第4章 第6节 光的衍射与偏振 第7节 激 光-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册教用Word(教科版)

第6节　光的衍射与偏振 第7节　激　光 1．知道光的衍射现象，知道几种衍射现象的图样。　2.理解光产生明显衍射的条件。　3.知道衍射图样的特点。　4.知道偏振现象，知道偏振是横波特有的性质。　5.知道偏振现象的应用。　6.了解激光的特性和应用。 一、光的衍射 1．定义：光通过____________的狭缝时，明显地____________了直线传播方向。按照直线传播的规律应该属于阴影的区域也会出现__________；反之，应该属于亮区的地方也会出现________________。这种现象叫作光的衍射。 2．衍射图样：衍射时产生的明暗相间的图样叫作衍射图样。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，使得影像的轮廓模糊不清，甚至出现明暗相间的衍射条纹。 3．单缝衍射图样的特点 (1)中央有一条________________的条纹，两边是________且明暗相间的条纹，亮条纹的强度向两边________________。 (2)白光通过单缝产生的衍射图像中央是一条____________条纹，两边是很快减弱的__________条纹。 二、光的偏振 1．定义：当狭缝的方向与绳的振动方向________时，绳上横波可以传过去；狭缝的方向与绳的振动方向________时，绳上横波就不能通过了，这种现象叫作偏振。 2．偏振现象是________特有的现象，________不会出现偏振现象。 3．光的偏振说明光是________。 4．线偏振光和自然光：如果光振动的方向限在________________，这种光叫线偏振光。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__________________组成，称为自然光。如果在自然光(如灯光、太阳光)传播的方向上放一____________，其中只有那些振动方向与偏振片透光方向________的成分可以通过偏振片，于是就得到了线偏振光。 三、激光的特性 强度大、方向性好、__________好、__________好和覆盖波段宽而且可调谐。 四、激光的应用 1．激光的常规应用：激光加工、激光__________________、激光检测、激光__________、激光医学和激光照排等。 2．激光的其他一些新技术、新应用 (1)人类第一次实际探测到____________。 (2)中国首次发现激光驱动流体新技术。 判断下列说法是否正确。 (1)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是由光的衍射形成的。(　　) (2)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒，是光的干涉现象。(　　) (3)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象。(　　) (4)衍射现象中也有干涉的成分。(　　) (5)立体电影利用了光的偏振原理。(　　) (6)光的偏振表明光是一种横波。(　　) (7)激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点。(　　) (8)激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√ (6)√　(7)√　(8)× [答案自填] 很小　偏离　亮条纹　暗的区域　较宽较亮　对称　很快减弱　白色 彩色　相同　垂直　横波　纵波　横波　一个平面　线偏振光　偏振片　平行 单色性　相干性　全息照相　通信　引力波 知识点一　光的衍射现象 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．光的衍射 (1)产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多。 (2)光的干涉现象表明光是一种波。由于衍射是波的特点，则光能够衍射，光能够绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区而传播，即发生衍射现象。 (3)可见光的波长范围是4.0×10－7～7.6×10－7 m，由发生明显衍射现象的条件可知，光的衍射现象不易观察。 2．三种不同的衍射现象 (1)单缝衍射 ①单色光的单缝衍射图样是明暗相间、亮度越来越暗且不等距的条纹，中央是亮纹，亮度大，宽度也大；波长越长，条纹间距越大，中央亮纹越宽； ②白光的单缝衍射图样中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央亮纹的色光是紫光，最远离中央亮纹的色光是红光。 (2)泊松亮斑——障碍物的衍射现象 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。 (3)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。 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)、完全黑暗。 角度1　单缝衍射现象 某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为 0.05 mm 的窄缝(水平)，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　) [解析]　单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，故衍射条纹也是水平的，A、B、C错误，D正确。 [答案]　D 角度2　圆孔衍射 (2023·哈尔滨工业大学附中校考)用如图1所示装置做圆孔衍射实验，在屏上得到的衍射图样如图2所示，实验发现光绕过孔的边缘，传播到了相当大的范围。下列说法正确的是(　　) A．这个实验用事实证明了光不是一种波 B．圆孔变小，衍射图样的范围反而变大 C．圆孔变小，中央亮斑的亮度反而增强 D．不同波长的光对应衍射图样完全相同 [解析]　衍射实验证实了光具有波的性质，光是一种波，故A错误；圆孔变小，衍射现象更明显，即衍射图样的范围反而变大，故B正确；圆孔变小时，光透过的能量会变小，而中央亮斑面积会变大，所以亮度反而会变暗，故C错误；用不同波长的光做实验，衍射图样不完全相同，相同孔径时，波长越长，则亮斑会越大，故D错误。 [答案]　B 角度3　圆盘衍射 如图所示的四个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样(　　) [解析]　由泊松亮斑衍射图样特点可知B正确。 [答案]　B 知识点二　单缝衍射与双缝干涉的比较 在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中，哪些属于光的单缝衍射图样？哪些属于光的干涉图样？ 提示：单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉图样，b、d是单缝衍射图样，c是水波的衍射图样。 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 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 中间条纹最亮，两边变暗 清晰条纹，亮度基本相同 相同点 成因 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减弱的结果 意义 干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波 　(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列。 (2)光波的波长变大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。 (3)复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。 (多选)如图(a)所示的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)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 [解析]　题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样；题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹。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，乙是蓝色条纹，操作2是单缝衍射实验，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丙是红色条纹，丁是蓝色条纹，故A、D正确，B、C错误。 [答案]　AD 知识点三　自然光和偏振光的比较 取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，软绳上形成一列横波，质点在竖直平面内沿着上下方向振动。如果手持绳的一端左右抖动，会在绳上形成另一列横波，质点在水平面内沿着左右方向振动。现在让上下抖动的软绳穿过一块带有狭缝的木板。分别将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置，观察发生的现象(如图甲、乙所示)。如果将这根软绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，观察发生的现象(如图丙所示)。这两种现象说明什么？ 提示：当机械波是横波时，若质点的振动方向与狭缝平行，则机械波能透过狭缝传播，若质点的振动方向与狭缝垂直则不能透过狭缝传播。对纵波而言，不管什么情况，纵波总能透过狭缝传播。 1．振动方向 自然光在垂直于光的传播方向的平面内，沿所有方向振动；偏振光在垂直于光的传播方向的平面内，沿某一特定的方向振动。 2．偏振现象 (1)如图甲所示，自然光通过偏振片后变成偏振光，后面的屏是明亮的，转动偏振片时，偏振光的振动方向随之变化，但屏上亮度不变。 (2)如图乙、丙所示，偏振光经过偏振片时，若光的振动方向与偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振动方向与偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于两者之间，随着振动方向与透振方向的夹角变大，亮度逐渐变暗。 (3)说明：偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实的狭缝。只要光的振动方向不与透振方向垂直，都可以不同程度地通过偏振片，不过强度要比振动方向与透振方向平行的光弱一些。 (多选)食品安全检验中碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间。以下说法正确的是(　　) 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处光强度最强，偏振片B转过的角度等于α D.将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α [解析]　开始时A、B的透振方向相同，将被测样品P置于A、B之间后，S发出的光经过A再经过样品后，振动方向转过了α角，从而与B的透振方向不同，光不能顺利通过B，所以到达O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；为使O处光强度最强，可以将B转过一定的角度后，使B的透振方向与光经过A和P后的振动方向相同，则B转过的角度应等于α，故C正确；为使O处光强度最强，也可以将A转过一定的角度后，使光经过A和P后的振动方向与开始时B的透振方向相同，则A转过的角度应等于α，故D正确。 [答案]　ACD 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？ [解析]　偏振片的作用类似于狭缝，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。 [答案]　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化　说明自然光是偏振光 知识点四　激光及应用 1．激光的产生 激光是人工产生的相干光。 2．激光的特点及应用 (1)激光强度大，由于激光具有能量高度集中的特点，聚集后可以在焦斑上达到很高的能量密度，因此可以用来对材料或工件进行打孔、焊接、切割等。 (2)利用激光的相干性，可将与物体反射光波的振幅和相位有关的信息转换成强度的变化，作用在感光材料上，记录下物体三维图像的信息，实现全息照相。 (3)激光方向性好，发散角很小，可用于激光测距。 (4)激光单色性好，激光作为一种高亮度的单色光源，颜色几乎是完全一致的。 (多选)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的(　　) A．单色性好　　　　　 B．方向性好 C．高能量 D．相干性好 [解析]　由于激光站与卫星相隔距离远，为了减少能量损失，必须使激光具有很好的方向性，同时使用激光的高能量。 [答案]　BC 1．(光的衍射现象)对光的衍射的定性分析，下列说法不正确的是(　　) A．只有障碍物或孔的尺寸跟光的波长相差不大甚至比光的波长还要小的时候，才能产生明显的光的衍射现象 B．光通过单缝产生的衍射条纹间距不相等 C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论 D．光的衍射现象说明了光具有波动性 解析：选C。只有障碍物或孔的尺寸跟光的波长相差不大甚至比光的波长还要小的时候，才能产生明显的光的衍射现象，A正确，不符合题意；光通过单缝产生的衍射条纹间距不相等，中间宽，两侧窄，B正确，不符合题意；光的直线传播是近似规律，光的衍射现象并没有否定光的直线传播的结论，故C错误，符合题意；光的衍射现象说明了光具有波动性，D正确，不符合题意。 2．(自然光和偏振光)关于自然光和偏振光，下列观点正确的是(　　) A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能 B．偏振光只能由自然光透过偏振片获得 C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光 D．自然光和偏振光都能使感光底片感光 解析：选D。振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，A错误；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光，B错误；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，C错误；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D正确。 3．(激光的应用)(多选)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，把诸如癌症等病症彻底根除。在上述技术中，人们主要利用了激光的(　　) A．单色性　　　　　　　 B．单向性 C．亮度高 D．粒子性 解析：选BC。激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”，所以A、D错误，B、C正确。 4．(偏振光)(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射方向)(　　) 解析：选ABD。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，垂直时不能通过，故A、B、D正确。 5．(单缝衍射与双缝干涉)如图所示的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(黑色部分表示亮纹)，则在下面的四个图中从左往右排列，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 解析：选B。从图样可以看出从左数第1、3个图为干涉图样，由Δx＝λ可知，从左数第1个图为红光的干涉图样，第3个图为蓝光的干涉图样；第2、4个图为衍射图样，且第4个图衍射明显，故第4个图应为黄光的衍射图样，故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $