4.第5节 光的衍射 第6节 光的偏振激光-【正禾一本通】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

第5节　光的衍射 第6节　光的偏振　激光 [学习目标] 1．什么是光的衍射？单缝衍射的条纹有什么特点？ 2．光发生明显衍射现象的条件是什么？ 3．衍射光栅是怎样制成的？它的工作原理是什么？ 4．什么是偏振光？自然光和偏振光的主要区别是什么？ 5．什么是激光？激光有哪些特性？在生活中有哪些应用？ 一、光的衍射 1．用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。 2．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。 3．发生明显衍射现象的条件：在障碍物或狭缝的尺寸与光波的波长相当，甚至比光波的波长还小的时候，衍射现象十分明显。 　　　 　 　 二、衍射光栅 1．构成：衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。 2．原理：增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。 3．透射光栅和反射光栅：在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。 三、光的偏振 1．偏振现象：不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这种现象称为偏振现象。 　 2．自然光：由太阳、电灯等普通光源发出的光，它包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同。这种光是“自然光”。 　 3．偏振片：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完全通过偏振片，这个方向叫作透振方向。 4．偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光叫偏振光。 四、激光的特点及其应用 特点 性质 应用 相干性 频率相同、相位差恒定、振动方向一致 光纤通信 平行度 激光的平行度非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度 精确的测距；读取光盘上记录的信息等 高亮度 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；医学上可以用激光作为“光刀”；激发核反应等 1．判断下列说法是否正确 (1)单缝的宽度变小时，光的衍射条纹间距变窄。(×) (2)只有波长长的光才能发生衍射现象。(×) (3)横波和纵波都能产生偏振现象。(×) (4)自然光通过偏振片可以获得偏振光。(√) (5)利用激光的平行度好的特点，可以进行远距离测量。(√) 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，会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环，这是什么现象？ 提示：白色的太阳光通过小孔后发生的衍射现象。 光的衍射现象 如图所示为光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样(缝和孔的形状标于各图的右下方)。 问题1：如何理解单缝衍射和圆孔衍射？ 问题2：单缝衍射中间亮纹的特点？ 问题3：圆孔衍射中间亮纹的特点？ 提示：1.光通过狭缝(两边)时光向两边衍射，光通过圆孔时，光向整个圆周围衍射(展开)。 2．最宽、最亮。 3．最宽、最亮。 1．三种不同的衍射现象及特点 (1)单缝衍射 ①现象：如图所示，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′区出现明暗相间的条纹，即发生了衍射现象。 ②单缝衍射图样的四个特点： a．中央条纹亮而宽。 b．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。 c．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。 d．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。 (2)圆孔衍射与圆盘衍射 项目 圆孔衍射 圆盘衍射(泊松亮斑) 图样 区别 (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。 (2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。 (3)用不同单色光照射圆孔时，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，周围是彩色的同心圆环 (1)若在单色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。衍射图样如图所示。 (2)中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，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 相同 不等间距的明暗相间条纹 2.单缝衍射与双缝干涉的比较 比较 项目 单缝衍射 双缝干涉 不 同 点 产生 条件 狭缝足够小(发生明显衍射) 两列相干光相遇叠加 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 中央条纹最亮，越向两侧条纹越暗 各条纹亮度基本相同 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 【典例1】 (多选)(2025·广东佛山期中)如图所示为红光、蓝光经过狭缝装置得到的三个图样，下列说法正确的是(　　 ) A．三个图均为衍射图样 B．三个图均为干涉图样 C．入射光的频率相同，狭缝越窄，中央亮条纹的宽度越宽 D．狭缝宽度不变，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽 解析：选ACD。三个图均为衍射图样，故A正确，B错误；由前两个图样比较可知，入射光的频率相同，狭缝越窄，中央亮条纹的宽度越宽，故C正确；红光的波长大于蓝光的波长，由第一个和第三个图样比较可知，狭缝宽度不变，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽，故D正确。 【典例2】 (多选)某实验小组在光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，得到如下四幅图样，下列有关说法正确的是(　　 ) A．甲是单缝衍射图样 B．乙是双缝干涉图样 C．丙是小圆孔衍射图样 D．丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样 解析：选CD。衍射与干涉图样的区别是：前者是中间亮条纹最宽，越向两侧宽度越小，后者明暗条纹宽度相等，则甲是双缝干涉图样，乙是单缝衍射图样，故A、B错误。单色光照射小圆孔做衍射的实验时，中央较大的区域内是亮的，周围是明暗相间的圆环，条纹间距也不等，亮度向外逐渐变暗；而泊松亮斑的中间是一个比较小的亮点，可知丙是小圆孔衍射图样，丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样，故C、D正确。 光的偏振现象 如图所示，取一个偏振片P，让阳光通过偏振片P。 问题1：在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的，只是透射光暗了一些，为什么？ 问题2：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：1.只有某一方向的光透过偏振片P。 2．会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。说明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Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q。 自然光和偏振光的比较 比较 项目 自然光 偏振光 成因 从光源(如太阳、电灯等) 直接发出的光 自然光通过偏振片后就变成了偏振光。反射光、折射光均为偏振光 振动 方向 在垂直于传播方向的平面内， 沿着各个方向振动 在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向 经偏振片后现象比较 经偏振片后现象比较 如上图所示，自然光通过偏振片后，就变成了偏振光。转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化 如上图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间，并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗 【典例3】 (2025·江苏扬州期末)如图，将手机放在水平桌面上，无论怎样转动偏振片Q都无法观察到屏幕上的字。撤去Q，并将手机在水平面内旋转90°，此过程中观察到屏幕的亮度(　　 ) A．变暗 B．变亮 C．不变 D．先变亮后变暗 解析：选B。无论怎样转动偏振片Q都无法观察到屏幕上的字，说明偏振片P的透振方向与手机屏幕发出光的偏振方向垂直，则撤去Q后，将手机在水平面内旋转90°，手机发出光的偏振方向与偏振片P的透振方向趋近于平行，则观察到屏幕的亮度变亮，故B正确。 [规律总结]对偏振光的理解 (1)自然光通过一个偏振片成为偏振光，透射光的偏振方向与偏振片的放置有关，但光的强度与偏振片的方向无关。 (2)偏振光通过偏振片时，透射光的强度与光偏振方向和偏振片透振方向的夹角大小有关。 激光的特点及应用 激光作为一种人造光源在科研、通讯、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等。激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？ 提示：激光具有单色性好、相干性好、平行度好、亮度高等特点。 激光的特点 (1)激光是人工产生的“纯净”光 激光的传播方向、偏振、相位等性质完全相同，激光可以像无线电波那样进行调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。 (2)激光束的平行度和方向性非常好 激光的光束高度平行，这样激光的能量就不容易发散，在传播很远距离后仍能保持一定的强度。可以用激光测量月球到地球的距离。 (3)激光的强度大，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，可使被照射物体在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温。 (4)激光的单色性很好 激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的。 【典例4】 近日，一段电力局用“激光炮”修剪树枝的视频在网络走红，图中机器名为便携式激光清障仪，上方的树枝经过激光照射后断裂。下列关于激光的说法不正确的是(　　 ) A．激光是频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光波 B．激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点 C．激光测距利用了激光相干性好的特点 D．光纤通信是利用了激光能被调制，可以用来传递信息的特点 解析：选C。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，故A正确；激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点，故B正确；激光测距利用激光测量很远目标的距离是应用了激光平行度好的特点，故C错误；光纤通信是利用了激光能被调制，可以用来传递信息的特点，故D正确。 1．(多选)关于激光，下列说法正确的是(　　 ) A．激光是用人工方法激发出的一种特殊的光 B．自然界中某些天然物体也可以发出激光 C. 激光可以像刀子一样切除肿瘤 D．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象 解析：选AC。激光是用人工方法激发出的一种特殊的光，A项正确，B项错误；激光具有相干性好、亮度高能量大、平行度好等特点，可以像刀子一样切除肿瘤，C项正确；激光是一种波，只要是波就能发生衍射现象，D项错误。 2．甲、乙两图是教科书上红光的单缝衍射和双缝干涉实验图样。下列有关光的干涉和衍射现象说法正确的是(　　 ) A．图甲发生的是衍射现象，图乙发生的是干涉现象 B．不改变其他条件，当用紫光做实验时，图甲的条纹间距变小 C．不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图甲的条纹间距变大 D．不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图乙的中央条纹宽度变小 解析：选B。干涉条纹的条纹等间距，由图可知图甲发生的是干涉现象，图乙发生的是衍射现象；根据Δx＝λ，由于紫光的波长较小，所以不改变其他条件，当用紫光做实验时，图甲的条纹间距变小；不改变其他条件，当只减小缝的宽度时，图甲的条纹间距不变，图乙的中央条纹宽度变大，故B正确。 3．白炽灯正常发光时，其消耗的电能约有10%的部分用于产生可见光。如图所示，白炽灯发出的白光通过元件M照射到光屏P上。下列说法中正确的是(　　 ) A．如果M是单缝屏，光屏上出现的衍射图样中央是红色亮条纹 B．如果M是单缝屏，光屏上出现的衍射图样中央是白色亮条纹 C．如果M是偏振片，沿水平轴线旋转M，光屏上光的颜色将发生变化 D．如果M是偏振片，沿水平轴线旋转M，光屏上光的亮度将发生周期性的变化 解析：选B。无论是单缝屏还是双缝屏，光屏上出现的图样中央都是白色亮条纹，单缝屏会出现衍射图样，双缝屏会出现干涉图样，故A错误，B正确；白炽灯发出的白光属于自然光，所以如果M是偏振片，沿水平轴线旋转M，光屏上光的亮度不会发生变化，颜色也不会发生变化，故C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $