2017-2018学年同步备课套餐之物理教科版选修3-4讲义：第5章 光的波动性3

3光的衍射与偏振激光
[学习目标] 1.知道光产生明显衍射现象的条件，了解几种不同衍射现象的图样.2.能用衍射知识对生活中的现象进行解释和分析.3.认识光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，能用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象.5.了解激光的特性及应用．
一、光的衍射
[导学探究]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现象的变化．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？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？
答案大约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．会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环．
[知识梳理]
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，这种现象叫做光的衍射．
2．衍射图像
(1)定义：衍射时产生的明暗条纹或光环．
(2)单缝衍射图像的特点
①单色光：中央有一条较宽较亮的条纹，两边是对称而明暗相间的条纹，亮条纹的强度向两边很快减弱．
②白光：中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹．
(3)圆孔衍射图像的特点
①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度高，外面是明暗相间的不等距(填“等距”或“不等距”)的圆环，越向外，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)泊松亮斑：障碍物的衍射现象
①在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．
②图样特点：中央是一个亮斑，圆板阴影的边缘模糊，阴影外边有明暗相间的圆环．
3．光的衍射现象进一步证明了光具有波动性．
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)衍射条纹图样是光波相互叠加的结果．(√)
(2)平时很难观察到光的衍射现象是因为一般的障碍物或缝比光波的波长大很多的缘故．(√)
(3)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹．(×)
(4)光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射．(√)
(5)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．(×)
二、光的偏振
[导学探究] 1．取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，软绳上形成一列横波，质点在竖直平面内沿着上下方向振动．如果手持绳的一端左右抖动，会在绳上形成另一列横波，质点在水平面内沿着左右方向振动．
现在让软绳穿过一块带有狭缝的木板．分别将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置，观察发生的现象(如图1甲、乙所示)．
如果将这根软绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，观察发生的现象(如图丙所示)．这两种现象说明什么？
图1
答案当机械波是横波时，若质点的振动方向与狭缝平行，则机械波能透过狭缝传播，反之则不能透过狭缝传播．对纵波而言，不管什么情况，纵波总能透过狭缝传播．
2．如图2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？
图2
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导学探究1中狭缝的作用，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.
[知识梳理]
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．光的偏振现象进一步证实光是横波．
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同．(×)
(2)自然光通过偏振片后成为偏振光．(√)
(3)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光不能透过偏振片．(√)
三、激光
[导学探究]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、激光炮(如图3所示)等．激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？
图3
答案相干性强、平行度好、亮度高．
[知识梳理]
激光的特点及应用
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)激光是自然界普遍存在的一种光．(×)
(2)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点．(√)
(3)激光精确测距利用激光的平行度好的特点．(√)
(4)激光切割利用激光平行度好的特点．(×)
(5)全息照相利用了激光的相干性强的特点．(√)
一、光的衍射
1．衍射现象是否明显方面：入射光波长越大，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．
例1 (多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是( )
A ．其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄
B ．其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C ．其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D ．其他条件不变，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，条纹间距也越大，黄光波长大于绿光波长，所以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，衍射条纹间距会变宽，B 错误；当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距会变宽，D 正确．
二、单缝衍射与双缝干涉的比较
1．不同点
(1)产生条件⎩⎪⎨⎪⎧
单缝衍射：只要狭缝足够小双缝干涉：频率相同的两列光波相遇叠加 (2)图样⎩⎪⎨⎪⎧ 单缝衍射的图样是中央为最宽最亮的亮条纹， 两侧亮条纹变暗变窄
双缝干涉的图样是亮度相同的等间距的条纹
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削弱的结果．
(2)都是波特有的现象，表明光是一种波．
例2如图4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()
图4
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．
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄．
(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．
三、光的偏振
1．当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片．
2．当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间．
例3如图5所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片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()
图5
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
解析白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，当P旋转时，只有与Q的透振方向一致时才有光透过Q，因此B点光的强度有变化，选项C正确．
四、激光的特点和应用
1．激光加工、激光医学(强度大、能量高度集中)．
2．激光雷达测距、测速、光盘(方向性好，结合多普勒效应)．
3．激光全息照相、激光检测(相干性好)．
4．激光通信(覆盖波段宽而且可调谐)．
例4关于激光的应用问题，下列说法中正确的是()
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．光驱内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光相干性好的特点
C．医学中用激光作“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．光驱内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行性好，B错误．医学中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确．激光测距雷达利用的是激光的平行度和方向性好的特点，D 错误．
1．对于单缝衍射现象，下列说法正确的是()
A．缝的宽度d越小，衍射条纹越亮
B．缝的宽度d越小，衍射现象越明显
C．缝的宽度d越小，光的传播路线越接近直线
D．入射光的波长越短，衍射现象越明显
答案 B
解析单缝宽度越小，衍射条纹的亮度越小，选项A错；入射光的波长越长，单缝宽度越小，
衍射现象越明显，选项B对，选项C、D错．
2．(多选)如图6所示，甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样．下列判断正确的是(图中黑色表示亮条纹)()
图6
A．甲为单缝衍射的图样
B．乙为双缝干涉的图样
C．甲为双缝干涉的图样
D．乙为单缝衍射的图样
答案AB
解析双缝干涉图样的条纹间隔是均匀的，单缝衍射的条纹是中间宽、两侧逐渐变窄，由此可见选项A、B正确．
3．(多选)鉴别奶粉的质量，奶粉的碳水化合物(糖)的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，就能确定被测样品的含糖量了．如图7所示，S是自然光源，A、B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之间，则下列说法中正确的是()
图7
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处光的强度仍为最大，偏振片B转过的角度等于αD．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片A转过的角度等于α
答案ACD
解析自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个
角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；若将A或B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，说明它们转过的角度等于α，故C、D都正确．
4．(多选)下列说法正确的是()
A．激光可用于测距
B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料
C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D．激光可用于全息照相，有独特的特点
答案ACD
解析激光平行度好，即使在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，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，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；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确．
一、选择题
1．关于衍射现象，下列说法正确的是()
A．泊松亮斑是光的衍射现象
B．当障碍物的尺寸比波长大很多时，能发生明显的衍射现象
C．缝的宽度越小，光的传播路线越接近直线
D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象
答案 A
2．(多选)用游标卡尺观察光的衍射现象时，下列说法中正确的是()
A．游标卡尺形成的狭缝应平行于日光灯，且狭缝远离日光灯，人眼也远离狭缝进行观察B．游标卡尺狭缝平行于日光灯观察时，可观察到中央为白色条纹，两侧为彩色条纹，且彩色条纹平行于日光灯
C．狭缝由0.5 mm宽度缩小到0.2 mm，条纹间距变宽，亮度变暗
D．狭缝由0.5 mm宽度扩展到0.8 mm，条纹间距变宽，亮度变暗
答案BC
解析当游标卡尺狭缝平行于日光灯，狭缝远离日光灯时，眼睛应靠近狭缝进行观察，观察到平行于日光灯的彩色条纹，且中央为白色条纹，A错误，B正确；狭缝越小，衍射现象越明显，即条纹间距变宽，但亮度变暗，C正确，D错误．
3．在一次观察光衍射的实验中，观察到如图1所示的清晰的明暗相间图样(黑线为暗条纹)，那么障碍物应是()
图1
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；有的同学误选为A，要注意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．在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的()
A．强度大B．方向性好
C．相干性好D．覆盖波段宽且可调谐
答案 C
解析频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光具有高度的相干性，通过双缝时能够得到两束相干光．故本题的正确答案是C.
5．(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．
6．(多选)以下说法中正确的是()
A．激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性
B．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象
C．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物
D．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
答案ACD
7．关于光的干涉和衍射现象，下列说法正确的是()
A．光的干涉现象遵循波的叠加原理，衍射现象不遵循波的叠加原理
B．光的干涉条纹是彩色的，衍射条纹是黑白相间的
C．光的干涉现象说明光具有波动性，光的衍射现象不能说明这一点
D．光的干涉和衍射现象都是光波叠加的结果
答案 D
解析光的干涉现象和光的衍射现象都是波的特有现象，都是光波叠加的结果，白光的干涉条纹是彩色的，白光的衍射条纹也是彩色的，只是条纹间距特点及亮度特点不同而已．8．(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图2所示．激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生的条纹规律相同，则()
图2
A．这是利用光的干涉现象
B．这是利用光的衍射现象
C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了
答案BD
解析由图样可知，这是利用了光的衍射现象，当丝变细时(相当于狭缝变窄)条纹间距变宽，B、D选项正确．
9．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，图3的四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是()
图3
A．a、c B．b、c C．a、d D．b、d
答案 D
解析单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样．
10．两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯前面，有光通过，如果将其中一片旋转180°，在旋转过程中可能会产生哪种现象()
A．透过偏振片的光强先增强，然后又减小到零
B．透过偏振片的光强先增强，然后减小到非零的最小值
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 D
解析旋转其中一个偏振片时，根据两个偏振片的透振方向平行时光强最强，透振方向垂直时光强最弱的原则，可知旋转其中一个偏振片时，光强的变化可能出现先增强，再减弱，然后又增强的现象，也可能出现先减弱，后增强，再减弱的现象．
11．在拍摄日落时分水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片，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
答案 A
解析让偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱进入镜头的反射光，使水下景物的像清晰．
12．(多选)光的偏振现象说明光是横波，下列现象中能反映光的偏振特性的是()
A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化
B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°
时，反射光线是偏振光
C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振片，可以使景象更清晰
D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹
答案ABC
解析自然光通过第一个偏振片后形成单一振动方向的偏振光，再通过第二个偏振片时，若偏振片的透射方向与此偏振光的振动方向垂直，则无光透过第二个偏振片，若二者平行则透射光最强，故选项A反映了光的偏振现象；一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线垂直时，反射光线和折射光线都是偏振光且偏振方向垂直，选项B反映了光的偏振；拍摄水中景物或玻璃橱窗中景物时，由于水或玻璃表面反射光较强，使所拍摄景物不清晰，在照相机镜头前装上偏振片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，可以有效防止反射光进入照相机，从而使所拍景象更清晰，选项C反映了光的偏振；通过手指间的缝隙观察日光灯，看到彩色条纹是光的衍射现象．
二、非选择题
13．使太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列________．
A．圆形光斑
B．明暗相间的彩色条纹
C．变暗消失
D．正方形光斑
E．正方形光斑由大变小
答案DEABC
解析由于光的波长很短，因此当孔很大时，不会发生明显的衍射现象，此时可看作光是近似沿直线传播的，在屏上得到孔的影；当孔继续减小时，虽不能使光发生明显的衍射现象，但可以在屏上得到太阳的像，即小孔成像；孔再继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹；孔进一步减小直到闭合时，由于穿过孔的光减小而使光线变暗直至消失．
14．如图4所示是通过游标卡尺两测量脚间的狭缝观察白炽灯线光源时所拍下的四张照片．
图4
(1)试通过图样分析四张照片对应的两测量脚间的宽度大小关系．
(2)试说明照片丁中中央条纹的颜色及成因．
答案(1)越来越小(2)见解析
解析(1)从四张照片的单缝衍射图样可以看出，由照片甲到照片丁，衍射现象越来越明显，说明两测量脚间的狭缝越来越小，因此由甲到丁四张照片对应的两测量脚间的宽度越来越小．(2)照片丁中中央条纹的颜色为白色，因为各种色光在屏中央均为亮条纹，七色光叠加后，中央条纹即为白色．。