第五章 第3、4节 光的衍射与偏振 激光

第3、4节光的衍射与偏振__激光1.障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多时，光将发生明显的衍射现象。

2．单色光的单缝衍射图像是中央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。

白光通过单缝产生的衍射图像中央是一条白条纹，两边是很快减弱的彩色条纹。

3．自然光透过偏振片后形成线偏振光，偏振光通过偏振片的情况与光的偏振方向和偏振片的偏振方向的夹角有关。

4．激光是人工产生的相干光，是原子受激辐射产生的光，具有频率单一、强度大、相干性好等特点。

(1)定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现亮条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑。

(2)衍射图样：衍射时产生的明暗条纹或光环。

(3)单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为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。

白光通过狭缝时，中央为白条纹。

两边是很快减弱的彩色条纹。

(4)圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。

(5)泊松亮斑：障碍物的衍射现象。

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。

[跟随名师·解疑难]1．三种衍射图样的特点比较(1)单缝衍射图样：①中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小。

②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低。

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，入射光波长越大，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，中央亮条纹仍然是最宽最亮的白条纹。

(2)圆孔衍射图样：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。

如图所示。

②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。

③用不同色光照射圆孔时，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，周围是彩色同心圆环。

⑤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的现象——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)。

(3)不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)：①中央是亮斑。

②周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。

2．单缝衍射和双缝干涉的比较在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，如图所示四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是( )A ．a 、cB ．b 、cC．a、d D．b、d解析：选D a图中是等间距的光的干涉图样，b图是单色光的单缝衍射图样，c图是水波的衍射图样，d图是白光的单缝衍射图样，可见D正确。

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，只有沿这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做透振方向。

偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。

2．光的分类(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光。

(2)线偏振光自然光通过偏振片后，只有振动方向与偏振片的透光方向平行的成分才能通过，得到的就是线偏振光。

3．结论光的偏振现象证实光是横波。

[跟随名师·解疑难]1．自然光与偏振光的对比(1)自然光在玻璃、水面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，入射角变化时偏振的程度也会变化。

自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且是完全偏振光，偏振方向相互垂直。

(2)自然光经过偏振片(起偏器)后能形成偏振光。

偏振光可以用另一个偏振片(检偏器)检验。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)[多选]关于自然光和偏振光，以下说法正确的是()A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同B．偏振光是垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光解析：选BD由定义可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同，故A错误。

自然光透过一个偏振片成为偏振光，但偏振光经过偏振片是不可以转化为自然光的，故C 错误。

1．激光原子受激辐射产生的光，它是人工产生的相干光。

2．激光的特点(1)强度大：激光的强度可达1017W/cm2。

(2)方向性好：激光光束的发散角为10－3rad数量级。

(3)单色性好：激光的谱线宽度可窄达Δλ<10－8nm。

(4)相干性好：一束激光中所有光的频率相同，振动完全相同。

(5)覆盖波段宽而且可调谐。

3．激光的应用激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘等。

[跟随名师·解疑难]1．光的产生：原子获得能量后处于不稳定状态，会以光子的形式向外发射能量，这个能量就是光。

2．自然光：一般光源自发地发出光，所发出的光频率不一、相差不稳定、方向不同。

这种光是自然光，即普通光。

3．激光：原子受到外来光子的激发，会发射出与这个外来光子“四同”(同频率、同相差、同偏振、同传播方向)的光，这种光就是激光。

4．激光的特点及其应用：[多选]关于激光与自然光，下列说法正确的是( )A ．激光是只含一种频率的光，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好B ．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的C ．激光和自然光都是横波D ．相干性好是激光与自然光的根本区别解析：选CD 激光的频率也有一定的范围，不能错误地理解激光单色性好的含义，所有的光都是由物质的原子发射的，故A 、B 错误。

不论是什么光都是横波，C 正确。

由激光的特点可知，激光具有相干性，而自然光没有这个特点，则D 正确。

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[思路点拨] 清楚发生明显衍射的条件；衍射图样在单缝宽度变化时的变化规律。

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，将缝调宽，现象向相反方向变化，故选项A 正确。

答案：A[探规寻律]狭缝宽度越小，光衍射现象越明显，衍射条纹越宽，但因通过狭缝的光的能量减小，衍射条纹亮度减弱，因此，观察衍射现象时，并不是狭缝越窄越好。

[跟踪演练]当游客站在峨眉山山顶背向太阳而立，而前下方又弥漫云雾时，有时会在前下方的天幕上看到一个外红内紫的彩色光环，这就是神奇的“佛光现象”。

佛光是一种奇特的自然现象，当阳光照射较厚的云层时，日光射透云层后，会受到云层深处水滴或冰晶的反射，这种反射在穿过云雾表面时，在微小的水滴边缘产生衍射现象。

那么，下述现象中与“佛光”现象成因相同的是()A．雨后的彩虹B．孔雀羽毛在阳光下色彩斑斓C．路面上的油膜阳光下呈现彩色D．阳光照射下，树影中呈现一个个小圆形光斑解析：选B“佛光”现象属于衍射现象，孔雀羽毛色彩斑斓也属于衍射现象，B项正确。

A项属于光的折射，C项属于光的干涉，D项属于小孔成像，故A、C、D均不正确。

2．[多选]奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。

其原理是：偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振光的偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关，将θ的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了。

如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，绕中心轴转动偏振片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()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处光的强度最大，则偏振片B转过的角度等于θD．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，则偏振片A转过的角度等于θ[思路点拨]光线经过被测样品后，偏振方向旋转了θ角度，要使光能穿过两偏振片，则A、B相差的角度也需是θ角。

解析：根据题意可知，开始A、B两偏振片的透光方向相同，当被测样品置于A、B之间时，光线旋转一个角度θ，因此到达O处光的强度会明显减弱；为了使得O处的光线强度最大，则必须将其中一个偏振片旋转角度θ，使光线穿过偏振片时，光的偏振方向与偏振片的透光方向一致，故A 、C 、D 正确。

答案：ACD[探规寻律](1)自然光通过偏振片后，光的强度相同偏振方向可以不同。

(2)偏振光通过偏振片时，透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。

[跟踪演练][多选]如图所示 ，一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)( )解析：选ABD 自然光通过起偏器后变为偏振光，能照亮光屏，A 、B 正确；偏振光经过偏振片时，若偏振方向相互垂直，则无光通过，光屏上无亮光，C 错误，D 正确。

3．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲。

若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11 s ，波长为694.3 nm ，发射功率为1.0×1010 W ，问：(1)每个光脉冲的长度是多少？(2)用红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60 J 以后，便逐渐消失。

一色斑的面积为50 mm 2，则它要吸收多少个红宝石激光脉冲，才能逐渐消失？[思路点拨](1)光脉冲的速度大小等于c 。

(2)明确每个光脉冲的能量与脉冲个数的关系。

解析：(1)光脉冲持续的时间为一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲的长度为Δl ＝c Δt ＝3.0×108×1.0×10－11 m ＝3.0×10－3 m(2)一个光脉冲所携带的能量为ΔE ＝P Δt ＝1.0×1010×1.0×10－11 J ＝0.1 J消除面积为50 mm 2的色斑需要光脉冲数为n ＝Es 1s ·ΔE ＝60×50102×0.1个＝300个 答案：(1)3.0×10－3 m (2)300个[跟踪演练]一台激光器，它的功率为P ，如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ，则这束单色光的频率是________，它在时间t 内辐射的光能为________。