高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册5 光的衍射优秀ppt课件

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5　光的衍射

6　光的偏振　激光

[学习目标]　1.知道什么是光的衍射，知道产生明显衍射现象的条件.2.知道什么是光的偏振现象，知道光是一种横波.3.了解激光的特点及应用．

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：在障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，衍射现象十分明显．

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．

三、偏振

1．偏振现象：不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，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，沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”．

(2)自然光和偏振光

①自然光：太阳以及日光灯、发光二极管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．

四、激光的特点及其应用

激光是一种频率相同，相位差恒定、振动方向一致的人造(选填“人造”或“自然”)光波，具有高度的相干性．用激光作为光源更容易完成双缝干涉实验和单缝衍射实验．

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，可以用来进行精确的测距．

激光的亮度很高，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，可以用来切割、焊接等．

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．(　√　)

(5)用激光做双缝干涉实验时应用了激光具有高度的相干性的特点．(　√　)

(6)利用激光的平行度好的特点，可以利用激光进行距离测量．(　√　)

2．下列四幅图片中属于光的干涉的是________，属于光的单缝衍射的是________．

答案　a　b、d

解析　光的双缝干涉是明暗条纹间距相同的图样，即a图样；c图为波的衍射图样；b图为单色光的单缝衍射的图样；d图为白光的单缝衍射的图样．

3．想一想：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，会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环，这是什么现象？

答案　白色的太阳光通过小孔后发生的衍射现象.

一、光的衍射

导学探究

蜡烛照到可调节孔大小的挡板上，当孔较大时，在光屏上形成类似孔的亮斑；当孔变得较小时，则屏上形成烛焰的像；当孔再变小时，在屏上形成明暗相间的圆环，这是为什么呢？你能解释吗？

答案　当孔较大时，光沿直线传播，通过小孔形成孔状亮斑，当孔变得较小时，由小孔成像原理，屏上出现烛焰倒立的实像，当孔更小时，光在孔后发生衍射．

知识深化

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．如图所示．

(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)用不同单色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．

(4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色的同心圆环．

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．衍射图样如图所示．

(2)中央是亮斑(与圆孔衍射图样中心亮斑比较，泊松亮斑较小)，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　(多选)关于光的衍射现象，下列说法正确的是(　　)

A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

B．白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹

C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射

D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射

答案　AC

解析　红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹，白光的单缝衍射图样是彩色条纹，A正确，B错误；光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮斑，是衍射现象，C正确；D项中光照到较大圆孔上出现大光斑，仍存在光的衍射，只是不明显，D错误．

二、单缝衍射与双缝干涉的比较

例2　如图所示，甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝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．甲、乙是光的干涉图样

B．丙、丁是光的干涉图样

C．形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短

D．形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短

答案　A

解析　干涉条纹是等间距的条纹，因此题图甲、乙是干涉图样，题图丙、丁是衍射图样，故A正确，B错误；

由公式Δx＝λ可知，条纹宽的光的波长长，所以形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长长，故C错误；

形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长长，故D错误．

针对训练1　一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹．现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　　)

A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是亮条纹比原来暗些

B．与原来不同的明暗相间的条纹，而中央亮条纹变宽些

C．只有一条与缝宽相对应的亮条纹

D．无条纹，只存在一片红光

答案　B

解析　红光通过双缝时产生了干涉现象，说明每条缝都很窄，也应满足发生明显衍射的条件，所以挡住一条缝时发生明显衍射现象，出现单缝衍射条纹，条纹的特点是中央亮条纹较宽且亮度大，故选B.

三、光的偏振

导学探究

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，只是透射光暗了一些；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？

答案　会看到在旋转Q时光的亮度发生变化．

偏振片的作用类似于狭缝，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过．当偏振片Q与P的透振方向平行时，穿过Q的光最强；当Q与P的透振方向垂直时，光不能透过Q.

知识深化

1．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，这个方向叫作“透振方向”．

2．光的偏振现象表明光是一种横波．

3．自然光与偏振光的比较

4.偏振现象的应用

(1)照相机镜头前装一偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景物清晰．

(2)立体电影．

(3)各种液晶显示器．

例3　(多选)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处将看到光亮

答案　BD

解析　自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光．从电灯直接发出的光为自然光，它通过偏振片A后，即变为偏振光，故A错，B对；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无光亮；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故C错，D对．

针对训练2　如图所示，白炽灯的右侧依次放置偏振片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

答案　C

解析　旋转偏振片P，A处得到的是强度始终相同的偏振光，偏振光再经过偏振片Q，B处的光强随着P的转动而变化，当Q的透振方向与经过P的偏振光的振动方向垂直时，B处的光强最弱，选项C正确．

四、激光

导学探究

前面我们在进行光的双缝干涉实验时，若使用普通光源往往需加一个透镜和一个单缝屏，而若使用激光光源却无须再用透镜及单缝屏，这是为什么？你还知道激光有哪些应用？

答案　激光具有高度的相干性，亮度高，是双缝干涉中理想的光源．激光还常用来测距、切割等．

知识深化

1．激光的产生

激光是原子受激辐射产生的光，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．激光是人工产生的相干光．

2．激光的特点及应用

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

答案　C

解析　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，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．

考点一　光的衍射

1．(多选)关于光的衍射现象，下列说法正确的是(　　)

A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后干涉的结果

B．双缝干涉中也存在衍射现象

C．一切波都很容易发生明显的衍射现象

D．影子的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实

答案　AB

解析　衍射条纹是光在狭缝间隙后相互叠加干涉的结果，A正确；双缝干涉中光源通过每一个单一狭缝时有衍射现象，B正确；只有当缝隙的间距(或障碍物的尺寸)接近波长或者小于波长时才会发生明显的衍射现象，C错误；光通过缝隙的时候，缝隙从大到小依次会出现影子、像以及衍射条纹，光学原理依次为光的直线传播、小孔成像和衍射，因此不矛盾，D错误．

2.某同学使用激光器做光源，在不透光的挡板上开一条宽度为0.05 mm的窄缝(水平)，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　)

答案　D

解析　单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，故衍射条纹也是水平的，D对．

3．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．黄绿红紫   B．黄紫红绿

C．红紫黄绿   D．红绿黄紫

答案　C

解析　双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有亮条纹宽度相同且等间距，故a、c是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ可知，波长λ越长，Δx越大，故a是红光的双缝干涉图样，c是黄光的双缝干涉图样；单缝衍射条纹是中间明亮且宽，越向两侧宽度越小越暗，而波长越大，中央亮条纹越宽，故b、d是单缝衍射图样，b为紫光的单缝衍射图样，d为绿光的单缝衍射图样；故从左向右亮条纹的颜色依次是红、紫、黄和绿．故选C.

4．(2021·三明市高二期末)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，该色光的波长越长

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

答案　B

解析　题图甲中，条纹等间距为单色光的双缝干涉图样，题图乙中，条纹不等间距为单色光的单缝衍射图样，题图丙为单色光通过小圆孔的衍射图样，题图丁为单色光通过小圆盘的衍射图样，故A错误；题图甲中，根据干涉条纹间距公式Δx＝λ知条纹间距越大，该色光的波长越长，故B正确；题图乙中单缝越宽，衍射现象越不明显，中央亮纹越窄，故C错误；题图丙中圆孔尺寸越大，图样现象越不明显，故D错误．

考点二　光的偏振

5．(多选)如图所示，一束自然光通过偏振片照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(偏振片上的箭头表示其透振方向)(　　)

答案　ABD

解析　自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光的振动方向与偏振片的透振方向平行时能够通过，垂直时不能通过，所以A、B、D正确．

6．(多选)当以入射光线的方向为轴转动偏振片时，通过偏振片观察电灯、烛焰、月球、反光的黑板，看到现象有何不同(　　)

A．观察电灯和烛焰时，透射光的强弱随偏振片的旋转而变化

B．观察电灯和烛焰时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化

C．观察月球和反光的黑板时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化

D．观察月球和反光的黑板时，透射光的强弱随偏振片的旋转而变化

答案　BD

解析　通过偏振片去观察电灯、烛焰时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化，因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了，但光的强弱没有改变；月球和黑板反射的光已经是偏振光，它通过偏振片透射过来的光线和强弱都会随偏振片的旋转发生变化，故B、D正确，A、C错误．

7．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

答案　B

解析　日落时分的阳光照射到水面上时，反射光很强，照相机镜头对着水面时，进入镜头的光线既有阳光经水面的反射光，又有由水中折射入空气的折射光，折射光线进入镜头所摄得的照片才是水下景物的像．在镜头上安装一个偏振片，转动偏振片方向使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，即可最大限度地阻止反射光进入镜头，增强图像的清晰度．B正确．

考点三　激光及其应用

8．(多选)激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空．激光火箭利用了激光的(　　)

A．单色性好   B．平行度好

C．高能量   D．相干性好

答案　BC

解析　由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点．

9．(多选)(2022·遂宁市月考)激光的发明是20世纪科学技术一项划时代的重要成就．下列关于激光的说法正确的是(　　)

A．可利用激光进行通信

B．可利用激光加工坚硬材料

C．可利用激光进行室内照明

D．激光是由自然界中某种物质直接发光产生的

答案　AB

解析　激光能够传递声音、图像等信息，因此可以利用激光进行通信，故A正确；激光的强度很大，可以用来切割、加工较硬的材料，故B正确；室内照明需要更多的散射光，而激光的平行度比较好，是单方向的光，不适合室内照明，故C错误；激光是人造光，自然界中无法直接产生，故D错误．

10．(多选)沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下(　　)

A．只有波长较短的一部分光才能到达地面

B．只有波长较长的一部分光才能到达地面

C．只有频率较高的一部分光才能到达地面

D．只有频率较低的一部分光才能到达地面

答案　BD

解析　根据光发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光能到达地面，据λ＝知，到达地面的光是频率较低的一部分光，故选项B、D正确．

11．(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，观察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，下列说法正确的是(　　)

A．这里应用的是光的衍射现象

B．这里应用的是光的干涉现象

C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗

D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细

答案　AD

解析　若障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或更小，衍射现象较明显．通过观察屏上条纹的变化情况，从而监控抽制的细丝的情况，如果屏上条纹变宽，表明衍射现象更明显，即抽制的丝变细，故A、D正确．

12．拍摄立体电影时用一台摄影机，让它通过两个窗口(相当于人的双眼)交替拍摄，两套图像交替地印在同一条电影胶片上，放映时用一台放映机，通过左右两个窗口，把两套图像交替地映在银幕上．在每个放映窗口前安装一块偏振片，两个窗口射出的光，通过偏振片后成了偏振光．左右两个窗口前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直．这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众那里，偏振方向不变，观众用偏振眼镜观看时，左眼只看到左窗口映出的画面，右眼只看到右窗口映出的画面，这样就会像直接观看物体那样产生立体感，下列说法正确的是(　　)

A．偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向应保持一致

B．偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向互换后不能正常观影

C．只用一只眼睛透过偏振眼镜也可以产生立体感，但是亮度减弱

D．把放映窗口的两个偏振片透振方向改为相互平行，把偏振眼镜两个镜片的透振方向也改为相互平行，并使两者偏振方向一致，也可以正常观影

答案　B

解析　由于影片播放时，投射到银幕上的两束偏振光的振动方向不同，故偏振眼镜的左、右两个镜片透振方向不同，否则，只能看到一种偏振光，故A错误；由于左眼只能看到左窗口映出的画面(比如左窗口偏振光水平，左眼镜片透振方向水平)，右眼只能看到右窗口映出的画面(比如右窗口偏振光竖直，右眼镜片透振方向竖直)，如果左、右镜片互换，两偏振光均不能通过偏振眼镜，无法正常观影，故B正确；人眼接收到两个偏振方向不同的偏振光，两个像经过大脑综合以后，就能区分物体的前后、远近，从而产生立体感，所以只用一只眼睛透过偏振眼镜不能产生立体感，故C错误；根据上述分析可知，若两个偏振片透振方向改为相互平行，同时把偏振眼镜两个镜片的透振方向也改为相互平行，只能接收到一种偏振光，可以看到影片，但没有立体效果，所以不能正常观影，故D错误．

13．夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全．若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与对面灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体．假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施可行的是(　　)

A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的

B．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是竖直的

C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°

D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°

答案　D

解析　若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光经物体反射后将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼，B错误；若前窗玻璃透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透进本车车窗内，却可以透进对面车的车窗内，C错误；若前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°，则车灯发出的光经物体反射后可以透进本车车窗内，且不可以透进对面车的车窗内，D正确．