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高中物理教科版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光及其应用6 光的衍射与偏振课前预习ppt课件
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这是一份高中物理教科版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光及其应用6 光的衍射与偏振课前预习ppt课件，共55页。PPT课件主要包含了内容索引，自主预习新知导学，合作探究释疑解惑，随堂练习，课标定位，素养阐释，问题引领，归纳提升，典型例题，答案A等内容，欢迎下载使用。
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象;知道明显衍射现象的条件,衍射条纹的特点; 知道偏振光和自然光的区别。2.了解日常见到的光多数是偏振光,了解偏振光在生产生活中的一些应用。3.了解激光的特性。举例说明激光技术在生产生活中的应用。
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象,知道衍射条纹的特点及产生明显衍射现象的条件;知道偏振光和自然光的区别。形成正确的物理观念。2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。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,形成科学思维。3.了解激光的特性和应用,知道激光的科学技术上的应用,培养科学思维。
一、光的衍射1.光的衍射。光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了直线传播方向,在屏上散开到相当大的范围,这种现象叫作光的衍射。2.衍射图样。(1)定义:衍射时产生的明暗的图样。(2)单缝衍射图样的特点①单色光:中央有一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,亮条纹的强度向两边很快减弱。②白光:中央是一条白色条纹,两边是很快减弱的彩色条纹。
二、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殊的方向,叫作“透光方向”,只有振动方向与透光方向平行的成分才能通过偏振片。2.自然光和线偏振光。(1)线偏振光:如果光振动的方向限在一个平面,这种光叫线偏振光。(2)自然光:通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的,称为自然光。(3)光的偏振现象表明光是一种横波。
3.纵波有偏振现象吗?答案:没有。偏振现象是横波特有的现象,纵波没有偏振现象。
三、激光1.激光的特性。(1)强度大:激光的强度可达1017 W/cm2。(2)方向性好:光束方向性的好坏,是由光束的发散角的大小来量度的。激光光束的发散角在10-3 rad数量级。(3)单色性好。(4)相干性好:一束激光中所有光子的频率是相同的,振动情况也完全相同,所以激光是最好的相干光。(5)覆盖波段而且可调谐。
2.激光的应用。(1)激光加工。(2)激光全息照相。(3)激光检测。(4)激光通信。(5)激光医学。(6)激光照排。(7)激光的其他一些新技术、新应用。①人类第一次实际探测到引力波。②中国首次发现激光驱动流体新技术。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论。( )(2)衍射条纹图样是光波相互叠加的结果。( )(3)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹。( )(4)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。( )(5)自然界不存在偏振光,自然光只有通过偏振片才能变为偏振光。( )(6)激光是自然界普遍存在的一种光。( )(7)激光是一种人工产生的相干光。( )
2.(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。
3.在一次观察光的衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹),那么障碍物应是( )A.很小的不透明的圆板B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C.很大的不透明的圆板D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板答案:D
解析:由题图可知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,且越向外,圆形条纹宽度越小,可判断此图样为圆孔衍射图样,故选项D正确;很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点,但其周围有一个大的阴影区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆环,它与圆孔衍射的图样是不同的。
4.(多选)如图所示,一束自然光通过起偏振器照射到光屏上,则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透射方向)( )
答案:ABD解析:自然光通过起偏振器后成为偏振光,当偏振光的振动方向与起偏振器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,C错误。
(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?提示:(1)大约0.4 mm时会出现条纹,当缝间距变小时,屏幕上条纹间距逐渐变宽,但亮度逐渐减弱。(2)会观察到中央为亮圆,周围为彩色的圆环。
1.单缝衍射图样的特点(1)中央条纹最亮、越向两边越暗,条纹间距不等。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(a)所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图(b)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(c)所示的衍射图样,出现明暗相间的圆环。
(2)圆孔衍射的图样特征①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,圆(亮)环亮度越低。②白光的圆孔衍射图样:中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.圆板衍射(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(d)所示。(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。
只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
【例题1】 (多选)在单缝衍射实验中,下列说法正确的是( )A.将入射光由黄光换成绿光,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,衍射条纹间距变宽答案:ACD解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大,A、C正确;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大,B错误;光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽,D正确。
(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。
【变式训练1】 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答案:A解析:由单缝衍射实验的调整与观察可知,狭缝宽度越小,衍射现象越明显,衍射条纹越宽,条纹间距也越大,本题是将缝调宽,现象向相反的方向变化,故选项A正确,B、C、D错误。
【变式训练2】 如图,(a)、(b)两图是由单色光分别入射到A圆孔和B圆孔形成的图像,由两图可以得出( )
A.图(a)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径B.图(a)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径C.图(b)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径D.图(b)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径
解析:由题图可知,图(a)为明暗相间、间隔不均匀的衍射图像,而图(b)是光的直线传播形成的图样;单色光通过小孔发生了衍射,小孔越小,衍射越显著。由题图知,图(a)衍射显著,所对应的小孔直径小,故A正确,B、C、D错误。
在光的干涉实验中,若挡住双缝其中的一个缝,而让光通过另一个狭缝,屏上是否还能出现条纹?单缝由宽变窄,观察到的条纹发生怎样的变化?换用圆孔做实验,观察到的实验现象是什么?提示:仍然能观察到条纹,但不是等间距的。单缝变窄时,观察到中央亮条纹的宽度变大,两侧条纹更加明显。用圆孔做实验,在屏上观察到中央为亮圆,周围为明暗相间的圆环。
(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增大,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)复色光的衍射或干涉图样,可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。
【例题2】 如图所示的四幅明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。则在下面的四幅图中从左到右排列,亮条纹的颜色依次是( )
A.红、黄、蓝、紫B.红、紫、蓝、黄C.蓝、紫、红、黄D.蓝、黄、红、紫
解析:双缝干涉条纹平行等距,且波长越大,条纹间距越大,而红光波长大于蓝光波长,故第一幅图为红光,第三幅图为蓝光;又由于黄光波长比紫光波长大,故第四幅图为黄光的衍射图样,第二幅图为紫光的衍射图样。
衍射和干涉图样的认识宽度上:双缝干涉的条纹是等宽等间距的,而单缝衍射的条纹是中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄。亮度上:双缝干涉条纹从中央往两侧亮度变化很小;而单缝衍射的中央条纹最亮,两侧逐渐变暗。
【变式训练3】 (多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图。先做操作1:用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ;接着再做操作2:用不透明的挡板挡住b缝。若两块滤光片一块是红色,一块是蓝色,则( )
A.完成操作1后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是红色条纹,乙是蓝色条纹B.完成操作1后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是蓝色条纹,丁是红色条纹C.完成操作2后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是蓝色条纹,乙是红色条纹D.完成操作2后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是红色条纹,丁是蓝色条纹答案:AD解析:题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹,是干涉图样,再根据条纹宽度的有关因素分析即可。题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹,是衍射条纹,再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可。操作1是双缝干涉实验,故条纹间距相等,光屏上出现题图(b)图案,由图案知甲的波长大于乙的波长,故甲为红色条纹,乙为蓝色条纹,A正确;操作2是单缝衍射,条纹间距不相等,光屏上为题图(c)图案,再结合波长关系可知D正确。
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?
提示: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的作用,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。
1.振动方向比较自然光在垂直于光的传播方向的平面内,沿所有方向振动;偏振光在垂直于光的传播方向的平面内,沿某一特定的方向振动。2.经过偏振片时现象比较如图(a),自然光通过偏振片后变成偏振光,后面的屏是明亮的,转动偏振片时,偏振光的振动方向随之变化,但屏上亮度不变。
如图(b)甲、乙,偏振光经过偏振片时,若光的振动方向与偏振片的透光方向平行,屏是亮的;若光的振动方向与偏振片的透光方向垂直,屏是暗的;若既不平行也不垂直,屏的亮度介于两者之间,随着振动方向与透光方向的夹角变大,亮度逐渐变暗。
3.自然光、偏振光产生方式的比较太阳、电灯等直接发出的光是自然光;自然光经偏振片后都是偏振光,自然光射到两种介质的交界面上,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直。
(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射和折射光线,尤其是二者互相垂直时,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直。(2)只有横波才能发生偏振现象,光是横波。
【例题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
解析:自然光沿各个方向发散是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只有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,则A错误;它通过A偏振片后,即变为偏振光,则B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P处无光亮,将B转过180°后,P处仍无光亮,即C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确。
本题考查自然光和偏振光的特征,以及偏振光的获得方法。开始时P处看不到光亮,是由于A、B两偏振片的偏振方向垂直,将A或B转过90°均可在P处看到光亮,其实在A或B转动过程中,P处都有光亮,只是当A或B转过90°时,P处光亮最大而已。本题易错之处主要表现在:其一是对自然光和偏振光的特征不熟悉;其二是对偏振片的作用不清楚。
【变式训练4】 关于光的偏振现象,下列说法正确的是( )A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同B.自然光在水面反射时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光C.光的偏振现象说明光是一种纵波D.照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用 答案:B
解析:自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动,且各个方向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向上沿某个方向振动的光波强度最大,选项A错误;自然光在水面反射时,反射光和折射光的振动方向不同,但都是一定程度的偏振光,选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误;照相机的增透膜,使得光线因反射发生干涉现象从而增大透光性,属于光的薄膜干涉的应用,选项D错误。
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、激光切割机等,激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性?
提示:相干性强、平行度好、亮度高。
【例题4】 关于激光的应用问题,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。
【变式训练5】 让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音或图像,这是利用激光的( )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,可以在很短时间内集中很大的能量D.波长长,很容易发生明显的衍射现象答案:A解析:激光的特点之一是平行度好,它可以会聚到一个很小的点上,DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点,选项A正确,B、C、D错误。
1.(光的衍射)(多选)对光的衍射现象的定性分析,正确的是( )A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物继续传播的现象B.衍射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答案:ABC
解析:根据光的衍射现象的定义可知选项A正确;衍射图样中有亮、暗条纹,这是光波相互叠加的结果,加强区为亮条纹,减弱区为暗条纹,选项B正确;因为衍射也是波特有的现象,所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据,选项C正确;当障碍物较大时,光的衍射很弱,光几乎沿直线传播,即光的直线传播只是特殊情况下的近似,二者是统一的,选项D错误。
2.(光的偏振的应用)(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是( )A.自然光通过起偏振器后成为偏振光,利用检偏振器可以检验出偏振光的振动方向B.立体电影利用了光的偏振现象C.茶色眼镜利用了光的偏振现象D.拍摄水面下的景物时,在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响答案:ABD
3.(激光的认识)如果激光直接照射人的眼睛,聚于感光细胞时引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤,会造成眼睛的永久失明。激光对人眼的危害如此之大的原因是( )A.单色性好B.高能量C.相干性好D.平行度好答案:B
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象;知道明显衍射现象的条件,衍射条纹的特点; 知道偏振光和自然光的区别。2.了解日常见到的光多数是偏振光,了解偏振光在生产生活中的一些应用。3.了解激光的特性。举例说明激光技术在生产生活中的应用。
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象,知道衍射条纹的特点及产生明显衍射现象的条件;知道偏振光和自然光的区别。形成正确的物理观念。2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。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,形成科学思维。3.了解激光的特性和应用,知道激光的科学技术上的应用,培养科学思维。
一、光的衍射1.光的衍射。光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了直线传播方向,在屏上散开到相当大的范围,这种现象叫作光的衍射。2.衍射图样。(1)定义:衍射时产生的明暗的图样。(2)单缝衍射图样的特点①单色光:中央有一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,亮条纹的强度向两边很快减弱。②白光:中央是一条白色条纹,两边是很快减弱的彩色条纹。
二、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殊的方向,叫作“透光方向”,只有振动方向与透光方向平行的成分才能通过偏振片。2.自然光和线偏振光。(1)线偏振光:如果光振动的方向限在一个平面,这种光叫线偏振光。(2)自然光:通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的,称为自然光。(3)光的偏振现象表明光是一种横波。
3.纵波有偏振现象吗?答案:没有。偏振现象是横波特有的现象,纵波没有偏振现象。
三、激光1.激光的特性。(1)强度大:激光的强度可达1017 W/cm2。(2)方向性好:光束方向性的好坏,是由光束的发散角的大小来量度的。激光光束的发散角在10-3 rad数量级。(3)单色性好。(4)相干性好:一束激光中所有光子的频率是相同的,振动情况也完全相同,所以激光是最好的相干光。(5)覆盖波段而且可调谐。
2.激光的应用。(1)激光加工。(2)激光全息照相。(3)激光检测。(4)激光通信。(5)激光医学。(6)激光照排。(7)激光的其他一些新技术、新应用。①人类第一次实际探测到引力波。②中国首次发现激光驱动流体新技术。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论。( )(2)衍射条纹图样是光波相互叠加的结果。( )(3)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹。( )(4)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。( )(5)自然界不存在偏振光,自然光只有通过偏振片才能变为偏振光。( )(6)激光是自然界普遍存在的一种光。( )(7)激光是一种人工产生的相干光。( )
2.(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。
3.在一次观察光的衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹),那么障碍物应是( )A.很小的不透明的圆板B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C.很大的不透明的圆板D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板答案:D
解析:由题图可知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,且越向外,圆形条纹宽度越小,可判断此图样为圆孔衍射图样,故选项D正确;很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点,但其周围有一个大的阴影区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆环,它与圆孔衍射的图样是不同的。
4.(多选)如图所示,一束自然光通过起偏振器照射到光屏上,则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透射方向)( )
答案:ABD解析:自然光通过起偏振器后成为偏振光,当偏振光的振动方向与起偏振器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,C错误。
(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?提示:(1)大约0.4 mm时会出现条纹,当缝间距变小时,屏幕上条纹间距逐渐变宽,但亮度逐渐减弱。(2)会观察到中央为亮圆,周围为彩色的圆环。
1.单缝衍射图样的特点(1)中央条纹最亮、越向两边越暗,条纹间距不等。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(a)所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图(b)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(c)所示的衍射图样,出现明暗相间的圆环。
(2)圆孔衍射的图样特征①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,圆(亮)环亮度越低。②白光的圆孔衍射图样:中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.圆板衍射(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(d)所示。(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。
只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
【例题1】 (多选)在单缝衍射实验中,下列说法正确的是( )A.将入射光由黄光换成绿光,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,衍射条纹间距变宽答案:ACD解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大,A、C正确;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大,B错误;光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽,D正确。
(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。
【变式训练1】 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答案:A解析:由单缝衍射实验的调整与观察可知,狭缝宽度越小,衍射现象越明显,衍射条纹越宽,条纹间距也越大,本题是将缝调宽,现象向相反的方向变化,故选项A正确,B、C、D错误。
【变式训练2】 如图,(a)、(b)两图是由单色光分别入射到A圆孔和B圆孔形成的图像,由两图可以得出( )
A.图(a)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径B.图(a)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径C.图(b)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径D.图(b)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径
解析:由题图可知,图(a)为明暗相间、间隔不均匀的衍射图像,而图(b)是光的直线传播形成的图样;单色光通过小孔发生了衍射,小孔越小,衍射越显著。由题图知,图(a)衍射显著,所对应的小孔直径小,故A正确,B、C、D错误。
在光的干涉实验中,若挡住双缝其中的一个缝,而让光通过另一个狭缝,屏上是否还能出现条纹?单缝由宽变窄,观察到的条纹发生怎样的变化?换用圆孔做实验,观察到的实验现象是什么?提示:仍然能观察到条纹,但不是等间距的。单缝变窄时,观察到中央亮条纹的宽度变大,两侧条纹更加明显。用圆孔做实验,在屏上观察到中央为亮圆,周围为明暗相间的圆环。
(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增大,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)复色光的衍射或干涉图样,可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。
【例题2】 如图所示的四幅明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。则在下面的四幅图中从左到右排列,亮条纹的颜色依次是( )
A.红、黄、蓝、紫B.红、紫、蓝、黄C.蓝、紫、红、黄D.蓝、黄、红、紫
解析:双缝干涉条纹平行等距,且波长越大,条纹间距越大,而红光波长大于蓝光波长,故第一幅图为红光,第三幅图为蓝光;又由于黄光波长比紫光波长大,故第四幅图为黄光的衍射图样,第二幅图为紫光的衍射图样。
衍射和干涉图样的认识宽度上:双缝干涉的条纹是等宽等间距的,而单缝衍射的条纹是中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄。亮度上:双缝干涉条纹从中央往两侧亮度变化很小;而单缝衍射的中央条纹最亮,两侧逐渐变暗。
【变式训练3】 (多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图。先做操作1:用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ;接着再做操作2:用不透明的挡板挡住b缝。若两块滤光片一块是红色,一块是蓝色,则( )
A.完成操作1后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是红色条纹,乙是蓝色条纹B.完成操作1后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是蓝色条纹,丁是红色条纹C.完成操作2后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是蓝色条纹,乙是红色条纹D.完成操作2后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是红色条纹,丁是蓝色条纹答案:AD解析:题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹,是干涉图样,再根据条纹宽度的有关因素分析即可。题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹,是衍射条纹,再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可。操作1是双缝干涉实验,故条纹间距相等,光屏上出现题图(b)图案,由图案知甲的波长大于乙的波长,故甲为红色条纹,乙为蓝色条纹,A正确;操作2是单缝衍射,条纹间距不相等,光屏上为题图(c)图案,再结合波长关系可知D正确。
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?
提示: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的作用,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。
1.振动方向比较自然光在垂直于光的传播方向的平面内,沿所有方向振动;偏振光在垂直于光的传播方向的平面内,沿某一特定的方向振动。2.经过偏振片时现象比较如图(a),自然光通过偏振片后变成偏振光,后面的屏是明亮的,转动偏振片时,偏振光的振动方向随之变化,但屏上亮度不变。
如图(b)甲、乙,偏振光经过偏振片时,若光的振动方向与偏振片的透光方向平行,屏是亮的;若光的振动方向与偏振片的透光方向垂直,屏是暗的;若既不平行也不垂直,屏的亮度介于两者之间,随着振动方向与透光方向的夹角变大,亮度逐渐变暗。
3.自然光、偏振光产生方式的比较太阳、电灯等直接发出的光是自然光;自然光经偏振片后都是偏振光,自然光射到两种介质的交界面上,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直。
(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射和折射光线,尤其是二者互相垂直时,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直。(2)只有横波才能发生偏振现象,光是横波。
【例题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
解析:自然光沿各个方向发散是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只有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,则A错误;它通过A偏振片后,即变为偏振光,则B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P处无光亮,将B转过180°后,P处仍无光亮,即C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确。
本题考查自然光和偏振光的特征,以及偏振光的获得方法。开始时P处看不到光亮,是由于A、B两偏振片的偏振方向垂直,将A或B转过90°均可在P处看到光亮,其实在A或B转动过程中,P处都有光亮,只是当A或B转过90°时,P处光亮最大而已。本题易错之处主要表现在:其一是对自然光和偏振光的特征不熟悉;其二是对偏振片的作用不清楚。
【变式训练4】 关于光的偏振现象,下列说法正确的是( )A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同B.自然光在水面反射时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光C.光的偏振现象说明光是一种纵波D.照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用 答案:B
解析:自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动,且各个方向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向上沿某个方向振动的光波强度最大,选项A错误;自然光在水面反射时,反射光和折射光的振动方向不同,但都是一定程度的偏振光,选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误;照相机的增透膜,使得光线因反射发生干涉现象从而增大透光性,属于光的薄膜干涉的应用,选项D错误。
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、激光切割机等,激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性?
提示:相干性强、平行度好、亮度高。
【例题4】 关于激光的应用问题,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。
【变式训练5】 让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音或图像,这是利用激光的( )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,可以在很短时间内集中很大的能量D.波长长,很容易发生明显的衍射现象答案:A解析:激光的特点之一是平行度好,它可以会聚到一个很小的点上,DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点,选项A正确,B、C、D错误。
1.(光的衍射)(多选)对光的衍射现象的定性分析,正确的是( )A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物继续传播的现象B.衍射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答案:ABC
解析:根据光的衍射现象的定义可知选项A正确;衍射图样中有亮、暗条纹,这是光波相互叠加的结果,加强区为亮条纹,减弱区为暗条纹,选项B正确;因为衍射也是波特有的现象,所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据,选项C正确;当障碍物较大时,光的衍射很弱,光几乎沿直线传播,即光的直线传播只是特殊情况下的近似,二者是统一的,选项D错误。
2.(光的偏振的应用)(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是( )A.自然光通过起偏振器后成为偏振光,利用检偏振器可以检验出偏振光的振动方向B.立体电影利用了光的偏振现象C.茶色眼镜利用了光的偏振现象D.拍摄水面下的景物时,在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响答案:ABD
3.(激光的认识)如果激光直接照射人的眼睛,聚于感光细胞时引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤,会造成眼睛的永久失明。激光对人眼的危害如此之大的原因是( )A.单色性好B.高能量C.相干性好D.平行度好答案:B
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