物理人教版 (2019)第四章 光6 光的偏振 激光学案及答案

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物理观念：
1.知道光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件.
2.知道衍射条纹的特点.
3.知道光的偏振现象，知道光是横波.
4.知道偏振光和自然光的区别.
科学思维：
1.会区分衍射条纹和干涉条纹.
2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象.
科学探究：
1.通过观察光的偏振实验，了解光的偏振现象，加深对偏振的理解.
一、光的衍射
1.用单色平行光照射狭缝，当缝很 时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了 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 ，致使影的轮廓 ，出现 的条纹.
3.单缝衍射条纹的特点
一些明暗相间的条纹,中央条纹最宽、最亮,离中央条纹越远,亮条纹的宽度越窄,亮度越小。
4.发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸可以跟光的波长 ，甚至比光的波长还 的时候，衍射现象十分明显.
5.衍射光栅
(1)构成：由许多 的狭缝 地排列起来形成的光学元件.
(2)增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度变 ，亮度 .
(3)种类： 和 .
二、光的偏振
1.偏振现象与偏振方向
不同的横波,即使传播方向相同, 也可能是不同的。这个现象称为“偏振现象”。横波的 称为“偏振方向”。
2.光的偏振
(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于 上沿 方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的 都 .这种光是“自然光”.
(2)偏振片:由特定的材料制成的光学仪器。
(3)偏振片的透振方向:每个偏振片都有一个特定的方向,沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与这个方向垂直的光不能通过,这个方向叫作“透振方向”。
(4)偏振光:①通过偏振片的光波,在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动。这种光叫作偏振光。②自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光。
(5)偏振现象证明光是横波。
3.偏振现象的应用
在照相机镜头前装一片偏振滤光片,转动滤光片,让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直,就可以减弱反射光的影响。电子表的液晶显示、立体电影、车灯眩光的消除等.
三、激光的特点及其应用
1.激光:1960年,美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了 、 、 一致的光波,这就是激光。
2.激光的特点及应用
(1)激光具有高度的相干性。
(2)激光能像无线电波那样被调制,用来传递信息。
(3)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。激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距。
(4)激光的亮度很高,可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量,可以用于切割、焊接以及在很硬材料上打孔。
1.判断下列说法的正误.
(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.( )
(2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象.( )
(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.( )
2.下列四幅图片中属于光的干涉的是________，属于光的衍射的是________.
一、光的衍射
(1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上，逐渐减小两个卡脚之间的距离，使缝越来越小，观察照在屏幕上光斑的变化.缝宽大约多大时屏幕上出现条纹？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？
1.单缝衍射
(1)中央条纹最亮、越向两边越暗;中央条纹最宽,越靠外,条纹间距越窄。
(2)缝变窄,通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮条纹的亮度降低。
(3)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越长,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
(4)用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,两边是彩色条纹,中央亮条纹仍然最宽、最亮。
2.圆孔衍射：
(1)圆孔衍射
如图所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图甲所示的情形,无明显的衍射现象发生;当挡板AB上的圆孔很小时,光屏上出现图乙所示的衍射图样,为明暗相间的圆环。

图1 图2
(2)圆孔衍射的图样特征
①单色光: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,圆(亮)环亮度越低。
②白光:中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.圆板衍射(泊松亮斑)
(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,致使影的轮廓的边缘模糊不清,若在单色光(如激光)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,如图丙所示。
丙
(2)形成泊松亮斑时,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。
例1 对于单缝衍射现象,下列说法正确的是( )
A.缝的宽度d越小,衍射条纹越亮
B.缝的宽度d越小,衍射现象越明显
C.缝的宽度d越小,光的传播路线越接近直线
D.入射光的波长越短,衍射现象越明显
对衍射现象的理解
(1)衍射现象是否明显方面:入射光波长越长,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。
针对训练1 在一次观察光的衍射实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样,那么障碍物是下列给出的( )
A.很小的不透明圆板
B.很大的不透明圆板
C.很大的中间有大圆孔的不透明挡板
D.很大的中间有小圆孔的不透明挡板
二、单缝衍射与双缝干涉的比较
1.不同点
(1)产生条件eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(单缝衍射：只要狭缝足够小,双缝干涉：频率相同的两列光波相遇叠加))
(2)图样eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(单缝衍射的图样是中央为最宽最亮的亮条纹，两侧亮条纹变暗变窄,双缝干涉的图样是亮度相同的等间距的条纹))
2.相同点
(1)都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或减弱的结果.
(2)都是波特有的现象，表明光是一种波.
特别提示 光波的波长越长,干涉条纹、衍射条纹的宽度都变大。
例2 (多选)(2022山东卷)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象,狭缝S1、S2的宽度可调,狭缝到屏的距离为l。同一单色光垂直照射狭缝。实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是( )

甲 乙 丙
A.图乙是光的双缝干涉图样,当光通过狭缝时,也发生了衍射
B.遮住一条狭缝,另一条狭缝宽度增大,其他条件不变,图丙中亮条纹宽度增大
C.照射两条狭缝时,增加l,其他条件不变,图乙中相邻暗条纹的中心间距增大
D.照射两条狭缝时,若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍,P点处一定是暗条纹
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。
针对训练1 如图所示为红光、蓝光分别通过单缝、双缝所呈现的图样,则( )
A.甲为蓝光的衍射图样
B.乙为红光的干涉图样
C.丙为红光的衍射图样
D.丁为蓝光的干涉图样
三、光的偏振
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？
1.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”。偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。
2.对偏振方向与透振方向的理解
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，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”.
(1)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片.
(2)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间.
3.自然光和偏振光的比较
例3 在拍摄日落时分水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振片,其目的是( )
A.减少阳光在水面上的反射光
B.阻止阳光在水面上的反射光进入照相机镜头
C.增强光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
D.减弱光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
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偏振片方向的夹角大小有关。
四、激光的特点和应用
激光作为一种人造光源在科研、通信、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？
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,而相同条件下,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。
例4 让激光照射到VCD机、CD机、DVD机或计算机的光盘上,就可以读取光盘上记录的信息,经过处理后还原成声音和图像,这是利用了激光的( )
A.平行度好,可以会聚到很小的一点上
B.相干性好,可以很容易形成干涉图样
C.亮度高,可以在很短的时间内集中很大的能量
D.波长短,很容易发生明显的衍射现象
针对训练2 (多选)激光的诞生是一件大事,它使得人类获得了极其理想的、自然界中不存在的光源。下列激光的特性及其应用,正确的是( )
A.医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的相干性
B.实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光的相干性
C.激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的平行度好
D.激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高
1.(产生明显衍射的条件)观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm,看到的现象是( )
A.衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显
B.衍射条纹的间距逐渐变大,衍射现象越来越明显
C.衍射条纹的间距不变,只是亮度增强
D.以上现象都不会发生
2.(区分圆孔和圆板衍射图样)(2023河北邢台第二中学高二阶段练习)某研究性学习小组用激光束照射不同直径的圆孔和不透明圆板后,拍摄了许多屏上的图样,图甲和图乙是学习小组拍摄的图样中的两张,下列说法正确的是( )
A.图甲为“泊松亮斑”
B.图甲和图乙都是光线照射到圆孔后的衍射图样,图甲中孔的直径较小
C.图甲和图乙都是光线照射到圆板后的衍射图样,图乙中板的直径较小
D.图甲是光线照射到圆孔后的衍射图样,图乙是光线照射到圆板后的衍射图样
3.(偏振现象在照相机镜头中的应用)(2023广东潮州高二期末)在拍摄水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振滤光片,其目的是( )
A.减弱反射光,从而使景物的像清晰
B.增强反射光,从而使景物的像清晰
C.增强透射光,从而使景物的像清晰
D.减弱透射光,从而使景物的像清晰
4.(区分衍射与干涉)下列哪种现象不是由于衍射形成的( )
A.通过两支铅笔中间的狭缝观察发光的日光灯会看到彩色条纹
B.光照在不透光的小圆盘上,在其后面阴影中心会出现小亮点
C.在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面能看到彩色条纹
D.声音能够绕过障碍物传播
一、选择题
考点一 光的衍射
1.(多选)(2024福建泉州高二月考)抽制细丝时可用激光监控其粗细,激光束越过细丝时产生条纹的规律和激光束通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生条纹的规律相同,则下列说法正确的是( )
A.这是利用光的干涉现象
B.这是利用光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗了
D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细了
2.(2024云南昆明联考)关于光的衍射,下列说法正确的是( )
A.只有当光的波长等于障碍物或小孔的尺寸时,才会发生光的衍射现象
B.当光的波长大于障碍物或小孔的尺寸时,不会发生明显的衍射现象
C.单色光的单缝衍射图样是亮暗相间的条纹
D.光照到较大圆孔上时,屏上出现大光斑,不存在光的衍射
3.(2024浙江宁波高二月考)单缝衍射实验中所产生图样的中央亮条纹宽度的一半与单缝宽度、光的波长、缝屏距离的关系,和双缝干涉实验中所产生图样的相邻两亮条纹间距与双缝间距、光的波长、缝屏距离的关系相同。利用单缝衍射实验可以测量金属的线膨胀系数,线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。实验的示意图如图所示,挡光片A固定,挡光片B放置在待测金属棒上端,A、B间形成平直的狭缝,激光通过狭缝,在光屏上形成衍射图样。温度升高,金属棒膨胀使得狭缝宽度发生变化,衍射图样也随之发生变化。在激光波长已知的情况下,通过测量缝屏距离和中央亮条纹宽度,可算出狭缝宽度及变化,进而计算出金属的线膨胀系数。下列说法正确的是( )
A.使用激光波长越短,其他实验条件不变,中央亮条纹越宽
B.相同实验条件下,金属的膨胀量越大,中央亮条纹越窄
C.相同实验条件下,中央亮条纹宽度变化越大,说明金属膨胀量越大
D.狭缝到光屏距离越大,其他实验条件相同,测得金属的线膨胀系数越大
考点二 光的偏振
4.(2024安徽淮南高二月考)夜晚,汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车的司机照射得睁不开眼睛,影响行车安全,若将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃,使双方司机都看不见对方耀眼的灯光,但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体,则所有的汽车前窗玻璃、前灯玻璃的透振方向应该是( )
A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向是水平的
B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向也是竖直的
C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D.前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°或都是斜向左上45°
5.(2024福建龙岩高二月考)如图所示,让太阳光(自然光)通过M上的小孔S后照射到M右方的偏振片P上,P的右侧再放一光屏Q,现使P绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周,则关于光屏Q上的亮度变化情况,下列判断正确的是( )
A.只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮,其他位置时光屏上无亮光
B.光屏上亮度基本不变
C.光屏上亮、暗交替变化出现
D.光屏上只有一条亮线随偏振片的转动而转动
6.(2024江苏苏州期中)如图所示,电灯S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处仍看不到光亮
7.(2024福建三明高二期末)下列说法正确的是( )
A.“闻其声而不见其人”现象说明遇到同样障碍物时声波比可见光容易发生衍射
B.用超声波被血流反射回来其频率发生变化可测血流速度,是利用了波的干涉现象
C.光学镜头上的增透膜是利用光的偏振
D.用标准平面来检查光学面的平整程度是利用光的偏振现象
8.(2024浙江宁波高二月考)在日落时分拍摄水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振片,其目的是( )
A.减少阳光在水面上的反射光
B.最大限度地阻止阳光在水面上的反射光进入照相机镜头
C.增强光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
D.减弱光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
考点三 激光
9.(2024安徽合肥高二月考)纳米科技是跨世纪新科技,使激光束的宽度在纳米级范围内,可恢复人体已损坏的器官,对DNA分子进行超微型基因修复,把至今尚令人类无奈的癌症彻底根除,这主要是利用激光的( )
A.单色性B.方向性
C.高能量D.偏振性
10.(多选)(2024江苏扬州高二月考)激光被誉为“神奇的光”,关于激光的应用,下列说法正确的是( )
A.激光用来控制核聚变,是因为它的方向性好,光源的能量能集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度
B.由于激光是相干光,所以它能像无线电波那样被调制,用来传递信息
C.用激光拦截导弹,摧毁卫星,是因为激光在大气中传播不受大气的影响
D.能利用激光测量地面到月球表面的距离,是因为激光通过地球大气不会发生折射
11.关于下列四幅图所涉及的光学知识,说法正确的是( )
A.图甲检查工件的平整度利用光的衍射现象
B.图乙医用内窥镜利用光的干涉现象
C.图丙在坦克内壁上开孔安装玻璃利用光的折射现象扩大视野
D.图丁泊松亮斑是由于光的偏振现象产生的
12.(2024江苏南通高二月考)如图甲所示,每年夏季,我国多地会出现日晕现象,日晕是日光通过卷层云时,受到冰晶的折射或反射形成的。一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图如图乙所示,a、b为其折射出的光线中的两种单色光,下列说法正确的是( )
A.在冰晶中,b光的传播速度较大
B.用同一装置做单缝衍射实验,b光中央亮条纹更宽
C.通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距较大
D.从同种玻璃中射入空气发生全反射时,a光的临界角较小
13.(多选)(2024江苏徐州高二月考)如图所示,一玻璃柱体的横截面为半圆形,让太阳光或白炽灯光通过狭缝S形成细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和折射光束2。现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动,使反射光束1和折射光束2恰好垂直。在入射光线的方向上加偏振片P,偏振片与入射光线垂直,其透振方向在纸面内,这时看到的现象是( )
A.反射光束1消失
B.折射光束2消失
C.反射光束1和折射光束2都消失
D.偏振片P以入射光线为轴旋转90°角,折射光束2消失
14.(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同,则( )
A.这是利用光的干涉现象
B.这是利用光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗了
D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细了
15.(多选)中国科学家屠呦呦因发现青蒿素而获得2015年诺贝尔奖。在研究青蒿素化学结构时,研究人员用比可见光波长更短的X射线衍射方法确定了其化学结构。在做单缝衍射实验时,下列说法正确的是( )
A.将入射光由可见光换成X射线,衍射条纹间距变窄
B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄
C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽
D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变窄
16.(2022上海奉贤高二期中)双缝干涉实验示意图如图甲所示,实验过程中分别进行了两步操作。第一步操作:用两块滤光片(红色滤光片和蓝色滤光片)分别挡住双缝的上下两半Ⅰ和Ⅱ;第二步操作:再用不透光的挡板挡住b缝。则下列说法正确的是( )
A.完成第一步操作后,光屏上出现的是图丙,且③是蓝色条纹,④是红色条纹
B.完成第一步操作后,光屏上出现的是图乙,且①是红色条纹,②是蓝色条纹
C.完成第二步操作后,光屏上出现的是图丙,且③是蓝色条纹,④是红色条纹
D.完成第二步操作后,光屏上出现的是图乙,且①是红色条纹,②是蓝色条纹
17.应用激光平行性好的特点,可以精确地测量距离。对准目标发射一个极短的激光脉冲,测量发射脉冲与收到的反射脉冲的时间间隔,就可求出激光器到目标的距离。若在地球上向月球发射一个激光脉冲,测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s,则月球到地球的距离大约是多少千米?
比较项
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,通常情况下的反射光、折射光均为偏振光
振动
方向
在垂直于传播方向上沿着各个方向振动
在垂直于传播方向的平面内只有一个振动方向
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