第五节 激光（导学案）物理沪科版2020选择性必修第一册

该高中物理导学案聚焦“激光”主题，核心涵盖激光的产生原理、高相干性等三大特性及对应应用。课堂通过“思考与讨论”结合激光笔的生活应用设问，知识回顾衔接简谐运动与相干波，搭建新旧知识桥梁。 导学案以核心素养为导向，自主预习与归纳总结表格助力科学思维培养，例题与分层练习强化物理观念，结合医学、通信等实例渗透科学态度与责任，兼顾学生自主学习与教师教学评估需求。

5. 激光 导学案 1. 了解激光的特点和应用。 重点： 1. 受激辐射及其与自发辐射的区别，激光产生的基本条件。 2. 激光的三大特性：高相干性、高方向性、高亮度，以及与具体应用的对应关系。 难点： 1. 从微观过程（受激辐射）到宏观特性的逻辑过渡与理解。 2. 准确认知“相干性、方向性、亮度”三特性及其区分，避免学生混淆。 【知识回顾】 1．机械振动中，做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间，叫__________，用__________表示。物体完成全振动的次数与所用时间之比叫作振动的__________，数值等于单位时间内完成全振动的次数，用__________表示。 2．相干波是指两列__________相同、__________相同且__________恒定的机械波。 【自主预习】 1．激光是__________受激辐射产生的光，发光的__________、__________、__________均相同，两列相同激光相遇可以发生__________。 2．激光是人工产生的__________，其__________好、__________好。 3．激光的__________好。 4．激光的__________高。 思考与讨论： 课堂上，老师经常使用激光笔来引导同学们看黑板上的重点内容。在做光学实验时，我们也多次使用过激光笔。那么，什么是激光呢？ 1. 激光的产生：1960年，美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了__________相同、__________恒定、__________一致的光波，这就是激光。 激光是__________受激辐射产生的光，发光的__________、__________、__________均相同，两列相同激光相遇可以发生__________。激光是人工产生的__________。 2. 激光的特点 （1）激光是人工产生的__________，其__________好、__________好。用激光做__________、__________实验，效果很好。 （2）激光的__________好，从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向__________、发散角__________的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。 （3）__________高。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的__________。 【归纳总结】 特点 应用 __________强：激光具有__________相同、__________恒定、__________一致的特点，是人工产生的__________，具有高度的__________。 光纤通信 __________好：激光的__________非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度 激光测距，为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引。 __________高：它可以在很小的__________和很短的__________内集中很大的__________。 用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”以及激发核聚变等。 3. 激光在科学研究上的应用 （1）以激光为光源，科学家们可以深入研究原子、分子和固体材料的光谱，从而了解这些物质的结构。 （2）利用激光，可以研究分子的运动和化学反应的过程。 （3）利用激光制作的高精度光钟，可以实现对频率和时间的超高精度测量，这是人类能完成的最准确的测量之一。 【例1】关于激光的应用，下列说法正确的是（　　） A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的 B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点 C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 【例2】（多选）关于应用激光的事例中，下列说法正确的是（　　） A. 激光平行度好可以用于测距 B. 激光能量十分集中，为治疗近视眼而研制的“激光刀”就利用了这个特点，优点是有效地减少了细菌的感染 C. 激光的亮度高，可以用于城市广场照明 D. 激光的相干性好，可用于双缝干涉实验 【激光相关问题解题关键】 （1）熟记激光的主要特点及应用。 （2）激光作为一种光，具有光的一切性质，能发生衍射、干涉、反射、折射等，遵从反射定律、折射定律等。 【例3】科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据。关于激光，下列说法中正确的是（　　） A. 激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光 B. 激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉 C. 用激光照射不透明挡板上的小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环 D. 激光全息照片是利用光的干涉记录物体三维图像的信息 【例4】关于激光的应用问题，下列说法中正确的是（　　） A. 光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的 B. 计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点 C. 医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D. “激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 【例5】（多选）以下说法中正确的是（　　） A. 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 B. 由于激光的方向性好，所以激光不能产生衍射现象 C. 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物 D. 科学家可以利用激光研究化学反应的过程 课堂小结： 1．（激光的应用）激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，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，以极高的速度喷出，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的（　　） ①单色性好　　②平行度好　　③高能量　　④相干性好 A.①②　　B.②③　　C.①③　　D.②④ 2. 下列说法正确的是（　　） A. 激光是自然光被放大而产生的 B. 激光是原子受激辐射而得到的加强光 C. 激光的能量一定大于其他光的能量 D. 激光的传播速度比普通光的大 3. （多选）以下说法中正确的是（　　） A. 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 B. 由于激光的方向性好，所以激光不能产生衍射现象 C. 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物 D. 科学家可以利用激光研究化学反应的过程 4. （多选）将激光束的宽度聚焦到纳米级（10-9m）范围内，可修复人体已损坏的器官，可对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病彻底根除，以上功能是利用了激光的（　　） A. 单色性好　　B. 平行度好　　C. 粒子性　　D. 能量高 5．关于波动现象及光的特性与应用，下列表述正确的是（　　） A．影子的形成和泊松亮斑均说明光在均匀介质中沿直线传播 B．医学诊断时用“B超”仪器探测人体内脏，是利用超声波的多普勒效应 C．用相机拍摄玻璃橱窗内的景物时，可通过镜头表面的增透膜减弱玻璃橱窗表面的反射光影响 D．在单色光的双缝干涉实验中，若用白炽灯为光源，需要安装滤光片；若用激光做光源，则无需滤光片 6．我国智能驾驶汽车进入快速发展期。某车载雷达系统可以发出激光和超声波（频率高于20kHz的声波）信号，下列说法正确的是（　　） A．激光与超声波都是横波 B．激光与超声波都是纵波 C．激光与超声波都能发生衍射 D．激光与超声波都可在真空中传播 7．激光雷达是集“激光”“全球定位系统”和“惯性导航系统”三种技术于一身的系统，它是无人驾驶和低空经济快速发展的基石。下列关于激光和雷达等的说法错误的是（　　） A．科学家利用激光技术测量月球与地球间的距离，误差精确到厘米级，这里用到了激光平行度好的特性 B．在双缝干涉实验中，只将入射光由绿光变为红光，两相邻亮条纹的中心间距会变窄 C．激光雷达信号从空气射入折射率为的液体，速度大小变为原来的 D．光纤通信是利用激光在光纤中全反射来实现远距离信号传输的 8．（多选题）纳米技术是跨世纪的新技术，将激光束的宽度集中到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把诸如癌症等彻底根除。在上述技术中，人们主要利用了激光的（　　） A．单色性 B．平行性 C．亮度高 D．粒子性 9．（多选题）光纤是在日常生活中广泛应用的技术。我们将激光信号通入光纤中，通过全反射传递信息。激光相比于普通光最大的优势在于它的相干性好，因此我们可以进行调制。关于激光和光导纤维的说法正确的是（　　） A．光导纤维内芯折射率大于外层折射率 B．一束光导纤维同时刻只能传输某一个频率的光信号 C．使用普通的自然光也可以进行调制 D．调制激光信号就是按照要求改变激光的频率、振幅、相位和偏振 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 在本节课的学习中，应用到了哪些物理方法？重点解决了哪些问题？ 1 / 6 学科网（北京）股份有限公司 $ 5. 激光 导学案 1. 了解激光的特点和应用。 重点： 1. 受激辐射及其与自发辐射的区别，激光产生的基本条件。 2. 激光的三大特性：高相干性、高方向性、高亮度，以及与具体应用的对应关系。 难点： 1. 从微观过程（受激辐射）到宏观特性的逻辑过渡与理解。 2. 准确认知“相干性、方向性、亮度”三特性及其区分，避免学生混淆。 【知识回顾】 1．机械振动中，做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间，叫周期，用T表示。物体完成全振动的次数与所用时间之比叫作振动的频率，数值等于单位时间内完成全振动的次数，用f表示。 2．相干波是指两列频率相同、振动方向相同且相位差恒定的机械波。 【自主预习】 1．激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。 2．激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好。 3．激光的平行度好。 4．激光的亮度高。 思考与讨论： 课堂上，老师经常使用激光笔来引导同学们看黑板上的重点内容。在做光学实验时，我们也多次使用过激光笔。那么，什么是激光呢？ 1. 激光的产生 1960年，美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光波，这就是激光。 激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。 2. 激光的特点 （1）激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。 （2）激光的平行度好，从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。 （3）亮度高。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。 【归纳总结】 特点 应用 相干性强：激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性。 光纤通信 平行度好：激光的平行度非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度 激光测距，为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引。 亮度高：它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。 用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”以及激发核聚变等 3. 激光在科学研究上的应用 （1）以激光为光源，科学家们可以深入研究原子、分子和固体材料的光谱，从而了解这些物质的结构。 （2）利用激光，可以研究分子的运动和化学反应的过程。 （3）利用激光制作的高精度光钟，可以实现对频率和时间的超高精度测量，这是人类能完成的最准确的测量之一。 【例1】关于激光的应用，下列说法正确的是（　　） A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的 B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点 C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 【答案】C 【解析】 由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误； 计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误； 医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确； 激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误。 【例2】（多选）关于应用激光的事例中，下列说法正确的是（　　） A. 激光平行度好可以用于测距 B. 激光能量十分集中，为治疗近视眼而研制的“激光刀”就利用了这个特点，优点是有效地减少了细菌的感染 C. 激光的亮度高，可以用于城市广场照明 D. 激光的相干性好，可用于双缝干涉实验 【答案】ABD 【解析】 激光平行度好，即使传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，A正确； 激光的亮度高，能量十分集中，可应用于金属的加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，B正确； 激光具有很好的相干性，可应用于双缝干涉实验、全息照相等，D正确； 一般照明的灯光是辐射状的，而激光凝聚程度高，亮度高，容易烧坏物体，因此不能用于广场照明，所以C错误。 【激光相关问题解题关键】 （1）熟记激光的主要特点及应用。 （2）激光作为一种光，具有光的一切性质，能发生衍射、干涉、反射、折射等，遵从反射定律、折射定律等。 【例3】科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据。关于激光，下列说法中正确的是（　　） A. 激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光 B. 激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉 C. 用激光照射不透明挡板上的小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环 D. 激光全息照片是利用光的干涉记录物体三维图像的信息 【答案】D 【解析】 激光是人造光，也是偏振光，A错误； 激光相干性好，只有频率相同、相位相同、偏振方向相同的两束激光才会发生干涉，B错误； 用激光照射不透明挡板上的小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，C错误； 激光全息照片是利用光的干涉记录物体三维图像的信息，D正确。 【例4】关于激光的应用问题，下列说法中正确的是（　　） A. 光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的 B. 计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点 C. 医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D. “激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 【答案】C 【解析】 由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误； 计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误； 医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确； 激光测距利用的是激光平行度好的特点，D错误。 【例5】（多选）以下说法中正确的是（　　） A. 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 B. 由于激光的方向性好，所以激光不能产生衍射现象 C. 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物 D. 科学家可以利用激光研究化学反应的过程 【答案】ACD 【解析】 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性，故A正确； 激光相干性好，可以发生干涉、衍射现象，故B错误； 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物，故C正确； 科学家可以利用激光研究化学反应的过程，故D正确。 课堂小结： 1．（激光的应用）激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，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，以极高的速度喷出，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的（　　） ①单色性好　　②平行度好　　③高能量　　④相干性好 A.①②　　B.②③　　C.①③　　D.②④ 【答案】B 【解析】 由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点，故选B。 2. 下列说法正确的是（　　） A. 激光是自然光被放大而产生的 B. 激光是原子受激辐射而得到的加强光 C. 激光的能量一定大于其他光的能量 D. 激光的传播速度比普通光的大 【答案】B 【解析】 激光是由人工产生的光，它是由原子受激辐射而产生的加强光，它具有平行度好、相干性强和亮度高的特点，其传播速度等于光速，其能量不一定大于其他光的能量，B正确，A、C、D错误。 3. （多选）以下说法中正确的是（　　） A. 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性 B. 由于激光的方向性好，所以激光不能产生衍射现象 C. 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物 D. 科学家可以利用激光研究化学反应的过程 【答案】ACD 【解析】 激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性，故A正确； 激光相干性好，可以发生干涉、衍射现象，故B错误； 光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物，故C正确； 科学家可以利用激光研究化学反应的过程，故D正确。 4. （多选）将激光束的宽度聚焦到纳米级（10-9m）范围内，可修复人体已损坏的器官，可对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病彻底根除，以上功能是利用了激光的（　　） A. 单色性好 B. 平行度好 C. 粒子性 D. 能量高 【答案】BD 【解析】 激光的平行度好，故可聚焦到很小的范围；激光的亮度高、能量大，故可修复器官。 5．关于波动现象及光的特性与应用，下列表述正确的是（　　） A．影子的形成和泊松亮斑均说明光在均匀介质中沿直线传播 B．医学诊断时用“B超”仪器探测人体内脏，是利用超声波的多普勒效应 C．用相机拍摄玻璃橱窗内的景物时，可通过镜头表面的增透膜减弱玻璃橱窗表面的反射光影响 D．在单色光的双缝干涉实验中，若用白炽灯为光源，需要安装滤光片；若用激光做光源，则无需滤光片 【答案】D 【详解】A．泊松亮斑说明光可以离开直线传播的路径而发生衍射，故A错误； B．“B超”仪器通过它的探头不断向人体发出短促的超声波（频率很高，人耳听不到的声波）脉冲，超声波遇到人体不同组织的分界面时会反射回来，又被探头接收，这些信号经电子电路处理后可以合成体内脏器的像，没有使用多普勒效应，故B错误； C．在镜头前装偏振片，可以减弱被拍摄物体反射光，故C错误； D．激光是单色光，不需要滤光片，故D正确。 故选D。 6．我国智能驾驶汽车进入快速发展期。某车载雷达系统可以发出激光和超声波（频率高于20kHz的声波）信号，下列说法正确的是（　　） A．激光与超声波都是横波 B．激光与超声波都是纵波 C．激光与超声波都能发生衍射 D．激光与超声波都可在真空中传播 【答案】C 【详解】AB．声波是纵波，光是横波，A错误，B错误； C．衍射是波的特性，激光和超声波都可以发生衍射，C正确； D．激光可以在真空中传播，超声波的传播需要依靠介质，超声波不能在真空中传播，D错误。 故选C。 7．激光雷达是集“激光”“全球定位系统”和“惯性导航系统”三种技术于一身的系统，它是无人驾驶和低空经济快速发展的基石。下列关于激光和雷达等的说法错误的是（　　） A．科学家利用激光技术测量月球与地球间的距离，误差精确到厘米级，这里用到了激光平行度好的特性 B．在双缝干涉实验中，只将入射光由绿光变为红光，两相邻亮条纹的中心间距会变窄 C．激光雷达信号从空气射入折射率为的液体，速度大小变为原来的 D．光纤通信是利用激光在光纤中全反射来实现远距离信号传输的 【答案】B 【详解】A．激光测距误差在厘米级，主要用到了激光平行度好的特性，故A正确，不符合题意； B．在双缝干涉实验中，只将入射光由绿光变为红光，由于红光的波长比绿光的波长长，由相邻亮条纹或暗条纹的间距公式可知，两相邻亮条纹的中心间距变宽，故B错误，符合题意； C．根据可知，激光雷达信号从空气射向折射率为的液体速度变为原来的，故C正确，不符合题意； D．光纤通信是利用激光在光纤中全反射来实现远距离信号传输的，故D正确，不符合题意。 故选B。 8．（多选题）纳米技术是跨世纪的新技术，将激光束的宽度集中到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把诸如癌症等彻底根除。在上述技术中，人们主要利用了激光的（　　） A．单色性 B．平行性 C．亮度高 D．粒子性 【答案】BC 【详解】A．单色性说明激光的频率范围窄，几乎无色差，A错误； B．平行性很好，说明激光传播很远的距离仍能保持很好的强度，B正确； C．亮度高说明激光能在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，C正确； D．粒子性说明激光具有能量和动量，D错误； 故选BC。 9．（多选题）光纤是在日常生活中广泛应用的技术。我们将激光信号通入光纤中，通过全反射传递信息。激光相比于普通光最大的优势在于它的相干性好，因此我们可以进行调制。关于激光和光导纤维的说法正确的是（　　） A．光导纤维内芯折射率大于外层折射率 B．一束光导纤维同时刻只能传输某一个频率的光信号 C．使用普通的自然光也可以进行调制 D．调制激光信号就是按照要求改变激光的频率、振幅、相位和偏振 【答案】AD 【详解】A.根据全反射的条件可知，光导纤维内芯折射率大于外层折射率，故A正确； B.一束光导纤维同时刻能传输不同频率的光信号，故B错误； C.自然光中各种频率的光都有，不可以进行调制，故C错误； D.调制激光信号就是按照要求改变激光的频率、振幅、相位和偏振，故D正确。 故选AD。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 在本节课的学习中，应用到了哪些物理方法？重点解决了哪些问题？ 2 / 9 学科网（北京）股份有限公司 $