第四章 6 光的衍射与偏振 7 激光（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（教科版）

本高中物理讲义聚焦光的衍射、偏振与激光核心知识点，先通过机械波衍射条件引入光的衍射，分析单缝、圆孔、圆板衍射的图样特点及明显衍射条件，再借偏振现象证明光是横波并介绍应用，最后阐述激光的特性与实际用途，构建从现象到本质再到应用的学习支架。 该资料设计亮点在于通过对比表格区分单缝衍射与双缝干涉，培养科学思维中的模型建构与科学论证，结合红光衍射、3D电影等实例引导科学探究。课中例题解析助教师突破重点，课后对点练习让学生巩固知识，强化物理观念与科学态度，实现课内外高效学习。

6　光的衍射与偏振 7　激光 [学习目标]　1.观察光的衍射现象，知道发生明显衍射现象的条件(重点)。2.观察光的偏振现象，知道光是横波，知道偏振现象的应用。3.了解激光的特征和应用。 一、光的衍射 图中小孔成像的现象说明了光是沿直线传播的，而双缝干涉现象则证明了光是一种波，波能发生干涉还可以发生衍射，结合机械波产生明显衍射现象的条件，猜测生活中很难观测到光的衍射现象的原因。 答案　机械波发生明显衍射的条件是缝或障碍物的尺寸跟波长相差不大，或者比波长更小。可见光的波长远小于一般障碍物或孔的尺寸，不能产生明显的衍射现象，所以生活中很难观测到。 1.光的衍射 光通过很小的狭缝时，明显地偏离了直线传播方向。按照直线传播的规律应该属于阴影的区域也会出现亮条纹；反之，应该属于亮区的地方也会出现暗的区域。这种现象叫作光的衍射。 2.三种衍射图样的特点 (1)单缝衍射 ①单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄； ②波长一定时，单缝窄(填“宽”或“窄”)的中央亮条纹宽，条纹间距大；单缝不变时，光波波长大(填“大”或“小”)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，在光屏上出现明暗相间的圆环。如图所示。 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。波长越长，中央圆形亮斑的直径越大。 (3)圆板衍射(泊松亮斑) ①若在单色光传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴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。 1.当障碍物的尺寸较大时，我们观察到光是沿直线传播的，此时光是否发生了衍射？发生明显衍射的条件是什么？ 答案　此时光发生了衍射，只是不明显。 发生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相差不大，或者比波长还小。 2.我们经常看到交通信号灯、安全指示灯、雾灯、施工警示灯等都是红色的，除了红色光容易引起人们的视觉反应外，还有一个重要原因，这个原因是什么？ 答案　红光波长较长，比其他可见光更容易发生明显衍射现象。 3.如果让白光分别通过狭缝或圆孔，那么形成的衍射图样各有什么特点？ 答案　白光通过狭缝时，衍射图样中央为白色亮条纹，两侧为很快减弱的彩色条纹；白光通过圆孔时，衍射图样中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色的同心圆环。 (1)红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹。(　√　) (2)单色光的圆孔衍射，中央为大且亮的圆斑，周围为等间距的同心圆。(　×　) 例1　(2024·泸州市高二月考)关于光的衍射现象，下面说法正确的是(　　) A.光通过小圆孔后在光屏上出现了泊松亮斑，说明发生了衍射 B.白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹 C.光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射 D.红光的单缝衍射图样是不等间距的、红黑相间的直条纹 答案　D 解析　光照到不透明小圆板上出现泊松亮斑，说明发生了衍射，故A错误； 白光的单缝衍射图样，是彩色的直条纹，故B错误； 光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，但仍存在光的衍射，不过不明显而已，故C错误； 红光的单缝衍射图样，是不等间距的、红黑相间的直条纹，故D正确。 例2　在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用红色平行光照射狭缝，光屏上出现如图所示的图样。可使中央亮条纹变宽的操作是(　　) A.增大平行光的宽度 B.减小单缝的宽度 C.减小屏到单缝的距离 D.改用绿色平行光照射 答案　B 解析　要使中央亮条纹变宽，即使衍射现象更明显，则可减小单缝的宽度，或者改用波长更大的平行光照射，因绿光的波长小于红光，则改用绿色平行光照射不能使中央亮条纹变宽，故选B。 针对训练1　(多选)(2024·攀枝花市高二月考)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 答案　CD 解析　衍射与干涉图样的区别是：前者是中央亮条纹亮且宽大，越向两侧宽度越小，后者条纹间距相等，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；而圆板衍射图样中间较大的区域是暗的，在暗区域中心存在一个比较小的亮点，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。 种类 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) 频率相同的两列光波相遇叠加 条纹 宽度 条纹宽度不等，中央条纹最宽 条纹间距相等 条纹 间距 各相邻条纹间距不等 各相邻亮(暗)条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，越向两侧条纹越暗 各亮条纹亮度基本相同 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 二、光的偏振 1.偏振现象 (1)如图所示，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，绳上横波就不能通过了，这种现象叫作偏振。 (2)偏振现象是横波特有的现象。 2.光的偏振 (1)偏振片 由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特殊的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作透光方向。 (2)线偏振光和自然光 ①线偏振光：光振动的方向限在一个平面。 ②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。 (3)光有偏振现象，说明光是横波。 3.偏振现象的应用 (1)照相机镜头前装一偏振滤光片，让它的透光方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景物清晰。 (2)立体电影。 (3)各种液晶显示器。 例3　(多选)如图所示，电灯在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光亮，则(　　) A.图中a光为偏振光 B.图中b光为偏振光 C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮 D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮 答案　BD 解析　自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只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，它通过偏振片A后，即变为偏振光，故A错，B对；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无法看到光亮；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处将看到光亮，故C错，D对。 针对训练2　(2024·自贡市高二月考)与光的偏振原理有关的是(　　) A.泊松亮斑 B.3D电影 C.小孔成像 D.海市蜃楼 答案　B 解析　泊松亮斑是光的衍射现象，故A错误； 3D电影的播放和观看利用了光的偏振现象，故B正确； 小孔成像利用的是光沿直线传播，故C错误； 海市蜃楼是由光在不均匀介质中发生折射造成的，故D错误。 三、激光 1.激光的特性：强度大、方向性好、单色性好、相干性好、覆盖波段宽而且可调谐等。 2.激光的应用：激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排等。 例4　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 答案　C 解析　激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，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； 激光测距利用了激光平行度好的特点，故C错误； 光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号来调制，使其在光导纤维中进行传递信息，故D正确。 课时对点练 [分值：60分] [1~8题，每题4分] 考点一　光的衍射 1.(多选)(2024·自贡市高二期中)用游标卡尺观察光的衍射现象时，下列说法正确的是(　　) A.游标卡尺形成的狭缝应平行于日光灯，且狭缝远离日光灯，人眼也远离狭缝进行观察 B.游标卡尺狭缝平行于日光灯观察时，可观察到中央为白色条纹，两侧为彩色条纹，且彩色条纹平行于日光灯 C.狭缝宽度由0.2 mm缩小到0.05 mm，条纹间距变宽，亮度变暗 D.狭缝宽度由0.04 mm扩展到0.2 mm，条纹间距变宽，亮度变暗 答案　BC 解析　当游标卡尺狭缝平行于日光灯，狭缝远离日光灯时，眼睛应靠近狭缝进行观察，观察到平行于日光灯的彩色条纹，且中央为白色条纹，故A错误，B正确； 狭缝越小，衍射现象越明显，即条纹间距变宽，但亮度变暗，故C正确，D错误。 2.一束红色激光射向一块有双缝的不透光的薄板。在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现在将其中一条窄缝挡住，让这束红色激光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　　) A.与原来相同的明暗相间的条纹，只是亮条纹比原来暗一些 B.与原来不相同的明暗相间的条纹，且中央亮条纹变宽些 C.只有一条与缝宽对应的亮条纹 D.无条纹，只存在一片红光 答案　B 解析　因产生了干涉现象，说明两缝都很窄，能够满足使红光发生明显衍射的条件，即挡住一条窄缝后，在屏上得到的是红光的单缝衍射图样，即在光屏上可以看到与原来不相同的明暗相间的条纹，且中央亮条纹变宽些，故选B。 3.(2024·成都市高二期末)如图所示，甲、乙两图是同一单色光分别透过孔径为d甲和d乙的两圆孔后在光屏上形成的图样，则(　　) A.d甲>d乙 B.d甲=d乙 C.d甲<d乙 D.无法判断 答案　C 解析　根据图样可知，题图甲发生了光的衍射现象，题图乙图样的形成是由于光的直线传播，根据发生明显衍射的条件可知，题图甲中孔径的尺寸与光的波长相差不多，而题图乙中光发生直线传播，孔径的尺寸比光的波长大得多，因此有d甲<d乙，故选C。 4.(2024·绵阳市高二期末)光照射不透明的小圆板时，在圆板阴影的中心出现泊松亮斑。泊松亮斑的形成是由于(　　) A.光的干涉 B.光的衍射 C.光的折射 D.光的偏振 答案　B 解析　用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，这就是泊松亮斑，是单色光绕过不透光的圆板发生衍射形成的，故选B。 考点二　光的偏振 5.(多选)(2024·自贡市高二期末)下列有关光的叙述正确的是(　　) A.立体电影的制作与观看是应用光的偏振现象 B.相机镜头表面镀上一层增透膜是应用光的衍射现象 C.茶色眼镜利用了光的偏振现象 D.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可减弱水面反射光的影响 答案　AD 解析　立体电影的制作与观看是应用光的偏振现象，放映时用双镜头放映机，每个镜头前有透光方向不同的偏振片，观众戴的眼镜也有相应方向的偏振片，这样每只眼睛只能看到一个镜头所投影的图像，故A正确；相机镜头表面镀上一层增透膜是应用光的干涉原理，对反射光进行振动减弱，从而使透射光增加，故B错误；茶色眼镜的镜片是有色镜片，它只能通过与镜片相同颜色的光，以减弱光的透射，不是偏振现象，故C错误；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可减弱水面反射光的影响，故D正确。 6.用图示实验装置演示光的偏振现象，白炽灯O发出的光通过两个透光方向平行的偏振片P、Q照到光屏上，通过偏振片前后的光束分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，下列说法正确的是(　　) A.白炽灯发出的光是纵波 B.偏振片Q起到检偏的作用 C.光束Ⅱ中光的振动方向与透光方向垂直 D.将偏振片P以光传播方向为轴转动45°，光束Ⅲ将消失 答案　B 解析　光是一种横波，A错误；白炽灯发出的光经过偏振片P后就成为偏振光，又经与P透光方向平行的偏振片Q照到光屏上，所以偏振片Q起到检偏作用，B正确；光束Ⅱ中的光是经偏振片P透射来的，所以光束Ⅱ中光的振动方向与透光方向不可能垂直，C错误；将偏振片P以光传播方向为轴转动45°，光束Ⅲ将会减弱但不会消失，D错误。 7.(2024·成都市高二期末)下列现象能说明光是横波的是(　　) A.图(a)，DNA分子的X射线衍射 B.图(b)，肥皂薄膜的彩色干涉 C.图(c)，水中气泡因发生全反射而特别明亮 D.图(d)，旋转相机镜头前的偏振片改变偏振方向，拍摄同一景物呈现不同景象 答案　D 解析　DNA分子的X射线衍射，光的衍射现象表明光具有波动性，但不能说明光是横波，故A错误； 光的干涉证明了光具有波动性，但不能说明光是横波，故B错误； 全反射不能说明光具有波动性，故C错误； 偏振片对入射光具有遮蔽和透过的功能，可使纵向光或横向光一种透过，偏振现象是横波所特有的，光的振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，因此，具有偏振性的光说明光是横波，故D正确。 考点三　激光 8.如图所示，用红色激光对准球状水滴照射，背面放上一副白屏，就可以获得水中微生物的衍射图样，对此，下列说法正确的是(　　) A.激光是一种横波，传播时需要介质 B.激光进入水滴后波长不会发生变化 C.微生物的大小接近激光波长时，衍射现象明显 D.换绿色激光照射水滴，一定不能得到微生物的衍射图样 答案　C 解析　激光属于电磁波，是一种横波，传播时不需要介质，A错误； 激光进入水滴后，频率不变，光速变小，根据公式λ=，则波长减小，B错误； 当障碍物的大小小于等于光的波长时，会发生明显的衍射，故微生物的大小接近激光波长时，衍射现象明显，C正确； 绿色激光的波长小于红色激光的波长，但如果微生物的大小小于等于绿色激光的波长，也能发生明显的衍射，也能得到微生物的衍射图样，D错误。 [9~12题，每题7分] 9.(多选)(2024·凉山州高二期末)下列说法正确的是(　　) A.全息照片的拍摄利用了光的干涉原理 B.利用自然光也可以拍摄全息照片 C.全息照相过程中，只有一部分光照射到底片上 D.全息照相过程中，有两部分光照射到底片上 答案　AD 解析　自然光不是相干光，因此不能用来拍摄全息照片，故B错误；全息照相过程中，要把激光分成两部分照射到底片上发生干涉，从而形成全息照片，故A、D正确，C错误。 10.利用微距相机可以拍摄到形状各异的雪花图像，其中有一种“彩虹”雪花，中间部分有一个夹有空气的薄冰层，呈彩色花纹。下列现象的原理与之相同的是(　　) A.泊松亮斑 B.阳光下的肥皂泡呈现彩色条纹 C.利用光导纤维传递信息，实现光纤通信 D.电影院放映3D影片，佩戴立体眼镜，形成立体效果 答案　B 解析　该现象是光的干涉现象，则泊松亮斑是光的衍射，原理与该现象不相同，故A错误； 阳光下的肥皂泡呈现彩色条纹是光的干涉，原理与该现象相同，故B正确； 利用光导纤维传递信息，实现光纤通信，是全反射现象，原理与该现象不相同，故C错误； 电影院放映3D影片，佩戴立体眼镜，形成立体效果，是光的偏振，原理与该现象不相同，故D错误。 11.(多选)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，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(　　) A.单色性好 B.方向性好 C.高能量 D.相干性好 答案　BC 解析　由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，利用了激光具有很好的方向性的特点，同时利用激光的高能量特点，故选B、C。 12.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列说法正确的是(　　) A.这里应用的是光的衍射现象 B.这里应用的是光的干涉现象 C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗 D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细 答案　AD 解析　若障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或更小，衍射现象较明显，通过观察屏上条纹的变化情况，从而监控抽制的细丝的情况，如果屏上条纹变宽，表明衍射现象更明显，即抽制的丝变细，故A、D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $