第六節光的衍射和偏振第七節激光[核心素養·明目標]核心素養學習目標物理觀念知道光的衍射現象，明確產生明顯衍射現象的條件物理觀念知道光的偏振現象和激光科學方法知道光的衍射條紋與干涉條紋的區別科學態度與責任了解偏振光和激光的應用知識點一光的衍射1．定義光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，會偏離原有直線傳播的途徑而繞到障礙物后面的現象．2．常見的衍射現象(1)狹縫衍射現象．(2)圓孔衍射現象．3．光的明顯衍射的條件當障礙物或孔的尺寸與光的波長相當，甚至小于光的波長時，衍射現象將十分明顯．知識點二光的偏振1．偏振片是一種由特殊材料制成的元件，它有一個特殊的方向，叫作透振方向．當光的振動方向與透振方向平行時，光能完全通過偏振片；當光的振動方向與透振方向垂直時，光不能通過偏振片，當處于兩者之間時，光只能部分通過．2．只有橫波才具有偏振性，光的偏振現象驗證了光是橫波．3．偏振現象在生活中的應用：(1)保護眼睛的偏振光眼鏡．(2)攝影愛好者常備的偏振濾光片．知識點三激光1．激光的特性(1)單色性好．(2)相干性好．(3)平行度好．(4)亮度高．2．激光的應用(1)光導纖維中用激光作為信息高速傳輸的載體．(2)激光在雷達上用于測量距離和跟蹤目標．(3)工業上的激光切割、激光焊接技術，醫學上切割腫瘤的“光刀”等．(4)全息照相．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)．(1)衍射和干涉條紋都是明暗相間的，所以二者是一樣的． (×)(2)所有光都能發生衍射現象． (√)(3)激光是人工產生的相干光，其單色性好、相干性好． (√)(4)光的偏振現象說明光是橫波． (√)2．(多選)關于衍射，下列說法正確的是()A．衍射現象中條紋的出現是光疊加后產生的結果B．雙縫干涉中也存在衍射現象C．一切波都很容易發生明顯的衍射現象D．影的存在是一個與衍射現象相矛盾的客觀事實AB[衍射花紋圖樣是光波相互疊加的結果，故A正確；雙縫干涉中縫的寬度與波長差不多，光通過逢時，也發生了衍身現象，故B正確；衍射是波特有的現象，一切波都能發生衍射，但只有波長大于或相當于障礙物或小孔的尺寸時，才能發生明顯的衍射，故C錯誤；當波長比障物或孔的寬度小得多時，不能發生明顯的衍物，這是表現出直線傳播的特征，出現了影，影的存在與衍射現象并不是相互矛盾的，故D錯誤．]3．(多選)一束自然光通過起偏器照射到光屏上，則圖中光屏上發亮的有(起偏器上用箭頭表示其透射方向)()ABD[自然光通過起偏器后成為偏振光，當偏振光的振動方向與起偏器的透振方向平行時能夠通過，否則不能通過，所以A、B、D正確．]考點1光的衍射取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一．先用點光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現一個明亮的圓形光斑圖a；再換上圓孔中等的那塊板，在屏上會出現圖b；最后用圓孔最小(直徑約為1mm)的那塊板，在屏上會出現圖c．(1)屏上圖b產生了什么現象？(2)比較屏上圖b和圖c，說明了什么？提示：(1)衍射現象．(2)孔越小，衍射現象越明顯．1．單縫衍射圖樣(1)中央條紋最亮，越向兩邊越暗；條紋間距不等，越靠外，條紋間距越小，中央條紋最寬，兩邊條紋寬度變窄．(2)縫變窄通過的光變少，而光分布的范圍更寬，所以亮條紋的亮度降低．(3)中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長及單縫寬度有關，入射光波長越大，單縫越窄，中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大．(4)用白光做單縫衍射實驗時，中央亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中央亮條紋仍然最寬最亮．2．圓孔衍射圖樣(1)中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越小，如圖所示．(2)圓孔越小，中央亮斑的直徑越大，同時亮度越弱．(3)用不同色光照射圓孔時，得到的衍射圖樣的大小和位置不同，波長越大，中央圓形亮斑的直徑越大．(4)白光的圓孔衍射圖樣中，中央是大且亮的白色光斑，周圍是彩色同心圓環．(5)只有圓孔足夠小時才能得到明顯的衍射圖樣．在圓孔由較大直徑逐漸減小的過程中，光屏上依次得到幾種不同的現象——圓形亮斑(光的直線傳播)、光源的像(小孔成像)、明暗相間的圓環(衍射圖樣)．3．不透明的小圓板衍射圖樣(泊松亮斑)(1)中央是亮斑．(2)形成泊松亮斑時，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環．(3)周圍的亮環或暗環間距隨半徑增大而減小．【典例1】對于單縫衍射現象，下列說法正確的是()A．縫的寬度d越小，衍射條紋越亮B．縫的寬度d越小，衍射現象越明顯C．縫寬度d越小，光傳播路線越接近直線D．入射光的波長越短，衍射現象越明顯B[單縫衍射現象中，波長越長越容易衍射，中央亮紋越寬，所以d減小，相對波長變長，因此衍射現象越明顯．縫寬度d越小，越體現光子的隨機性，衍射越明顯，入射光的波長越長，衍射現象越明顯，所以答案為B．][跟進訓練]1．(多選)在觀察光的衍射實驗中，分別觀察到如圖甲、乙所示的清晰的明暗相間的圖樣，圖中黑線為暗紋．那么障礙物應是()甲乙A．甲圖對應的障礙物應是小圓孔B．甲圖對應的障礙物是小圓板C．乙圖對應的障礙物應是小圓板D．乙圖對應的障礙物是小圓孔AC[比較兩圖，它們的背景明顯不同，甲圖的背景為黑色陰影，說明障礙物應是很大的不透明擋板，中間有透光并且帶有衍射圖樣的花紋，說明擋板的中間有小圓孔；乙圖的背景為白色，說明周圍沒有障礙物，中間有不透光圓形陰影，并且帶有衍射圖樣的花紋，說明中間存在很小的不透明圓板，乙圖正中央的小亮點是泊松亮斑．故A、C正確，B、D錯誤．]考點2單縫衍射、雙縫干涉的比較如圖甲是光的干涉圖樣，如圖乙是光的衍射圖樣，在條紋寬度和條紋間距方面有什么不同？提示：甲圖條紋寬度相等，乙圖不等．甲圖條紋間距等距，乙圖不等．單縫衍射與雙縫干涉的比較名稱單縫衍射雙縫干涉不同點產生條件只要狹縫足夠小，任何光都能發生頻率相同的兩列光波相遇疊加條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相等相同點成因都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時加強或削弱的結果意義都是波特有的現象，表明光是一種波【典例2】如圖所示的4種明暗相間的條紋，是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)．則在下面的四個圖中從左往右排列，哪個圖是黃光形成的條紋()ABCDD[雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋，所有條紋寬度相同且等間距，故A、C是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣；單縫衍射條紋是中間明亮且寬大，越向兩側寬度越小越暗，而波長越長，中央亮條紋越粗，故B、D是衍射圖樣，紫光波長較短，則中央亮條紋較細，故B是紫光的衍射條紋，D是黃光的衍射條紋．故選D．]區分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法(1)根據條紋的寬度區分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的，而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，而兩側的亮條紋逐漸變窄．(2)根據亮條紋的亮度區分：雙縫干涉條紋，從中央亮紋往兩側亮度變化很小，而單縫衍射條紋的中央亮紋最亮，而兩側的亮紋逐漸變暗．考點3激光激光作為一種人造光源在科研、通訊、工業生產、軍事科技等領域都有著廣泛應用，如激光干涉儀、激光切割機、激光炮等．激光的應用如此廣泛，激光到底具有哪些特性？激光干涉儀激光切割機激光炮提示：激光具有單色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特點．激光的特性及應用特點(與普通光相比)特點內容應用單色性好相干性好頻率單一，相位差恒定，易發生干涉現象，可像無線電波一樣調制激光全息照相、光纖通信、光的干涉方向性好激光的方向性非常好，是一束幾乎不發散的平行光，可以會聚到很小的點上測距和跟蹤目標、CD唱片、計算機光盤亮度高激光能在很小的空間、很短的時間內集中很大的能量“光刀”、激發核反應【典例3】關于激光的應用，下列說法正確的是()A．全息照片拍攝是利用了激光的全反射原理B．利用激光是相干光，可以用在雷達上進行精確的測距C．由于激光平行度好，它能像無線電波那樣被調制，用來傳遞信息D．利用激光亮度高，可以用在醫學上做光刀切除腫瘤，或“焊接”剝落的視網膜D[全息照片拍攝是利用了激光的頻率單一，相干性好，能夠產生明顯的干涉，故A錯誤；利用激光平行度好，可以用在雷達上進行精確的測距，故B錯誤；利用激光相干性好，它能像無線電波那樣被調制，用來傳遞信息，故C錯誤；利用激光光強度大、能量集中，可以用在醫學上做光刀切除腫瘤，或“焊接”剝落的視網膜，故D正確．][跟進訓練]2．激光可以用來進行精確的測距，激光測距雷達就是一種可以用來測距的裝置，它是利用了激光的什么特點()A．激光具有高度的相干性B．激光的平行度非常好C．激光的亮度高D．激光的單色性好B[“激光測距雷達”利用激光測量很遠距離的目標是因為激光平行度好，方向性好．故B正確．]考點4光的偏振如圖所示是立體電影中的圖片．為什么立體電影會產生如此神奇的效果？提示：在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，這副眼鏡就是一對透振方向相互垂直的偏振片．1．偏振現象對于橫波通過狹縫的情況，只有狹縫的方向與橫波質點的振動方向相同時，橫波才能無阻礙地通過狹縫，而當狹縫的方向與橫波質點的振動方向垂直時，橫波不能通過狹縫，說明偏振是橫波特有的現象．2．自然光與偏振光的區別種類自然光(非偏振光)偏振光光的來源直接從光源發出的光自然光通過起偏器后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光強度都相同在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿某一特定方向(與起偏器透振方向一致)【典例4】(多選)在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏，如圖所示，則下列說法正確的是()A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱[思路點撥]該題可按如下思路分析：太陽光是自然光振動方向與偏振片的透振方向相同的光透過兩平行偏振片的透振方向平行時透光最多，垂直時不透光．BD[P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉變為偏振光，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時通過Q的光強最小，即無論旋轉P或Q，屏上的光強都是時強時弱．]關于“偏振”的幾個注意事項(1)偏振片是由特定的材料制成的，每個偏振片都有一個特定的方向，這個方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振動的光才能通過偏振片．(2)偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是真實狹縫．(3)光的偏振現象說明光是一種橫波．(4)自然光透過偏振片可以變成偏振光．(5)當偏振片的偏振方向與光的偏振方向夾角不同時，透過偏振片的光的強度不同．[跟進訓練]3．關于自然光和偏振光，下列觀點正確的是()A．自然光能產生干涉和衍射現象，而偏振光卻不能B．只有自然光透過偏振片才能獲得偏振光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D[振動沿各個方向均勻分布的光是自然光，而振動沿著特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能發生干涉、衍射，所以A錯；光的偏振現象并不罕見，除了從光源直接發出的光以外，我們通常看到的絕大部分光，都是偏振光，所以B錯；光的顏色由光的頻率決定，與光的振動方向無關，所以C錯；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D對．]1．物理觀念：光的衍射、光的偏振、激光．2．科學思維：光明顯衍射的條件．3．科學方法：比較光的衍射和光的干涉．4．科學態度與責任：全息照相．1．對衍射現象的定性分析，不正確的是()A．光的衍射是光在傳播過程中繞過障礙物發生傳播的現象B．衍射條紋圖樣是光波相互疊加的結果C．光的衍射現象為光的波動說提供了有力的證據D．光的衍射現象完全否定了光的直線傳播結論D[衍射現象是波繞過障礙物發生傳播的現象，衍射條紋是波的疊加的結果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以選項A、B、C正確；光的直線傳播只是近似的，只有在光的波長比障礙物尺寸小得多的情況下，光才被看作是沿直線傳播的，所以光的衍射現象和直線傳播是不矛盾的，所以選項D錯誤．]2．觀察單縫衍射現象時，把縫寬由0.2mm逐漸增大到0.8mm，看到的現象是()A．衍射條紋的間距逐漸變小，衍射現象逐漸不明顯B．衍射條紋的間距逐漸變大，衍射現象越來越明顯C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增強D．衍射條紋的間距不變，只是亮度減弱A[由單縫衍射實驗的調整與觀察可知，狹縫寬度越小，衍射現象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大．將縫調寬，現象向相反方向變化，故選項A正確．]3．2016年，科學家利用激光干涉方法探測到由于引力波引起的干涉條紋的變化，這是引力波存在的直接證據．關于激光，下列說法中正確的是()A．激光是自然界中某種物質直接發光產生的，不是偏振光B．激光相干性好，任何兩束激光都能發生干涉C．用激光照射不透明擋板上小圓孔時，光屏上能觀測到等間距的光環D．激光全息照片是利用光的干涉記錄下物體三維圖像的