高中人教版 (新课标)选修3-4第十三章 光8 激光教案设计

课时13.8　激　　光

　　1.知道激光与自然光的区别。

2.了解激光的特点及其应用。

3.知道全息照相的原理,体验现代科技的神奇,培养对科学的兴趣。

重点难点:激光的特性和实际应用,激光和自然光的区别,全息照相的原理。

教学建议:本节主要讲解激光的特点及其应用,以及全息照相技术。只要求学生对激光有所了解,知道激光和自然光的区别,但不给激光下定义,更不讲激光产生的机理。关于全息照相的原理,要理解相位差是形成立体图像的根本原因。

导入新课:激光最初的中文名叫作“镭射”“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光应用很广泛,你知道有哪些应用吗?

1.自然光与激光

(1)光是从物质的①原子中发射出来的。原子获得能量后处于②不稳定状态 ,它会以光的形式把能量发射出去。普通的光源原子在什么时刻发光、在哪个方向偏振,完全是③随机(填“一定”或“随机”)的,所以两个独立的普通光源发出的光是④非相干光(填“相干光”或“非相干光”)。

(2)激光是一种通过人工方法获得的一种频率⑤相同、相位差⑥恒定、偏振方向⑦一致的光,所以激光是一种相干光。

2.激光的特点

(1)相干性:激光是相干光,所以它能像无线电波那样被⑧调制,用来传递信息。

(2)平行度:激光的平行度好,能传播相当远的距离,可以用于精确的⑨测距。

(3)亮度:激光的亮度高,可以在很小的空间和很短的时间内集中⑩很大的能量,可以用于切割、焊接以及在坚硬材料上打孔等。

3.全息照相

(1)普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息,而全息照相技术还可以记录光波的相位信息。

(2)拍摄全息照片时将同一束激光分为两部分,一部分直接照射到底片上(称为参考光),另一部分通过被拍摄物反射后再到底片上(称为物光),参考光和物光在底片上相遇时发生干涉,形成复杂的干涉条纹。

(3)全息照相使用的光源是激光(相干光),利用的是光的干涉原理,观看全息照片时可以看到原物体的立体像。

1.对于发光物质来说,光是从哪里射出的?

解答:是从物质的原子中发射出来的。

2.激光是相干光吗?

解答:激光是相干光。

3.全息照相技术记录光波的哪些信息?

解答:记录光波的强弱信息与相位信息。

主题1:激光的特点及应用

问题:(1)激光有哪些特点?

(2)结合教材,上网查一下激光有哪些应用?分别利用了激光的什么特点?

解答:(1)①相干性好:容易产生干涉现象,且易于调制。②平行度好:传播过程激光的扩散程度小,可以精确测距。③亮度高:可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。④单色性好:频率范围极窄,颜色几乎是完全一致的。

(2)①光纤通信,利用了激光相干性好、易调制的特点;②激光雷达,利用了激光的平行度好;③激光读、写,利用了激光的平行度好;④激光加工,包括切割、焊接、打孔、划片、整形、热处理和表面处理,利用了激光亮度高的特点;⑤医用激光刀,利用了激光的亮度高、平行度好的特点;⑥引起核聚变,利用了激光亮度高的特点。除此以外,还有激光育种、激光保鲜、激光武器和激光光源等方面的应用。

知识链接:激光最初的中文名叫作“镭射”“莱塞”,是英文名称LASER的音译,1964年按照我国著名科学家钱学森的建议改称“激光”。

　　主题2:全息照相

问题:(1)全息照相的原理是什么?与普通照相相比,它多了哪些光信息?

(2)激光防伪是利用了全息照相技术吗?

解答:(1)全息照相利用了光的干涉原理。全息照相不但记录了普通照相技术所记录的光的强弱信息,还记录了光波的相位信息。

(2)激光防伪技术是全息照相的一方面的应用。

知识链接:观察全息照片时,要用激光照射照片,从另一侧观察。

1.(考查对激光的认识)对于激光的认识,以下说法正确的是(　　)。

A.普通光源发出的光都是激光

B.激光是自然界普遍存在的一种光

C.激光是一种人工产生的相干光

D.激光已经深入到我们生活中的各个方面

【解析】普通光源发出的光是自然光,是非相干光。激光是人工产生的光,具有很好的相干性,激光已得到广泛的应用。所以选项C、D正确。

【答案】CD

【点评】 激光是人工产生的相干光,现在已经有很广泛的应用。

2.(考查激光的相干性)在做双缝干涉实验时,常用激光光源,这主要是应用激光的(　　)。

A.平行性好　　　　　　B.反射性好

C.亮度高的特性 D.相干性好

【解析】激光具有相干性好的特点。

【答案】D

【点评】 利用激光做双缝干涉实验是利用了激光的相干性。

3.(考查激光的性质与应用)下列所述应用激光的事例中,说法正确的是(　　)。

A.激光平行度好可以用于测距

B.激光能量十分集中,医疗中外科研制的“激光刀”就利用了这个特点,而且有效地减少了细菌的感染

C.激光的亮度高,可以用于室内照明

D.激光的相干性好,可用于全息照相

【解析】激光平行度好,即使传播了很远的距离之后,它仍保持一定的强度,此特点可用于激光测距,选项A正确。激光的亮度高,能量十分集中,可应用于金属的加工、激光医疗、激光美容、激光武器等,选项B正确。激光具有很好的相干性,可应用于全息照相,由于它记录了光的相位信息,所以看起来跟真的一样,立体感较强,选项D正确。激光亮度高,但是单色的,因此不能用于室内照明,所以选项C错误。

【答案】ABD

【点评】要了解激光的性质与各种用途的对应性。

4.(考查全息照相)关于全息照相,下列说法中正确的是(　　)。

A.普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息,而全息照相技术还可以记录光波的相位信息

B.全息照片的拍摄利用了光的衍射现象

C.激光的出现使全息技术得到了长足的发展

D.立体电影的拍摄利用的是全息照相技术

【解析】由全息照相的原理可知A对,B错;立体电影的拍摄是利用了光的偏振,故D错。

【答案】AC

【点评】全息照相利用了激光的相干性。

拓展一:激光重要特性的应用

1.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

【分析】对激光的相干性好、平行度好、亮度高等特点及对应的应用应有所了解。

【解析】激光的平行度好,容易会聚成一个很小的光点,让激光照射到VCD机、CD机、DVD机或计算机的光盘上,传感器把光盘反射的光转化为电信号进行处理,还原出声音或图像,只有选项A正确。

【答案】A

【点拨】与自然光相比,激光具有以下几个重要特性:

①激光相干性非常好。

②激光束的平行度非常好。

③激光的亮度高。

　　拓展二:激光测距与测速

2.利用激光遇到物体发生反射,可以测定物体的有关参量。如图甲所示,B是固定的集激光发射和接收于一体的装置,C为一辆在水平地面上做匀速直线运动的小车。现使B对准正在行驶的小车C,每隔一个固定时间T0发射一激光脉冲,如图乙中幅度大的波形所示;而B接收到的由小车C反射回来的脉冲,如图乙中幅度小的波形所示。发射和接收激光脉冲的时间间隔如图乙所示,T0、T、ΔT均已知,设光在空气中的传播速度为c。请根据以上所给信息:

　　(1)判断小车的运动方向(“向左”或“向右”)。

(2)计算小车速度的大小。

【分析】根据发射激光脉冲和接收到激光脉冲的时间间隔逐渐增大可知小车越来越远,由此可知小车的运动方向。

【解析】(1)由于激光发射装置B每隔一个固定时间T0发射一激光脉冲,若小车不动,发射激光脉冲后到接收到返回的激光脉冲间的时间间隔应该是恒定的,而从图的波形看,从发射到接收的时间间隔逐渐增大,因此可以判断小车C的运动方向与激光发射的方向相同,即小车向右运动。

(2)要求小车的速度,关键是要求出小车通过的某段位移和在这段位移内所用的时间,这里可以用运动学中处理追及问题的方法来求解。画出运动示意图如图丙所示。

丙

s=OD-OA=c(t2-t1)

t2-t1=-

小车从A运动到D所用的时间为:t'=T0-+=T0+

s=v·t'

解得v=。

【答案】(1)小车向右运动　(2)

【点拨】(1)激光测距、测速是利用了激光平行度好的性质。

(2)激光测距的原理是光在同种均匀介质中沿直线匀速传播。

(3)激光测速是在测距的基础上,利用了在时间间隔很小的情况下,平均速度近似为瞬时速度的原理。

一、物理百科

激 光 武 器

激光武器分为激光制导炸弹和激光热武器两种。激光制导炸弹在攻击目标时,由目标指示飞机发射激光,照射目标,由运载机投弹,制导炸弹则根据从目标反射回来的激光飞向目标。这种炸弹偏离目标不大于10 m。而普通炸弹则通常平均偏离目标在100 m左右。激光热武器是利用激光的热效应来破坏目标的。

轻型的激光热武器可称为激光枪,可用来杀伤人员,重型的称为激光炮,可烧毁装甲车、飞机、导弹和卫星等。激光热武器的优点是速度快,命中率高。缺点是不能大面积的摧毁目标。制造激光热武器要求有大功率的激光器,目前有一些技术难题尚未完全解决,还处于研制阶段。

二、备用试题

1.将激光束的宽度聚焦到纳米级(10-9m)范围内,可修复人体已损坏的器官,可对DNA分子进行超微型基因修复,把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病彻底根除,以上功能是利用了激光的(　　)。

A.单色性好 B.平行度好

C.粒子性 D.高能量

【解析】激光的平行度好,故可聚焦到很小的范围;激光的亮度高、能量大,故可修复器官。

【答案】BD

2.下列说法正确的是(　　)。

A.两支铅笔靠在一起,自然光从笔缝中通过后就成了偏振光

B.偏振光可以是横波,也可以是纵波

C.因为激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象

D.激光可以像刀子一样切除肿瘤

【解析】两支普通铅笔靠在一起,中间的缝远远地大于光的波长,因此,光从中通过时不会成为偏振光;光是横波,偏振光也是横波;激光也是光,因此激光就具有光波的特性,能够发生衍射现象;激光有很多用途,其中可用来做手术,切除肿瘤。

【答案】D

3.激光器发光功率为P,发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ,c表示光在真空中的速度,下列说法中正确的是(　　)。

A.该光在真空中的波长为nλ

B.该光在真空中的波长为

C.该光的频率为

D.该光的频率为

【解析】注意光从一种介质进入另一种介质时,频率不会发生变化,对激光也是一样,由于速度变化,波长会相应变化,同一频率的光在真空中的波长大于在介质中的波长。

【答案】AD

4.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?

【解析】真空中光速c=3.0×108 m/s,从发射脉冲到收到反射脉冲所用的时间中激光所行路程是月、地距离的2倍。

从发射脉冲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为L=ct=×3.0×108×2.56 m=3.84×105 km。

【答案】3.84×105 km