 3．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重要的卫星或飞船，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，以极大的速度喷出，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哪些性质？ 提示：由于激光站与卫星相隔距离远，激光具有很好的平行度，同时有高能量的特点，可以减少能量损失。 新知学习(一)|三种常见的衍射 [任务驱动] 三种衍射图样如图所示： 试判断三种衍射的类型。 提示：a为单缝衍射，b为圆孔衍射，c为泊松亮斑。　　　　　 2．圆孔衍射 (1)现象：如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图乙中a所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙中b所示的衍射图样(圆孔衍射)，出现亮、暗相间的圆环。 (2)圆孔衍射图样的两个特点 ①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环；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)现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，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，如图乙中c所示。 (2)障碍物的衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。 [典例体验] [典例]　如图a、b是由单色光分别入射到a圆孔和b圆孔形成的图像，由两图可以得出 (　 ) A．a图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径 B．a图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径 C．b图是衍射图像，a孔直径小于b孔直径 D．b图是干涉图像，a孔直径大于b孔直径 [解析]　因为干涉图样为等宽度亮暗相间的条纹，a图是衍射图像，所以B、D错误；衍射发生的条件是缝隙宽度小于光的波长才能有清晰的衍射图像，如果缝隙宽度过大会观察不到衍射图像，光会沿直线传播，根据图像信息可知，b图是光沿直线传播形成的图像，所以a孔直径小于b孔直径，故A正确、C错误。 [答案]　A /方法技巧/ 光通过大孔、小孔、小圆盘的区别 (1)光通过大孔沿直线传播，不形成明显的衍射条纹。 (2)小孔形成明显的衍射条纹。 (3)小圆盘出现泊松亮斑。 [针对训练] 1．光可以通过小孔形成清晰的明暗相间的衍射图样，下列四幅图片中属于光的小孔衍射图样的是(图中白色和黑色分别表示明亮和黑暗程度) (　 ) 解析：小孔衍射条纹的特点是圆形条纹，中心圆形亮条纹大且亮，B正确。 答案：B　 2．让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，观察在孔后的屏上将先后出现什么现象？并解释产生该现象的原因？ 提示：当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着小孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着小孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现了明暗相间的衍射条纹，最后随小孔的闭合而全部消失。 新知学习(二)|单缝衍射和双缝干涉的对比 [重点释解] 单缝衍射与双缝干涉的比较 名称 单缝衍射 双缝干涉 不同点 产生条件 只要狭缝足够小，任何光都能明显发生 频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光波相遇叠加 条纹宽度 条纹宽度不相等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不相等 各相邻条纹等间距 亮度 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 意义 都是波特有的现象，表明光是一种波 图样 光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加 续表 [典例体验] [典例]　如图所示的4种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)。在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(　　) A．红黄蓝紫 B．红紫蓝黄 C．蓝紫红黄 D．蓝黄红紫 [答案]　B /方法技巧/ 区分双缝干涉图样与单缝衍射图样的方法 (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，两侧的亮条纹逐渐变窄。 (2)根据条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮条纹的亮度变化很小，而单缝衍射条纹的中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗。 [拓展]　(多选)对应[典例]的情境，结合其中蓝光产生的干涉图样和黄光产生的衍射图样，下列能使条纹变宽的方法是 (　 ) A．把蓝光换成紫光 B．把双缝干涉仪器中的双缝间距变小 C．把黄光换成红光 D．把单缝的宽度变小 [答案]　BCD [针对训练] 1．下列四种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器和同一单缝衍射仪器形成的图样(黑色部分表示亮纹；保持缝到屏距离不变)。其中属于蓝光衍射图样的是 (　　) 解析：双缝干涉图样中条纹宽度相同且等间距，所以A、C选项中的图样为干涉图样；单缝衍射图样条纹中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，且波长越大，中央亮条纹越粗，红光的波长大于蓝光的波长，所以B项为蓝光的衍射图样，故B正确。 答案：B 2．(多选)如图(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 (　 ) A．完成操作1后，光屏上出现的是图(b)所示图案，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)所示图案，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)所示图案，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)所示图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹 解析：结合题意可知，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)所示图案，由图案知甲对应的光的波长大于乙对应的光的波长，故甲为红色条纹，乙为蓝色条纹，A正确；操作2是单缝衍射实验，条纹间距不相等，光屏上为题图(c)所示图案，再结合波长关系可知D正确。 答案：AD　 新知学习(三)|光的偏振现象及应用 [任务驱动] (1)某些特定环境下照相时，常在照相机镜头前装一片偏振滤光 片使影像清晰，这是利用什么原理？ (2)市场上有一种太阳镜，它的镜片是偏振片，为什么不用普通的带色玻璃片而用偏振片？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？ 　　 提示：(1)在某些特定环境下，如拍摄池水中的游动的鱼时，由于水面反射光的干扰，影像会不清楚，在镜头前装一片偏振片，清除反射光(反射光为偏振光)，影像就变得清晰。这是利用了光的偏振。 (2)这种太阳镜是为了消除柏油马路和湖面上反射的耀眼的炫光，因此应用偏振片而不是带色的普通玻璃片。该反射光为水平方向的偏振光，故应使镜片的透振方向竖直。　　　　 [重点释解] 1．自然光与偏振光的比较   自然光(非偏振光) 偏振光 不同点 光的 来源 直接从光源发出的光 自然光通过起偏器后的光或由某种介质反射或折射的光 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波的强度都相同 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某个特定方向(与起偏器透振方向一致) 相同点 不管是自然光还是偏振光，传播方向与振动方向一定垂直 2．偏振光的产生方式 (1)自然光在玻璃、水面等表面反射、折射时，反射光和折射光都是偏振光。 (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。 3．光的偏振的应用 (1)摄像技术中的应用； (2)汽车驾驶中的应用； (3)攀登雪山运动员的应用。 [典例体验] [典例]　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]　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，C正确。 [答案]　C [针对训练] 1． (多选)如图所示，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振方向) (　 ) 解析：自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向平行时能够通过，否则不能通过，所以A、B、D正确。 答案：ABD　 2．在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，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 解析：由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片可以减弱反射光，但不能增强透射光。A正确。 答案：A　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——刀片边缘的衍射 1. (选自鲁科版新教材“迷你实验室”)如图所示，让一束光通过剃须刀片，仔细观察，剃须刀片边缘有条纹出现，这就是光在刀片边缘处产生的衍射现象。经研究发现，不仅小孔、狭缝能使光产生衍射，不同形状的各种障碍物都可能使光产生衍射，并在边缘呈现明暗相间的衍射图样，从而使其影像的轮廓变得模糊不清。 科学思维——光的偏振现象 2．(选自鲁科版新教材课后练习)将两个紧靠在一起的偏振片放在一盏灯的前面，此时没有光通过。如果将其中的一个偏振片逐渐旋转180°，在旋转过程中，透过偏振片的光 (　 ) A．先增强，然后又减弱到零 B．先增强，然后减弱到非零的最小值 C．在整个过程中都增强 D．先增强，再减弱，然后又增强 解析：将两个紧靠在一起的偏振片放在一盏灯的前面，此时没有光通过，说明两个偏振片的透振方向相互垂直，当其中一个偏振片逐渐旋转90°的过程中，透振方向逐渐变为相同，透过偏振片的光变为最强，再逐渐旋转90°的过程中，透振方向逐渐变为垂直，透过偏振片的光逐渐减弱到零，故A正确。 答案：A 科学态度与责任——太阳光的衍射 3． (选自鲁科版新教材课后练习)如图所示，让太阳光通过窗上的 小孔射进漆黑的室内，并落在光滑的反射面(如玻璃、瓷碗、 镀铬器件或涂有油漆的门窗等)上，这时，你眯着眼并迎着反 射方向看去，不但能看到反射面上的白点(太阳虚像)，同时还能看到在它的两旁出现一排对称的彩带，眼缝越细，这种现象越显著，请分析原因。 提示：这是一种光的衍射现象，光通过眼缝时产生衍射现象，不同色光衍射条纹间距不同，因此，可以看到一排对称的彩带，眼缝越细，衍射现象越明显。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开 眼，严重影响行车安全(如图)。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏 振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，使对面车灯的光线不能进入车内，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施中可行的是 (　 ) A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车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，车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°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45° D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45° 解析：此题要求自己车灯发出的光经对面车窗反射后仍能进入自己眼中，而对面车灯发出的光不能进入自己的眼中。若前窗的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光照射到物体上反射回的光线将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能进入车内，B错误；若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透射进入本车窗内，却可以透射进对面车内，C错误，D正确。 答案：D　 2．应用激光平行性好的特点，可以精确地测量距离。对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到的反射脉冲的时间间隔，就可求出激光器到目标的距离。若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s，求月球到地球的距离。 答案：3.84×108 m [重点释解] 1．单缝衍射 (1)现象：如图，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象。 (2)单缝衍射图样的四个特点： ①中央条纹亮而宽； ②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱； ③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； ④白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。 [解析]　双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此a、c为双缝干涉条纹，b、d为单缝衍射条纹。双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮或暗条纹间距)Δx＝λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即a、c分别对应于红光和蓝光。而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽越亮，b、d分别对应于紫光和黄光。综上所述，a、b、c、d四个图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄，B正确。 [解析]　对双缝干涉来说，相邻条纹的间距Δx＝λ，可知增大l和λ或减小d均可增大条纹的宽度，故A错误，B正确；在单缝衍射现象中，如增大条纹的宽度，可以使λ增大或单缝减小，故C、D正确。 解析：真空中光速c＝3.0×108 m/s，从发射脉冲到收到反射脉冲所用的时间中激光所行路程是月、地距离的2倍。从发射脉冲到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s，则月球到地球的距离大约为s＝ct＝×3.0×108×2.56 m＝3.84×108 m。 $$