第4章 第6节 光的衍射与偏振（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第6节　光的衍射与偏振 物理观念 科学探究 科学态度与责任 光的衍射现象、光的偏振现象。 通过观察光的偏振实验，了解光的偏振现象，加深对偏振的理解。 衍射现象、偏振现象及激光的应用。 [对应学生用书P110] 一、光的衍射 1．单缝衍射现象 (1)当单缝较宽时，光沿着直线方向通过单缝，在光屏上可以看到一条跟单缝宽度相当的亮线(或亮斑)。 (2)把单缝调窄些，可以看到屏上亮线也随之变细。 (3)当单缝调到很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了直线传播方向，在屏上出现的不再是一条很窄的亮线，而是扩展到了相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹；再调小单缝，条纹也随之变得清晰、细小。 2．光的衍射 按照直线传播的规律应该属于阴影的区域也会出现亮条纹；反之，应该属于亮区的地方也会出暗的区域。这种现象叫作光的衍射。 3．衍射图样 衍射时产生的明暗相间的图样叫作衍射图样。 二、光的偏振 1．偏振：当狭缝的方向与绳的振动方向相同时，绳上横波可以传过去；狭缝的方向与绳的振动方向垂直时，绳上的横波就不能通过了，这种现象叫作偏振。 2．线偏振光：振动的方向限在一个平面内的光。 3．自然光：通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同的线偏振光组成，称为自然光。 4．如果在自然光(如灯光、太阳光)传播的方向上放一偏振片，其中只有那些振动方向与偏振片透光方向平行的成分可以通过偏振片，于是就得到了线偏振光。 5．光的偏振现象证明光是横波。 6．应用举例 (1)偏光镜：用相机拍摄玻璃橱窗里的物体时，在镜头前装滤光偏振片，让它的透光方向与玻璃表面反射的光振动方向垂直，可以减弱反射光而使物体清晰。 (2)立体电影：用左、右镜头拍摄电影画面，放映时，在放映机的左、右镜头上各装上透光方向相互垂直的偏振片，形成的偏振光经银幕反射到观众处，观众使用对应的偏振光眼镜观看，就可以“左眼看左画面，右眼看右画面”。 1．看过立体电影的人都会知道，看立体电影时需要戴一副特制的眼镜。你知道这是为什么吗？特制的眼镜又有什么特点呢？ 提示：这一切都跟线偏振光有关，立体电影拍摄时是利用线偏振光，放映时也是利用线偏振光，戴的眼镜是偏振片。 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)白光通过盛水的玻璃杯时，在适当的角度，可看到彩色光，这是光的衍射现象。(　　×　　) (2)将两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹。(　　√　　) (3)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。(　　×　　) (4)只有波长长的光才发生明显的衍射现象。(　　×　　) (5)横波和纵波都能产生偏振现象。(　　×　　) (6)自然光通过偏振片可以获得偏振光。(　　√　　) [对应学生用书P111] 探究点一 光的衍射现象及其特点 (1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上，屏幕上出现条纹。缝间距变小时，条纹有什么变化？ (2)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？ 提示：(1)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。 (2)会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环。 1．单缝衍射 (1)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，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹。 (2)波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大。 2．圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现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，如图1所示。 图1 　　 图2 3．圆板衍射(泊松亮斑) (1)若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，衍射图样如图2所示。 (2)中央是亮斑，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。 【例1】 某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图所示的衍射图样。据此可以判断出(　　) A．甲是光线射到圆孔后的衍射图样，乙是光线射到圆板后的衍射图样 B．乙是光线射到圆孔后的衍射图样，甲是光线射到圆板后的衍射图样 C．甲、乙都是光线射到圆孔后的衍射图样，甲图样对应的孔的直径较大 D．甲、乙都是光线射到圆板后的衍射图样，乙图样对应的板的直径较大 A　解析：圆孔衍射图样是中央为大亮斑，而在圆板衍射图样中，中央为大阴影，只是在大阴影背景下中心处有一个小亮斑，此即为泊松亮斑。所以题图甲为圆孔衍射图样，题图乙为圆板衍射图样，A正确。 [练1] 观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，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 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，本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展，A正确，B、C、D错误。 探究点二 干涉、衍射图样的特点比较 观察下列几种常见的光的衍射图样和干涉图样，单色光的衍射图样与单色光的双缝干涉图样有何不同？ 提示：单色光的双缝干涉图样条纹间距和条纹宽度均相等，且各条纹亮度差别较小；而单色光的衍射图样条纹间距和条纹宽度均不相等，且中央条纹较亮而两边条纹较暗。 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减弱的结果。 ②都是波特有的现象，表明光是一种波。 【例2】 如图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(　　) A．红黄蓝紫 B．红紫蓝黄 C．蓝紫红黄 D．蓝黄红紫 B　解析：双缝干涉条纹平行等距，且光的波长越长，条纹间距越大，而红光波长比蓝光波长长，故第一幅图为红光的干涉图样，第三幅图为蓝光的干涉图样；又由于黄光波长比紫光波长长，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，B正确。 [练2] (多选)做双缝干涉实验的示意图如图(a)所示。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)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 AD　解析：题图(b)中的条纹为明暗相间等间距的条纹，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的明暗相间的条纹，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。 探究点三 偏振现象、偏振片、偏振光 如图所示，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？ 提示：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；当偏振片Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q。 对偏振方向与透振方向的理解 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，这个方向叫作“透振方向”。 (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时和垂直时两种情况之间。 【例3】 (多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向为竖直方向。下列四种入射光束照射P时能在P的另一侧观察到透射光的是(　　) A．太阳光 B．沿竖直方向振动的光 C．沿水平方向振动的光 D．沿与竖直方向成45°角振动的光 ABD　解析：根据光的偏振知识，只要光的振动方向不与偏振片的透振方向垂直，光就能通过偏振片。当光的振动方向与偏振片的透振方向相同时，透射光最强，当二者垂直时，光完全不能透过，当二者间的夹角在0～90°逐渐增加时，透射光的强度逐渐减弱。太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片，A、B、D正确。 解答本题应把握以下三点 (1)自然光沿各个方向的振动强度相同。 (2)光的振动方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能透过偏振片。 (3)光的振动方向与偏振片的透振方向平行时，透过的光最强。 [练3] (多选)如图所示，电灯从S处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，看不到亮光，则(　　) A．图中a光为线偏振光 B．图中b光为线偏振光 C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到亮光 D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到亮光 BD　解析：自然光沿各个方向是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只有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，即a光是自然光，A错误；a光通过A偏振片后，即变为线偏振光，即b光为线偏振光，B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，若B偏振片只能通过沿水平方向振动的线偏振光，则P点无亮光，将B转过180°后，P处仍无亮光，C错误；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则线偏振光能通过B，即在P处有亮光，D正确。 [对应学生用书P114] 1．(多选)下列说法正确的是(　　) A．当光的波长比圆孔的直径大时，可以产生明显的衍射现象 B．衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律 C．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板时，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的干涉现象 D．用平行的单色光垂直照射一个刀片，发现屏上刀片的阴影的边缘模糊不清，这是光的衍射现象 ABD　解析：当波长比障碍物的尺寸大或相差不多时，可以产生明显衍射现象，A正确；光沿直线传播是一种近似规律，B正确；泊松亮斑、刀片阴影边缘模糊都是光的衍射现象，C错误，D正确。 2．两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯前面，有光通过。如果将其中一片旋转180°，在旋转过程中可能会产生的现象是(　　) A．透过偏振片的光强先增强，然后又减小到零 B．透过偏振片的光强先增强，然后减小到非零的最小值 C．透过偏振片的光强在整个过程中都增强 D．透过偏振片的光强先增强，再减弱，然后又增强 D　解析：旋转其中一个偏振片时，根据两个偏振片的透振方向平行时光强最强，透振方向垂直时光强最弱的原则，可知旋转其中一个偏振片时，光强的变化可能出现先增强，再减弱，然后又增强的现象，也可能出现先减弱，后增强，再减弱的现象，D正确。 3．(多选)如图所示，甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样。下列判断正确的是(图中黑色表示亮条纹)(　　) A．甲为单缝衍射的图样 B．乙为双缝干涉的图样 C．甲为双缝干涉的图样 D．乙为单缝衍射的图样 AB　解析：双缝干涉图样的条纹间隔是均匀的，单缝衍射的条纹中间宽，两侧逐渐变窄，A、B正确。 4．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，下面四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是(　　) A．a、c B．b、c C．a、d D．b、d 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条纹间距相等且亮度相同，所以a是双缝干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样，D正确。 5．如图所示，甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是(　　) A．图样甲、乙是光的干涉图样 B．图样丙、丁是光的干涉图样 C．形成图样甲的光的波长比形成图样乙的光的波长短 D．形成图样丙的光的波长比形成图样丁的光的波长短 A　解析：干涉条纹是等间距的条纹，因此题图甲、乙是干涉图样，题图丙、丁是衍射图样，A正确，B错误；由公式Δx＝λ可知，条纹间距大的光的波长长，所以形成图样甲的光的波长比形成图样乙的光的波长长，C错误；形成图样丙的光的波长比形成图样丁的光的波长长，D错误。 [课时梯级训练(26)见P181] 学科网（北京）股份有限公司 $$