物理选择性必修 第一册5 光的衍射导学案

这是一份物理选择性必修 第一册5 光的衍射导学案，共13页。


知识点一 光的衍射
1．定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。
2．衍射图样：衍射时产生的明暗条纹或光环。
3．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。
4．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
5．衍射光栅
(1)结构
由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器。
(2)衍射图样特点
与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。
“当障碍物较大时，衍射现象就不会发生”，这种观点正确吗？
提示：不正确。
1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)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。(×)
(2)用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹。(√)
知识点二 光的偏振
1．自然光和偏振光
(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。
2．光的偏振
2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。(×)
(2)自然光通过偏振片后成为偏振光。(√)
(3)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。(√)
(4)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光几乎不能透过偏振片。(√)
知识点三 激光
3：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)激光是自然界普遍存在的一种光。(×)
(2)激光是一种人工产生的相干光。(√)
(3)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点。(√)
(4)激光精确测距利用激光的平行度好的特点。(√)
取3块不透光的板，在每块板的中间各开1个圆孔，3块板所开的圆孔大小不一。先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑图a；再换上圆孔中等的那块板，在屏上会出现图b；最后用圆孔最小(直径约为1 mm)的那块板，在屏上会出现图c。
(1)图b中的屏上产生了什么现象？
(2)比较屏上图b和图c说明了什么？
提示：(1)衍射。
(2)孔越小，衍射现象越明显。
考点1 光的衍射
1．产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射。对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显。由于波长越长，衍射性越好，所以观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多。
2．三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′区出现亮暗相间的条纹，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
①现象：圆孔衍射如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图乙a中所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙b中所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环。
甲
a b c
乙
②圆孔衍射图样的两个特点
a．单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外，亮环亮度越低。
b．白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。
(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象
①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，如图乙中c所示。
②障碍物的衍射图样的特点
圆形阴影中心有一亮斑，圆形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。与小孔衍射图样有明显区别。
【典例1】 对于光的衍射现象，下列说法正确的是( )
A．只有障碍物或孔的尺寸比波长还要大的时候，才能产生明显的衍射现象
B．衍射现象是光特有的现象，只有光才会发生衍射
C．光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论
D．光的衍射现象说明了光具有波动性
思路点拨：通过衍射现象可知光具有波动性。
D [光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象比较明显，只有在光的波长比障碍物的尺寸小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的，所以光的衍射现象和光沿直线传播是不矛盾的，它们是光在不同条件下产生的两种现象，衍射现象是波特有的现象，故正确的选项是D。]
对衍射现象的理解
(1)衍射现象是否明显方面：入射光波长越大，障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小，衍射现象越明显。
(2)衍射条纹的亮度方面：小孔和狭缝的尺寸越小，衍射条纹的亮度越小。
[跟进训练]
1．用单色光分别通过小圆盘与小圆孔做衍射实验时，在光屏上得到衍射图样，它们的特点是( )
A．用前者做实验时中央是暗的，用后者做实验时中央是亮的
B．用前者做实验时中央是亮的，用后者做实验时中央是暗的
C．中央均为亮点的同心圆形条纹
D．中央均为暗点的同心圆形条纹
C [前者为障碍物小圆盘的衍射，障碍物后的阴影中央是一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，是光绕过盘的边缘后在中央叠加后形成的，在亮斑的周围有一个大的影区，在影区的边沿有明暗相间的圆环。圆孔衍射形成的图样是明暗相间的同心圆环，中央是明亮的。]
考点2 单缝衍射和双缝干涉的比较
【典例2】 如图所示的四种明暗相间的条纹分别是红光、黄光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样，以及绿光、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)。在下面的四幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是( )
a b c d
A．黄绿红紫B．黄紫红绿
C．红紫黄绿D．红绿黄紫
C [双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故a、c两个是双缝干涉现象，根据双缝干涉条纹间距Δx＝eq \f(l,d)λ可以知道波长λ越大，Δx越大，故a是红光，c是黄光；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，故b、d是单缝衍射图样，b为紫光的单缝衍射图样，d为绿光单缝衍射图样；故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、黄光(双缝干涉)和绿光(单缝衍射)。]
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄。
(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗。
[跟进训练]
2．如图所示，a、b、c、d四个图是单色光在不同条件下形成的干涉或衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )
a b c d
A．a是光的衍射图样B．b是光的干涉图样
C．c是光的干涉图样D．d是光的衍射图样
D [a是光的双缝干涉图样，条纹间距相等，A错误；b是光的单缝衍射图样，中央亮条纹最宽，向外条纹变窄，间距变小，B错误；c是圆孔衍射图样，C错误；d是泊松亮斑(光照射在小圆盘上却出现中央亮斑)，是光的衍射图样，D正确。]
考点3 光的偏振
1．偏振片和透振方向
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，只有沿着某个特定方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。
2．自然光和偏振光的比较
【典例3】 在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图所示，则下列说法不正确的是( )
A．P是起偏器，作用是把太阳光转变为偏振光
B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱
C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变
D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱
C [P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P的透振方向一致，所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时通过Q的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱，故A、B、D正确，C错误。故选C。]
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，透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。
[跟进训练]
3．如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧。旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是( )
A．A、B均不变 B．A、B均有变化
C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变
C [白炽灯光是自然光，包含各个方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，此时只有偏振片Q与P的偏振方向一致时偏振光才能完全透过Q，因此在旋转P时B点的光强有变化，选项C正确。]
考点4 激光
1．激光的产生
激光是实验室中制造出的光，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．激光的特点
(1)激光是人工产生的相干光，其单色性好，相干性好。
(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。
【典例4】 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
C [由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光具有高度的相干性，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。]
[跟进训练]
4．对于激光的认识，以下说法不正确的是( )
A．激光是自然界普遍存在的一种光
B．激光是一种人工产生的相干光
C．激光已经深入到我们生活的各个方面
D．激光比普通光的相干性好
A [激光是自然界中没有的一种光，它是人工产生的相干光，在生活中已得到广泛应用，故B、C、D选项正确。]
1．对衍射现象的定性分析，不正确的是( )
A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象
B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果
C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据
D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论
D [衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C说法正确；光的直线传播只是近似的，在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，可以认为光是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，选项D说法错误。]
2．准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光，用于近视眼的治疗。关于这个治疗，以下说法不正确的是( )
A．近视眼是物体在眼球中成像在视网膜的前面，使人不能看清物体
B．激光的方向性好，可以在非常小的面积上对眼睛进行光凝手术
C．激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复
D．激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削
C [利用激光的方向性好对眼睛进行光凝手术是物理技术应用于临床医学的最新成果。人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体。当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清楚物体，这就是近视眼。激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的“凸透镜”的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上。故选项C符合题意。]
3．如图所示，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中哪一种照射P时不能在P的另一侧观察到透射光( )
A．太阳光
B．沿竖直方向振动的光
C．沿水平方向振动的光
D．沿与竖直方向成45°角的方向振动的光
C [偏振片只让沿某一方向振动的光顺利通过，当偏振片的透振方向与光的振动方向的夹角不为90°时，有光透过偏振片，但透射光的强度变弱。太阳光是自然光，光波可沿任何方向振动，所以在P的另一侧能观察到透射光；沿竖直方向振动的光，振动方向与偏振片的透振方向相同，当然也可看到透射光；沿水平方向振动的光，其振动方向与偏振片的透振方向垂直，所以看不到透射光；沿与竖直方向成45°角的方向振动的光，其振动方向与透振方向不垂直，仍可看到透射光。故选项C正确。]
4．(新情境题，以食品安全检测为背景，考查光的偏振)奶粉的碳水化合物(糖)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，就能确定被测样品中的含糖量。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。
问题：(1)当被测样品P置于A、B之间后到达O处光的强度怎样变化？
(2)要想使O处光强度最大，偏振片A或B应怎样转动？
[解析] (1)自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱。(2)将A或B转动一个最小角度α，使到达B的光的偏振方向与B的透振方向一致，此时O处光强最大。
[答案] 见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．光发生明显衍射的条件是什么？
提示：障碍物或孔的尺寸与波长相差不多，甚至比波长还小。
2．什么是光的偏振现象？
提示：只有沿偏振片的“透振”方向振动的光才能透过偏振片的现象。
3．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
照耀未来的激光
激光并非只是科幻影片中最有用的射线，早在1917年，爱因斯坦最先提出这样一种假设：光的发射与吸收可经由受激吸收、受激辐射与自发辐射3种基本过程。但在这以后相当长的一段时间内，有关受激辐射的研究并未引起人们的足够重视。直到20世纪50年代，科学家才找到将它用在器件上的方法。1958年，应用这种理论研制出第一台激光装置；1960年，美国物理学家梅曼用一个红宝石棒制造出第一台激光器。在当时，激光仅是一种漂亮的发明，因为任何人，包括制造激光的科学家都没能提出激光实际应用的设想。几十年后的今天，形势完全变了，激光在各个领域得到了广泛的应用，已经成为一种不可替代的工具。从商品上的条形码到尖端的外科手术，从激光打印机到激光雷达，激光显然已经成为照耀现代科技的一道光芒。
激光是一种特殊的光，它能把巨大的能量投向一个很小的范围，这束光可能强到足以气化很硬或很耐热的材料。激光是强烈的单色光，即只有一种颜色，因此光子的能量也是一样的。激光不同于太阳光和灯光，因为后两种光是由各种类型的能量组成，具有各种颜色，而激发红宝石的电子得到的是红激光束，而绿或蓝激光束的获得是激发氩或氪的气体“云”。这样人们就可以根据不同颜色即不同能量，正确地应用激光。
1．激光是怎样产生的？
提示：激光是原子受激辐射产生的光。
2．激光有何特点？
提示：激光的三大特点：相干性好、平行度好、亮度高。
学习任务
1．了解光的衍射现象、偏振现象，知道激光的特性，知道自然光和偏振光的区别。
2．了解光产生明显衍射的条件，知道光是一种横波。
3．通过实验了解光的衍射现象及偏振现象。
4．通过生活中实例观察，引导学生体会物理之美，培养学习兴趣。
偏振现象
只有沿偏振片的“ 透振方向”振动的光波才能通过偏振片
结论
偏振现象表明，光是一种横波
偏振光的形成
①自然光通过偏振片后，得到偏振光
②自然光在介质表面反射时，反射光和折射光都是偏振光
偏振现象的应用
把偏振片装在照相机镜头前
特点
性质
应用
相干性
只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光才是相干光。激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性
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
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；医学上可以用激光做“光刀”
比较项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生
条件
只要狭缝足够小，任何光都能发生
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，两边变暗
条纹清晰，亮度基本相等
相同点
成因
都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象，表明光是一种波
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
如上图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，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