高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射学案设计

第四章 光

4.5-4.6：光的衍射和光的偏振　激光

一：知识精讲归纳

考点一、光的衍射

1．用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方．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衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹．

3．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相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显．

考点二、衍射光栅

1．构成：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件．

2．增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．

3．种类：透射光栅和反射光栅．

考点三、偏振

1．偏振现象：不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能不同，这种现象称为“偏振现象”，横波的振动方向称为“偏振方向”．

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，这个方向叫作“透振方向”．

(2)自然光和偏振光

①自然光：太阳、日光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，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同．这种光是“自然光”．

②偏振光：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．

(3)光的偏振现象说明光是一种横波．

考点四、激光的特点及其应用

技巧归纳：

三种衍射图样的特点

1．单缝衍射

(1)单色光通过狭缝时，在屏幕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；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹．

(2)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．

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1所示．

图1

(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．

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2所示．

图2

(2)中央是亮斑，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．

二、单缝衍射与双缝干涉的比较

1．不同点

(1)产生条件

(2)图样

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．

二：考点题型归纳

题型一：衍射图样

1．（2021·江苏省泗阳中学高二阶段练习）如图所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是（　　）

A．a、b是光的干涉图样

B．c、d是光的干涉图样

C．形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短

D．形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长短

2．（2021·重庆巴蜀中学高二期中）在光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，分别得到如下四幅图样，以下说法正确的是（　　）

A．甲是双缝干涉图样、丁是小圆板“泊松亮斑”衍射图样

B．乙是单缝衍射图样、丙是小圆板“泊松亮斑”衍射图样

C．甲是双缝干涉图样、丁是小圆孔衍射图样

D．乙是双缝干涉图样、丙是小圆孔衍射图样

3．（2021·福建三明·高二期末）单色光通过四种元件产生的明暗条纹图样如图所示，以下说法正确的是（　　）

A．甲、乙图为干涉图样，丙、丁图为衍射图样

B．甲图中条纹间距越大，该色光的波长越大

C．乙图中单缝越宽，中央亮纹越宽

D．丙图中圆孔尺寸越大，图样现象越明显

题型二：衍射条件

4．（2022·上海·模拟预测）在观察光的单缝衍射现象时，当狭缝宽度从0.1mm逐渐增加到0.5mm的过程中，通过狭缝观察线状光源的情况是（　　）

A．不再发生衍射现象 B．衍射现象越来越明显

C．衍射条纹亮度逐渐变暗 D．衍射条纹的间距逐渐变大

5．（2021·江苏省灌云高级中学高二阶段练习）如图甲所示，把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光a、b分别从上方垂直下玻璃板入射。在相同条件下，从上往下看到的干涉条纹分别如图乙所示，下列说法正确的是（　　）

A．在玻璃中传播时，单色光a比单色光b的传播速度小

B．单色光a的光子能量比单色光b的光子能量大

C．薄片的厚度若增加一些，干涉条纹的间距会变宽

D．遇同一个障碍物，a光比b光更易发生衍射

6．（2021·山东·乳山市第一中学高二阶段练习）如图是甲、乙两种单色光分别通过同一双缝干涉装置得到的干涉图样，对此实验分析正确的是（　　）

A．甲光衍射本领更强 B．在水中乙光的传播速度大

C．光由玻璃射向空气时，乙光更易发生全反射 D．减小实验中的双缝间距，目镜中的条纹数会增加

题型三：光的干涉和衍射联系

7．（2021·吉林·前郭尔罗斯县第五中学三模）图甲是可见光单缝衍射图；图乙是白光通过三棱镜，两次折射形成的七色光带。下列说法正确的是（　　）

A．光的干涉条纹的形成和光的衍射条纹的形成原理相似，都可认为是两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的

B．各种颜色的光通过三棱镜，光线两次折射均向底面偏折，光的波长越短，三棱镜对这种光的折射率越小，光在三棱镜中传播的速度越小

C．不同颜色的光通过三棱镜，三棱镜对光的折射率越小，光的波长越短，光子动量越大

D．不同颜色的光通过三棱镜，三棱镜对光的折射率越小，光射向同一双缝干涉装置，其干涉条纹间距越小

8．（2020·江苏·昆山震川高级中学高二阶段练习）下列说法正确的是（　　）

A．两个普通光源发出的光也能发生干涉现象，只是由于现象不明显，不容易观察到

B．生活中的多普勒效应是很常见的，汽车鸣笛向我们驶来，我们会听到音调变高，这就是声波的多普勒效应

C．狭义相对论的第一个基本假设：力学规律在任何惯性系中都是相同的

D．分别用紫光和绿光为光源用同一装置做单缝衍射实验，前者中央亮纹较宽

9．（2021·浙江杭州·高二期中）2020年4月24日拍到的日晕（又叫圆虹）照片如图。在特定条件下眼睛对着太阳看，看见在太阳周围形成内红外紫的彩色光环，它的成因主要是（　　）

A．光在人眼球中折射形成

B．光在进入人眼时发生衍射形成

C．光在穿过大气时在一定气象条件下干涉形成与薄膜干涉原理相同

D．光在穿过大气时在特定气象条件下折射形成与彩虹的形成原理相同

题型四：光的偏振

10．（2021·全国·高二课时练习）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

11．（2021·全国·高二期末）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振方向平行的偏振片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中光振动方向与透振方向垂直

D．将偏振片P以光传播方向为轴转过，光束Ⅲ将消失

12．（2021·江苏·海门市第一中学高二期中）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，下列判断中正确的是（　　）

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

题型五：激光

13．（2021·全国·高三课时练习）激光测距雷达是一种可以用来测距的装置，激光可以用来进行精确测距是由于激光（　　）

A．具有高度的相干性 B．平行度好 C．亮度高 D．单色性好

14．（2022·全国·高三专题练习）关于光现象，下列说法错误的是（　　）

A．用光导纤维传送图象信息，利用了光的全反射原理

B．肥皂泡看起来常常是彩色的，属于色散现象

C．3D电影的播放和观看利用了光的偏振

D．全息照片的拍摄主要利用了光的干涉

15．（2021·全国·高二课时练习）关于激光的应用，下列说法正确的是（　　）

A．观看电影的眼镜是利用了光的衍射原理

B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距

C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息

D．利用激光亮度高，可以用在医学上作光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜

三：课堂过关精练

一、单选题

16．（2020·北京市八一中学）下列说法中不正确的是（　　）

A．用光导纤维束传送图像信息，这其中应用到了光的全反射现象

B．通过两支夹紧的笔杆间缝隙看发白光的灯丝能观察到彩色条纹，这是光的衍射现象

C．用三棱镜观察太阳光谱是利用光的折射现象

D．肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的衍射现象

17．（2020·浙江·磐安县第二中学）抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激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（　　）

A．这里应用的是光的衍射现象

B．这里应用的是光的直线传播性

C．这里应用的是光的干涉现象

D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗

18．（2021·江苏仪征·）如图所示，一束复色光由某介质射入真空后分解为a、b两束单色光。以下说法正确的是（　　）

A．真空中，a光的波长比b光的大

B．真空中，a光的传播速度比b光慢

C．a光和b光相遇，会发生光的干涉现象

D．a、b通过相同的单缝衍射实验装置，a光的中央亮条纹较窄

19．（2021·重庆市兼善中学）下列说法中正确的是（　　）

A．泊松亮斑是光通过圆孔时发生折射现象形成的

B．肥皂泡呈现彩色是因为发生了光的色散

C．绿色和黄色的光在不同介质中传播时波长可能相同

D．光导纤维利用了光的漫反射

20．（2022·浙江嘉兴·）下列各图中，关于光学知识应用的描述正确的是（　　）

A．医用内窥镜运用了光的折射原理

B．全息照相运用了光的偏振原理

C．立体电影运用了光的衍射原理

D．照相机镜头表面增透膜运用了光的干涉原理

21．（2021·江苏省苏州实验中学）以下说法正确的是（　　）

A．因衍射是波特有的特征，所以波遇到障碍物时一定能发生明显衍射现象

B．在太阳光照射下，水面上油膜出现彩色花纹是光的衍射现象

C．振子每次经过同一位置时加速度、动能和位移总是相同的

D．观察者感觉到火车驶近时的鸣笛声频率比火车静止时低

22．（2021·全国·）关于下列四幅图中所涉及物理知识的论述中，正确的是（　  　）

A．甲图是光的干涉图样

B．乙图是光的衍射图样

C．丙图是利用光的折射原理

D．丁图是光导纤维利用光的全反射原理，其内芯折射率小于外套的折射率

四：高分突破精练

一：单选题

23．（2021·湖北·）主动刹车系统在汽车上已经得到广泛运用，人们在汽车的前部安装毫米波雷达，利用雷达波监测驾驶员难以观察的盲区，可通过语音信号提示驾驶员注意行车安全，或汽车主动刹车。关于毫米波（微波），下列说法正确的是（　　）

A．毫米波不能在真空中传播

B．毫米波比紫外线的波长短

C．毫米波在同种均匀介质中沿直线传播

D．毫米波不能产生衍射现象

24．（2021·湖南郴州·）下列说法不正确的是（　　）

A．游泳时耳朵在水中听到的音调与在岸上听到的是一样的，说明机械波从一种介质进入另一种介质时频率并不改变

B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片可以减弱玻璃表面反射光的影响

C．光纤通信是一种现代通信手段，它是利用了光的干涉原理传递信息

D．科学家通过比较星球与地球上同种元素发出的光的频率来计算星球远离地球的速度是利用光的多普勒效应

25．（2021·全国·）物理知识在生活中有广泛的应用，下列关于光学知识应用，描述错误的是（　　）

A．图1医用内窥镜运用了光的全反射原理

B．图2液晶屏显像利用了光的偏振现象

C．图3照相机镜头表面增透膜运用了光的干涉原理

D．图4全息照相运用了光的衍射原理

26．（2021·天津静海·）如图所示，甲图为沿x轴传播的一列简谐横波在t=0时刻的波动图像，乙图为参与波动的质点P的振动图像，则下列判断正确的是（　　）

A．该波传播的速度为1m/s

B．该波的传播方向沿x轴正方向

C．经过0.5s时间，质点沿波的传播方向向前传播2m

D．该波在传播过程中若遇到3m的障碍物，能发生明显的衍射现象

27．（2021·天津静海·）如图所示，下列说法正确的有（　　）

A．如图甲，自然光由空气射入水面上，反射光不是偏振光

B．如图乙，立体电影原理和照相机镜头表面图上增透膜的原理一样

C．如图丙，从筷子“折断”的现象可以看出，食用油折射率小于水

D．如图丁为光线通过一个不透光的圆盘得到的衍射图样

28．（2022·全国·）下列现象中，属于光的衍射现象的是（　　）

A．雨后天空出现彩虹

B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹

C．镀膜后，望远镜的镜头透入光的亮度增强

D．医院手术室使用无影灯

29．（2021·重庆南开中学）下列说法正确的是（　　）

A．纵波传播时，其振动方向与传播方向相互垂直

B．做简谐运动的物体，在其平衡位置加速度一定为0

C．两列波发生干涉时，其振动减弱的点，位移不一定为0

D．要使波发生明显的衍射，障碍物的尺寸比波的波长大得多

二、多选题

30．（2021·全国·）现有a、b两束光通过同一狭缝，分别产生了如图甲和乙所示的衍射图样，则下列说法正确的是（　　）

A．a光的波长小于b光

B．若用a光照射某金属板产生了光电效应，则用b光照射该板一定会产生光电效应

C．将a、b两束光分别通过同一杨氏双缝干涉仪，条纹间距较大的是a光

D．将分别能发出a光和b光的两个点光源安装在水下同一深度，水面上的人从光源的正上方看下去，感觉到a光的深度大

31．（2022·全国·）关于光现象及其应用，下列说法正确的是（　　）

A．白光只有通过三棱镜的折射，才能产生光的色散现象

B．拍摄玻璃橱窗中的物品时，为消除玻璃表面反射光的干扰，需要在照相机镜头前加装偏振片，目的是增加透射光的强度

C．利用光的干涉现象可检查平面的平整度

D．光导纤维利用全反射的原理，其内芯的折射率大于外套的折射率

E.光经过大头针尖儿时，大头针尖儿边缘轮廓会模糊不清，这是光的干涉现象

32．（2021·浙江·）如图所示，下列说法正确的有（　　）

A．如图甲，自然光由空气射入水面上，反射光是偏振光

B．如图乙，立体电影原理和照相机镜头表面图上增透膜的原理一样

C．如图丙，从筷子“折断”的现象可以看出，食用油折射率大于水

D．如图丁为光线通过一个不透光的圆盘得到的衍射图样

33．（2021·四川凉山·）“中国天眼”—500米口径的球面射电望远镜（简称FAST），2016年建成于贵州大窝凼的喀斯特洼坑中。FAST是世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。“中国天眼”具有良好的电波信号接收环境。关于电磁波和机械波，下列说法正确的有（　　）

A．与γ射线相比，X射线更容易发生明显的衍射现象

B．离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得早一些

C．频率越高的电磁波在真空中的传播速度越大

D．紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度

E.机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高传播速度越大

34．（2021·广东·中山市华侨中学）下列说法正确的是（　　）

A．光的偏振现象说明光是一种横波

B．全息照相的拍摄利用了光的衍射原理

C．激光雷达能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪

D．某玻璃对a光的折射率大于b光，则在该玻璃中传播速度a光大于b光

35．（2021·全国·）下列说法正确的是（　　）

A．通过两支铅笔的狭缝平行对着日光灯管，会看到彩色条纹，这是光的衍射现象

B．减小游标卡尺两个卡脚之间狭缝的宽度，单色线光源通过狭缝产生的衍射条纹中央亮条纹变窄

C．太阳光通过三角形孔，当孔缩小时，先形成三角形光斑，最后形成太阳的像

D．透过羽毛观察白炽灯，会看到彩色光晕，这是光的衍射

三、填空题

36．（2017·四川乐山·）（1）关于光现象，下列说法错误的是_______。

A．用光导纤维传送图像信息，这是光的衍射的应用

B．肥皂泡看起来常常是彩色的，属于色散现象

C．3D电影的播放和观看利用了光的偏振

D．全息照片的拍摄主要利用了光的干涉

E.  在双缝干涉实验中，若用白光作光源，则不能观察到干涉图样

（2）如图所示，在xOy平面内有一列沿x轴正方向传播的简谐横波，频率为2.5Hz，在t=0时，xP=2m的P点位于平衡位置，速度沿-y方向，xQ=6m的Q点位于平衡位置下方的最大位移处，求：

①质点P第一次有+y方向最大加速度需经过的时间t ________ ；

②波的传播速度v _______。

37．（2021·全国·）激光全息照片的底片上记录了光的干涉条纹，含有被拍摄物体反射的光的所有信息，实现了照片的立体性。若照相时，被摄物体被挡住一部分，通过调整视线仍可看见被挡部分。照片被切开成两半，从一半上仍可看到物体的全像，照片就像一个观察物体的窗口。激光全息照相利用了激光________的性质。

38．（2021·全国·）在纵波中，_________。在横波中，_________。这种方法适用于看得见质点振动方向的机械波。_________不能产生偏振现象。相同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的。这个现象称为“____________”。一列沿水平方向传播的横波，既可能沿上下方向振动，也可能沿左右方向振动，还可能沿其他“斜”的方向振动。横波的振动方向称为“____________”。

39．（2019·上海·）光通过狭缝，当缝较宽时观察到__________，当缝较窄时观察到__________，在不透明的圆板阴影中心有一亮斑，就是著名的__________亮斑，这也是光的__________现象，它说明了光沿直线传播只是一种__________规律，当____________________时就不再沿直线传播了．

四、解答题

40．（2021·全国·）如图所示，杨氏双缝实验中，下述情况能否看到干涉条纹？说明理由

（1）在单色自  然光源S后加一偏振片P ．    

（2）在(1)情况下，再加P1、P2，P1与P2透振方向垂直．