高中物理 知识点考点解析含答案 知识讲解 光的衍射、偏振、色散、激光 基础

光的衍射、偏振、色散、激光
【学习目标】
1．了解光的衍射现象及观察方法． 2．理解光产生衍射的条件．
3．知道几种不同衍射现象的图样．
5．知道振动中的偏振现象，偏振是横波特有的性质． 6．明显偏振光和自然光的区别．
7．知道光的偏振现象及偏振光的应用． 8．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念． 9．理解薄膜干涉的原理并能解释一些现象．
10．知道激光和自然光的区别． 11．了解激光的特点和应用．
【要点梳理】 要点一、光的衍射 1．光的衍射现象
当单色光通过很窄的缝或很小的孔时，光离开了直线路径，绕到障碍物的阴影里去，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域，形成明暗相间的条纹或光环． 2．产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射．对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显．由于波长越长，衍射性越好，所以要观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多． 3．三种衍射现象和图样特征 (1)单缝衍射． ①单缝衍射现象．
如图所示，点光源S 发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿着直线传播，传播到光屏上的AB 区域；若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播，而是传到几何阴影区，在AA BB ''、区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象．
要点诠释：衍射是波特有的一种现象，只是有的明显，有的不明显而已． ②图样特征．
单缝衍射条纹分布是不均匀的，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同：用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央条纹宽度大，亮度也大，如图所示，与干涉条纹有区别．用白光照射单缝时，中间是白色亮条纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光．
(2)圆孔衍射．
①圆孔衍射的现象．
如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图乙中所示的情形，无衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现图丙中所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环．
②图样特征．
衍射图样中，中央亮圆的亮度大，外面是亮、暗相间的圆环，但外围亮环的亮度小，用不同的光照射时所得图样也有所不同，如果用单色光照射时，中央为亮圆，外面是亮度越来越暗的亮环．如果用白光照射时，中央亮圆为白色，周围是彩色圆环．
(3)圆板衍射．
在1818年，法国物理学家菲涅耳提出波动理论时，著名的数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出圆板后面的中央应出现一个亮斑，这看起来是一个荒谬的结论，于是在同年，泊松在巴黎科学院宣称他推翻了菲涅耳的波动理论，并把这一结果当作菲涅耳的谬误提了出来但有人做了相应的实验，发现在圆板阴影的中央确实出现了一个亮斑，这充分证明了菲涅耳理论的正确性，后人把这个亮斑就叫泊松亮斑．
小圆板衍射图样的中央有个亮斑——泊松亮斑，图样中的亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小．
4．衍射光栅
(1)构成：由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．
(2)特点：它产生的条纹分辨程度高，便于测量．
(3)种类：⎧
⎨
⎩
透射光栅反射光栅
．
5．衍射现象与干涉现象的比较
种类
项目
单缝衍射双缝干涉
不
同
点
产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等
条纹间距各相邻条纹间不等各相邻条纹等间距
亮度中央条纹最亮，两边变暗
清晰条纹，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
6．三种衍射图样的比较
如图所示是光经狭缝、小孔、小圆屏产生的衍射图样的照片．由图可见：
(1)光经不同形状的障碍物产生的衍射图样的形状是不同的．
(2)衍射条纹的间距不等．
(3)仔细比较乙图和丙图可以发现小孔衍射图样和小圆屏衍射图样的区别：①小圆屏衍射图样的中央有个亮斑——著名的“泊松亮斑”；②小圆屏衍射图样中亮环或暗环间距随着半径的增大而减小，而圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大；③乙图背景是黑暗的，丙图背景是明亮的．
要点二、光的偏振
1．光是横波
光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波．
要点诠释：电磁波是横波，电磁波中的电场强度E和磁感应强度B都与波的传播方向垂直．既然光是电磁波，也应该是横波，光的作用主要是由其电场强度E引起的．
2．偏振现象
(1)狭缝对横波、纵波的影响：
如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，纵波都能自由通过狭缝；对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫做横波的偏振．如图所示．
(2)横波独有的特征：
偏振现象是横波所特有的，故利用偏振现象可判断一列波是横波或是纵波．
(3)光的偏振现象说明光波是横波．
3．自然光和偏振光
(1)自然光：
从普通光源直接发出的自然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏向哪一个方向．这种沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫自然光．
自然光介绍：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。

如图所示。

要点诠释：偏振片是由特殊材料制成的，其“狭缝”用肉眼不能看见，它只允许振动方向与“狭缝”平行的光波通过．通过偏振片后，自然光就变成了偏振光．如图所示，普通光源S发出的光经过偏振片时，后面的光屏是明亮的，说明光透过了偏振片，若转动偏振片，光屏上亮度不变，说明透过光的强度不变，由此可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同．
(2)偏振光：
只沿着一个特定的方向振动的光叫偏振光．如经过偏振片后的自然光．若偏振光再经过一个偏振片后，情况会怎样呢？如图1所示，当两偏振片的“狭缝”平行时，光屏上仍有亮光．当两偏振片的“狭缝”相互垂直时，透射光的强度几乎为零，光屏上是暗的．如图2所示．
结论：光是一种横波．
上面第l块偏振片叫起偏器；
第2块偏振片叫检偏器．
4．偏振光的两种产生方式
(1)让自然光通过偏振片；(2)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．
要点诠释：平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外都是偏振光．
要点三、光的颜色、色散 1．色散与光谱
含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫色散．
含有多种频率的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列就是光谱． 2．双缝干涉中的色散
用不同的单色光作双缝干涉实验，得到的条纹之间的距离不一样，但都是明暗相间的单色条纹，由L
x d
λ=
△知，不同颜色的光，波长不同．红光x ∆最大，波长最长，紫光x ∆最小，波长最短． 白光干涉时的条纹是彩色的，可见白光是由多种色光组成的，发生干涉时，白光发生了色散现象． 3．薄膜干涉中的色散
用单色光照射薄膜时，两个表面反射的光是相干的，形成明暗相间的条纹． 用不同的单色光照射，看到亮纹的位置不同．
用白光照射时，不同颜色的光在不同位置形成不同的条纹，看起来就是彩色的． 4．折射时的色散
如图所示，一束白光通过三棱镜后会扩展成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色组成的光谱．注意：
(1)我们把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫光通过棱镜的偏向角．实验表明，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大．这说明玻璃对不同色光的折射率不同．紫光的折射率最大，红光的折射率最小，依次为n n >>L 红紫． 由于介质中的光速c
v n
=
，故折射率大的光速小，各种色光在介质中的光速依次为：v v v <<<L 靛红紫，即红光的速度最大，紫光速度最小．
如图所示，白光经三棱镜后，在光屏上呈现七色光带(光谱)；若从棱镜的顶角向底边看，由红到紫依次排列，紫光最靠近底边．光的色散实质上是光的折射现象．
(2)色散现象的产生表明，白光是由各种单色光组成的复色光．由于各种单色光通过棱镜时因折射率不同使光线偏折的角度不同，所以产生了色散现象．单色光通过棱镜不能再分，所以不能发生色散
现象．
5．薄膜干涉
竖直放置的肥皂膜受到重力的作用，形成上薄下厚的楔形薄膜，在薄膜上不同的地方，来自前后两个面的反射光所走的路程差不同，在一些地方，这两列波叠加后互相加强，于是出现了亮纹；在另一些地方，叠加后互相削弱，于是出现了暗纹．
要点诠释：用单色光照射薄膜，看到的是明暗相间的条纹．用白光照射时，某一厚度的地方，是这一种色光被加强，另一厚度的地方则是另一种色光被加强，因此看到的是彩色条纹．水面上的油膜，马路上的油膜和肥皂泡上的彩色条纹都是薄膜干涉形成的．
6．分光镜
用来观察光谱，分析光谱的仪器叫分光镜，分光镜构造原理如图所示．
A为平行光管，由两部分组成，一端有狭缝，另一端有凸透镜，狭缝到凸透镜的距离等于一倍焦距，狭缝入射的光经凸透镜后变成平行光线，射到三棱镜上．
三棱镜P通过色散将不同颜色的光分开．
通过望远镜筒B可以观察光谱，在MN上放上底片还可以拍摄光谱．
管C在目镜中形成一个标尺，以便对光谱进行定量研究．
7．薄膜干涉现象的观察方法
用酒精灯火焰和肥皂薄膜观察光的薄膜干涉现象时，观察者眼睛、酒精灯、薄膜位置应如图所示，注意：观察的是火焰经薄膜反射的像，像上会出现明暗相间的水平条纹．本实验成功的关键是膜一定要薄，但又要有足够的韧性，不致很快破掉，以便有足够长的时间可以观察(可在清水中加一些洗洁精)．
8．各种色散现象的规律
(1)光的颜色取决于频率，从红光到紫光，频率逐渐增大，波长逐渐减小，色光由真空进入介质，频率不变，波长减小．
(2)色光从真空进入介质速度都要减小，在同一种介质中，从红光到紫光，速度逐渐减小．
(3)在同一种介质中，从红光到紫光，折射率逐渐增大．
9．用干涉法检查平面
如图（a）所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹．如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果某处凹下，则对应明纹(或暗纹)提前出现，如图(b)所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图(c)所示．(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上)
10．增透膜的应用
在光学仪器中，为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失，可用薄膜干涉相消来减少反射光．像照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了介质薄膜(氟
化镁)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1
4
，这样反射回来的两列光波经过路程差恰好等于半
个波长，它们干涉后就相互抵消．
要点诠释：这种薄膜减少光学表面反射造成的光能损失，增强了透镜透光的能量，故称之为增透膜．
而入射光一般是白光，增透膜不可能使所有的单色光干涉相消．由于人眼对绿光最敏感，一般增透膜的厚度做到使绿光垂直入射时完全抵消，这时红光和紫光没有显著削弱，所以有增透膜的光学镜头显淡紫色．
要点四、激光
1．激光和激光的产生
(1)激光．
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．激光是相干光，激光是人工产生的光．
(2)激光的产生．
在现代科学技术中用激光器产生激光．
要点诠释：激光是一种特殊的光，自然界中的发光体不能发出激光1958年，人类在实验室里首次获得了激光．
2．激光具有的特点
(1)相干性好．所谓相干性好，是指容易产生干涉现象．普通光源发出的光(即使是所谓的单色光)频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件．所以，现在我们做双缝干涉实验时，无需在双缝前放一个单缝，而是用激光直接照射双缝，就能得到既明亮又清晰的干涉条纹．利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量，而光纤通信就必须借助激光技术才能发展．
(2)平行度非常好．与普通光相比，传播相同距离的激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距．现在利用激光测量地月距离精确度已达到1 m．
(3)激光的亮度非常高．它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量．如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛．
(4)激光单色性很好．激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的．
3．激光的应用举例与对应的特性
(1)激光雷达．对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到反射回波的时间间隔，结合发射的方向，就可探知目标的方位和距离，结合多普勒效应，还可以求出目标的运动速度．(利用激光的平行度好)
(2)读盘．激光的平行度很好，可以会聚到很小的一点，让会聚点照射DVD碟机、CD唱机、计算机的光盘上，就可读出光盘上记录的信息．(利用激光的平行度好)
(3)医用激光刀．可以用于医疗的某些手术上，具有手术时间短、损伤小、不会引起细菌感染、止血快等优点．(利用激光的亮度高)
(4)切割金属等难熔物质．用激光可以产生几千万度的高温，使最难熔的物质也可在瞬间汽化．(利用激光的亮度高)
(5)激光育种．用激光照射植物的种子，会使植物产生有益的变异，用于培育新晶种．(利用激光的亮度高)
(6)引起核聚变．使聚变能在控制前提下进行．(利用激光亮度高)
(7)激光可以作为武器使用，用以击毁侦察卫星，飞行的导弹、飞机、装甲车等．(利用激光的亮度高)
(8)作为干涉、衍射的光源．干涉、衍射现象明显．(利用其单色性好)
【典型例题】
类型一、衍射现象
例1．（2015 江苏省宜兴市校级期末）在一次观察光衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样，那么障碍物应是(黑线为暗纹) ：（）
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】用光照射很小的不透明圆板时后面会出现一亮点，A错误；用光照射很大的中间有大圆孔的不透明圆板时后面是一亮洞，B错误；用光照射很大的不透明的圆板时后面是一片阴影，C错误；用光照射很大的中间有小圆孔的不透明的圆板时后面是明暗相间的衍射图样，D正确。

故选D。

举一反三:【高清课堂：光的衍射、偏振、色散、激光例1】
【变式】在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测量爪形成的狭缝，观看远处的日光灯管或线状白炽灯丝（灯管或灯丝都要平行于狭缝），可以看到（）
A．黑白相间的直条纹B．黑白相间的弧形条纹
C．彩色的直条纹D．彩色的弧形条纹
【答案】C
例2．关于光的衍射现象，下面说法正确的是()．
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红暗相间的直条纹
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，不存在光的衍射现象
【答案】A、C
【解析】该题考查衍射图样和对衍射现象的理解．单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现光点，是衍射现象光的衍射现象只有明显与不明显之分。

D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．
【总结升华】本题考查了光发生明显衍射的条件．同时强调了衍射是光的一种本性，它的存在不取决于我们是否能看见．
【变式】在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是()．
A．将入射光由黄色换成绿色，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】A、C、D
【解析】该题考查决定衍射条纹宽度的物理量．当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；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；光的波长一定、单缝宽度也一定时，若增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，故A、C、D三项正确．
【总结升华】衍射条纹的间距与λ、d、l有关．λ、l增大，则间距增大；缝宽d变小，则间距增
大．
例3．让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)． 【思路点拨】随着三角形孔的缩小，光分别呈现出在不同条件下的传播特点。

【答案】见解析
【解析】当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰的像，继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗．
【总结升华】随着三角形孔的缩小，光分别呈现出在不同条件下的传播特点：直线传播和发生衍射，如果有可能的话，最好自己动手做一下，在不透明的纸板上分别用刀刻出大小不同的三角形，观察一下屏上呈现不同图样的现象时所用三角形孔的尺寸是多大．
举一反三: 【高清课堂：光的衍射、偏振、色散、激光 例2】
【变式】A 、B 两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图象，其中图A 是光的________（填干涉或衍射）图象。

由此可以判断出图A 所对应的圆孔的孔径________（填大于或小于）图B 所对应的圆孔的孔径。

【答案】衍射 小于 【解析】据题意知A 图为小孔衍射图，而B 图表明未发生衍射，故A 对应孔小于B 对应孔直径．[点拨]由题意知是一个圆孔，而且条纹是不等间距的，所以A 是衍射而不是干涉。

例4．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
【答案】A
【解析】干涉条纹是等距离的条纹，因此，a b 、图是干涉图样，c d 、图是衍射图样，故A 项正
确，B项错误；由公式
L
x
d
λ
∆=可知，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的
光的波长长，故C项错误，c图样的光的波长比d图样的光的波长长。

故D项错误．【总结升华】①双缝是干涉条纹，间距相等；②单缝是衍射条纹，间距不等，中央亮条纹最亮，两侧为间距不等的明暗相间的条纹．
举一反三:【高清课堂：光的衍射、偏振、色散、激光例3】
【变式1】下图所示的4种明暗相间的条纹，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（灰黑色部分表示亮纹）。

则在下面的四个图中从左往右排列，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
【答案】B
【解析】题图中第1、3为干涉图样，第2、4为衍射图样。

1的波长较长，为红光，3为蓝光。

2的波长短，为紫光，4为黄光。

所以颜色顺序依次是红紫蓝黄。

类型二、偏振光
例5．如图所示，P是偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向．下列四种入射光束中，哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光？()
A．太阳光
B．沿竖直方向振动的光
C．沿水平方向振动的光
D．沿与竖直方向成45︒角振动的光
【思路点拨】只要光的振动方向不与偏振片的狭缝垂直，光都能通过偏振片．
【答案】A、B、D
【解析】根据光的现象，只要光的振动方向不与偏振片的狭缝垂直，光都能通过偏振片．太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45︒角振动的光均能通过偏振片．故A、B、D正确．
【总结升华】当光的振动方向不与偏振片透射方向垂直时，一定有光透射出去．
举一反三:【高清课堂：光的衍射、偏振、色散、激光例5】
【变式1】如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P
或Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明（）
A．光是电磁波B．光是一种横波
C．光是一种纵波D．光是概率波
【答案】B
【变式2】两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以至没有光通过．如果将其中的一片旋转180︒，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象()．
A．透过偏振片的光强先增强，然后又减少到零
B．透过偏振片的光强先增强，然后减少到非零的最小值
C．透过偏振片的光强在整个过程中都增强
D．透过偏振片的光强先增强，再减弱，然后又增强
【答案】A
【解析】该题考查起偏器和检偏器的作用．起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过；偏振方向平行时，光强度达到最大．当其中一个偏振片振动180︒的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，后减小到零，所以答案为A．
【总结升华】充分认识和理解自然光的起偏方式和起偏与检偏的实验．
例6．一段时间以来，“假奶粉事件”闹得沸沸扬扬，奶粉的碳水化合物(糖)含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量，偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有
、关．将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品中的含糖量．如图所示，S是自然光源，A B
、之间，则下列说法中正确的是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A B
是()．
A．到达O处光的强度会明显减弱
B．到达O处光的强度不会明显减弱
C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于α
D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α。