（浙江專版）2018年高中物理 第十三章 光 第5、6節(jié) 光的衍射 光的偏振學案 新人教版選修3-4

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1、 第5、6節(jié) 光的衍射__光的偏振 光的衍射 [探新知·基礎練] 1．衍射現(xiàn)象 光通過很窄的縫或很小的孔時，光沒有沿直線傳播，而是繞過縫或孔的邊緣傳播到相當寬的地方的現(xiàn)象。 2．衍射條紋特點 衍射條紋是一些明暗相間的條紋，中央條紋最寬、最亮，離中央條紋越遠，亮條紋的寬度越小，亮度越低。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．一切光都會發(fā)生衍射。(√) 2．單縫衍射中，中央條紋亮而寬。(√) 3．陽光下茂密的樹蔭中地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的。(×) [釋疑難·對點練] 1．單縫衍射圖樣的特點 (1)中央條紋亮而寬。 (2)兩側亮條紋具有對稱

2、性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱。 (3)波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時，波長大的中央條紋寬，各條紋間距大。 (4)白光的單縫衍射條紋是中央為白色亮條紋，兩側為彩色條紋，且外側呈紅色，靠近白色亮條紋的內側為紫色。 2．圓孔衍射 (1)圓孔衍射： 如圖甲所示，當擋板AB上的圓孔較大時，光屏上出現(xiàn)圖乙所示的圓形亮斑(光的直線傳播)；減小圓孔，光屏上出現(xiàn)光源的像(小孔成像)；當圓孔很小時，光屏上出現(xiàn)圖丙所示的亮、暗相間的圓環(huán)(衍射圖樣)。 　　 (2)圓孔衍射的圖樣特征： ①單色光的圓孔衍射圖樣：中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環(huán)；越向外，圓

3、(亮)環(huán)亮度越低； ②白光的圓孔衍射圖樣：中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環(huán)。 3．圓板衍射 (1)各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，若在單色光(如激光)傳播途中放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑。 (2)形成泊松亮斑時，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。 (3)圓板衍射圖樣中的亮環(huán)或暗環(huán)間的距離隨著半徑的增大而減小。 [試身手] 1．(多選)下列說法正確的是(　　) A．當光的波長比圓孔的直徑大時，可以產生明顯的衍射現(xiàn)象 B．衍射現(xiàn)象的研究表明“光沿直線傳播”只是一種近似規(guī)律 C．用平

4、行的單色光垂直照射不透明的小圓板，在圓板的后面發(fā)現(xiàn)圓板陰影中心處有一亮斑，這是光的干涉現(xiàn)象 D．用平行的單色光垂直照射一個刀片，發(fā)現(xiàn)屏上刀片的陰影的邊緣模糊不清，這是光的衍射現(xiàn)象 解析：選ABD　當波長比障礙物的尺寸大或相差不多時，可以產生明顯衍射現(xiàn)象，A正確；光沿直線傳播是一種近似規(guī)律，B正確；泊松亮斑、刀片陰影邊緣模糊都是光的衍射現(xiàn)象，C錯誤，D正確。 光的偏振 [探新知·基礎練] 1．橫波與縱波的特點 橫波中各點的振動方向總與波的傳播方向垂直?？v波中，各點的振動方向總與波的傳播方向在同一直線上。橫波有偏振現(xiàn)象。 2．自然光和偏振光 (1)自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)

5、出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，沿著各個方向振動的光波的強度都相同。 (2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光。 3．光的偏振 偏振現(xiàn)象 只有沿偏振片的“透射方向”振動的光波才能通過偏振片 結論 偏振現(xiàn)象表明，光是一種橫波 偏振光的形成 (1)自然光通過偏振片后，得到偏振光 (2)自然光在介質表面反射時，反射光和折射光都是偏振光 偏振現(xiàn)象的應用 (1)把偏振片裝在照相機鏡頭前 (2)電子表的液晶顯示 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．太陽光是沿某個特定方向振動的偏振光。(×) 2．只要是波都能發(fā)生偏振現(xiàn)象

6、。(×) 3．自然觀通過偏振片是得到偏振光的唯一辦法。(×) [釋疑難·對點練] 1．自然光與偏振光的對比 自然光 偏振光 光的來源 直接從光源發(fā)出的光 自然光通過起偏器后的光 光的振動方向 在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光強度都相同 在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿某一特定方向(與起偏器的透振方向一致) 2．偏振光的產生方式 (1)自然光在玻璃、水面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光，入射角變化時偏振的程度也會變化。自然光射到兩種介質的交界面上，如果光入射的方向合適，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°時，反射光和

7、折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。 (2)自然光經(jīng)過偏振片(起偏器)后能形成偏振光。偏振光可以用另一個偏振片(檢偏器)檢驗。 3．光的偏振的應用 (1)攝影技術中的應用 光的偏振現(xiàn)象有很多應用，如在拍攝日落時水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里陳列物的照片時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，常使景象不清楚，如果在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可使反射來的偏振光不能進入照相機內，從而可拍出清晰的照片。 (2)偏振片在汽車擋風玻璃上的應用 偏振片——汽車司機的福音。在夜間行車時，迎面開來的車燈眩光常常使司機看不清路面，容易發(fā)生事故。如果在每

8、輛車燈玻璃上和司機坐椅前面的擋風玻璃上安裝一片偏振片，并使它們的透振方向跟水平方向成45°角，就可以解決這一問題。從對面車燈射來的偏振光，由于振動方向跟司機坐椅前擋風玻璃偏振片的透振方向垂直，所以不會射進司機眼里。而從自己的車燈射出去的偏振光，由于振動方向跟自己的擋風玻璃上的偏振片的透振方向相同，所以司機仍能看清自己的車燈照亮的路面和物體。 [試身手] 2．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．光振動沿各個方向均勻分布的光是自然光 B．光振動沿各個方向均勻分布的光是偏振光 C．光振動沿特定方向的光才是偏振光 D．光振動沿特定方向的光才是自然光 解析：選AC　根據(jù)自然光、偏振光的

9、概念易判斷出選項A、C正確。 光的衍射現(xiàn)象 [典例1]　某研究性學習小組用激光束照射圓孔和不透明圓板后，分別得到如圖所示的衍射圖樣。據(jù)此可以判斷出(　　) A．甲是光線射到圓孔后的衍射圖樣，乙是光線射到圓板后的衍射圖樣 B．乙是光線射到圓孔后的衍射圖樣，甲是光線射到圓板后的衍射圖樣 C．甲、乙都是光線射到圓孔后的衍射圖樣，甲孔的直徑較大 D．甲、乙都是光線射到圓板后的衍射圖樣，乙板的直徑較大 [解析]選A　甲圖的衍射圖樣為明暗相間的圓環(huán)，而乙圖為在影的中心有一個亮斑——泊松亮斑，故甲為光線通過圓孔后形成的衍射圖樣，乙為光線射到不透光的圓板上形成的衍射圖樣，故A正確

10、。 (1)衍射條紋的特征可用十二個字概括：“中寬邊窄”“中亮邊暗”“中白邊彩”。其中“中白邊彩”只適用于白光光源。 (2)各種衍射圖樣的形狀不同，而圖樣的分布規(guī)律、影響因素都是類似的。 單縫衍射與雙縫干涉 [典例2]　如圖所示的4幅明暗相間的條紋圖樣，分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)。則下面的四幅圖從左到右排列，亮條紋的顏色依次是(　　) A．紅黃藍紫　　　　　　　　 B．紅紫藍黃 C．藍紫紅黃 D．藍黃紅紫 [解析]選B　雙縫干涉條紋是等間距的條紋，單縫衍射條紋是中間最寬、

11、兩邊越來越窄的條紋，因此第1、3幅圖是干涉條紋，第2、4幅圖是衍射條紋。干涉條紋中，光的波長越長，條紋越寬，因此第1幅圖是紅光，第3幅圖是藍光。同一單縫衍射條紋，波長越長，條紋越寬，因此第2幅圖是紫光，第4幅圖是黃光。故B正確。 區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法 (1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋是等寬的，條紋間的距離也是相等的，而單縫衍射的條紋，中央亮條紋最寬，兩側的亮條紋逐漸變窄。 (2)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮條紋往兩側亮度變化很小，而單縫衍射條紋中央亮條紋最亮，兩側的亮條紋逐漸變暗。 光的偏振現(xiàn)象 [典例3]　(多選)在垂直于太陽光的傳播

12、方向上前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后面放上光屏，以下說法正確的是(　　) A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變 B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱 C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變 D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱 [思路點撥]　P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉變成偏振光，該偏振光的方向與P的透振方向一致。 [解析]選BD　當Q和P的透振方向平行時，通過Q的光強最大，當Q和P的透振方向垂直時，通過Q的光強最小，即無論是旋轉P還是旋轉Q，屏上得到的光都是時強時弱的。B、D正確。 [課堂對點鞏固] 1．關于光現(xiàn)象的敘述，以

13、下說法正確的是(　　) A．水中的氣泡看起來特別明亮，是光發(fā)生了全反射的緣故 B．雨后天空中出現(xiàn)的彩虹屬于光的衍射 C．通過捏緊的兩只鉛筆間的狹縫觀看工作著的日光燈管，看到的彩色條紋，屬于光的色散 D．陽光照射下，樹影中呈現(xiàn)的一個個小圓形光斑，屬于光的衍射現(xiàn)象 解析：選A　光從水射向氣泡時，一部分光在界面上發(fā)生了全反射，因而進入觀察者眼睛中的光線強，氣泡看起來特別明亮，A正確；雨后天空中出現(xiàn)的彩虹，是天空中小水滴對陽光色散形成的；通過筆間狹縫觀看日光燈管出現(xiàn)彩色，屬于單縫衍射；陽光下樹影中呈現(xiàn)的小圓斑，屬于樹葉間形成的小孔成像，故B、C、D均錯誤。 2．(多選)沙塵暴是由于土地的沙

14、化引起的一種惡劣的氣象現(xiàn)象，發(fā)生沙塵暴時能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于在這種情況下(　　) A．只有波長較短的一部分光才能到達地面 B．只有波長較長的一部分光才能到達地面 C．只有頻率較大的一部分光才能到達地面 D．只有頻率較小的一部分光才能到達地面 解析：選BD　根據(jù)光能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件知，發(fā)生沙塵暴時，只有波長較長的一部分光線能繞過沙塵顆粒發(fā)生衍射到達地面，據(jù)λ＝知，到達地面的光是頻率較小的部分。故B、D正確。 3．(多選)在單縫衍射實驗中，下列說法中正確的是(　　) A．換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變窄 B．換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變寬

15、C．使單縫寬度變小，衍射條紋的亮度降低、間距變窄 D．增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬 解析：選BD　當單縫寬度一定時，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠，條紋間距也越大，換用波長較長的光照射，條紋間距變寬，故A錯誤，B正確；當光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大，故C錯誤；當光的波長一定，單縫寬度也一定時，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬，故D正確。 4．(多選)如圖所示，電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B，人眼在P處迎著入射光方向，看不到光亮，則(　　) A．圖中a光為偏振光 B．圖中b光為偏振光 C．以SP為軸將B轉過1

16、80°后，在P處將看到光亮 D．在SP為軸將B轉過90°后，在P處將看到光亮 解析：選BD　從電燈直接發(fā)出的光為自然光，A錯；它通過偏振片A后，即變?yōu)槠窆?，B對；設通過A的光沿豎直方向振動，則偏振片B只能通過沿豎直方向振動的偏振光，若P點無光亮，將B轉過180°后，P處仍無光亮，C錯；若將B轉過90°，則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^豎直方向上振動的光的偏振片，則偏振光能通過B，即在P處將看到光亮，D對。 [課堂小結] [課時跟蹤檢測十五] 一、單項選擇題 1．在用單色平行光照射單縫觀察衍射現(xiàn)象的實驗中，下列哪些說法是正確的(　　) ①縫越窄，衍射現(xiàn)象越顯著 ②縫越寬，衍射現(xiàn)象

17、越顯著 ③照射光的波長越長，衍射現(xiàn)象越顯著 ④照射光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越顯著 A．①③　　　　　　　　 B．②④ C．②③ D．①④ 解析：選A　根據(jù)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件可知①③正確，②錯誤。當光的頻率越高時，由c＝λf知，其波長越短，衍射現(xiàn)象越不顯著，④錯誤。故選A。 2．關于自然光和偏振光，下列觀點正確的是(　　) A．自然光能產生干涉和衍射現(xiàn)象，而偏振光卻不能 B．只有自然光透過偏振片才能獲得偏振光 C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光 D．自然光和偏振光都能使感光底片感光 解析：選D　振動沿各個方向均勻分布的光是自然光，而振動沿著特定方向的光是偏振

18、光，自然光和偏振光都能發(fā)生干涉、衍射，選項A錯誤；光的偏振現(xiàn)象并不罕見，除了從光源直接發(fā)出的光以外，通?？吹降慕^大部分光，都是偏振光，選項B錯誤；光的顏色由光的頻率決定，與光的振動方向無關，選項C錯誤；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，選項D正確。 3．將兩個偏振片緊靠在一起，放在一盞燈的前面，眼睛通過偏振片看到的光很弱。如果將其中一個偏振片旋轉180°，在旋轉過程中會觀察到(　　) A．燈光逐漸增強，然后逐漸減弱 B．燈光強度保持不變 C．燈光逐漸增強，沒有減弱現(xiàn)象 D．燈光逐漸增強，再減弱，然后增強到最亮 解析：選A　眼睛通過兩偏振片看到的光很弱，是因為兩偏振片的透

19、振方向垂直，在旋轉其中一個偏振片的過程中，透振方向逐漸一致，燈光逐漸增強，當兩個偏振片的透振方向一致時，燈光最強，繼續(xù)旋轉偏振片時，透振方向又逐漸偏離，燈光逐漸減弱。所以選項A正確。 4．觀察單縫衍射現(xiàn)象時，把縫寬由0.2 mm逐漸增大到0.8 mm，看到的現(xiàn)象是(　　) A．衍射條紋的間距逐漸變小，衍射現(xiàn)象逐漸不明顯 B．衍射條紋的間距逐漸變大，衍射現(xiàn)象越來越明顯 C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增強 D．以上現(xiàn)象都不會發(fā)生 解析：選A　由單縫衍射實驗的調整與觀察可知，狹縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大。將縫調寬，現(xiàn)象向相反方向變化，故選項A正確。 5．

20、在觀察光的衍射現(xiàn)象的實驗中，通過緊靠眼睛的游標卡尺卡腳形成的狹縫，觀察遠處的線狀白熾燈絲(燈管或燈絲都要平行于狹縫)，可以看到(　　) A．黑白相間的直條紋 B．黑白相間的弧形條紋 C．彩色的直條紋 D．彩色弧形條紋 解析：選C　白熾燈發(fā)出的是復色光，其中各種色光的波長不同，產生的衍射條紋間距不同，各單色光相互疊加，形成彩色直條紋。故C正確。 6．在拍攝日落時分水面下的景物時，應在照相機鏡頭前裝一個偏振片，其目的是(　　) A．減少陽光在水面上的反射光 B．阻止陽光在水面上的反射光進入照相機鏡頭 C．增強光由水面射入空氣中的折射光進入鏡頭的強度 D．減弱光由水面射入空氣中的

21、折射光進入鏡頭的強度 解析：選B　日落時分的陽光照射到水面上時，反射光很強，照相機鏡頭對著水面時，進入鏡頭的光線既有陽光經(jīng)水面的反射光，又有由水中折射入空氣的折射光。折射光線進入鏡頭所攝得照片才是水下景物的像，在鏡頭上安裝一偏振片，轉動偏振片方向使其透振方向與反射光的偏振方向垂直，即可最大限度地阻止反射光進入鏡頭，增強圖象的清晰度。B正確。 7．抽制細絲時可用激光監(jiān)控其粗細，如圖所示，激光束越過細絲時產生的條紋和它通過遮光板上的一條同樣寬度的窄縫規(guī)律相同，則下列說法正確的是(　　) ①這是利用光的干涉現(xiàn)象； ②這是利用光的衍射現(xiàn)象； ③如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗了； ④如果

22、屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細了。 A．①③ B．②④ C．①④ D．②③ 解析：選B　上述現(xiàn)象符合光的衍射現(xiàn)象產生的條件，故②正確；由衍射現(xiàn)象產生的條件可知：絲越細衍射現(xiàn)象越明顯，故④也正確，則選項B正確。 8．夜晚，汽車前燈發(fā)出的強光將迎面駛來的汽車司機照得睜不開眼，嚴重影響行車安全。若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?；同時汽車前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好與燈光的振動方向垂直，但還要能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體。假設所有的汽車前窗玻璃和前燈玻璃均按同一要求設置，如下措施中可行的是(　　) A．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振

23、方向是水平的 B．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是豎直的 C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45° D．前窗玻璃和車燈玻璃的透振方向都是斜向右上45° 解析：選D　若前窗玻璃的透振方向豎直、車燈玻璃的透振方向水平，從車燈發(fā)出的照射到物體上反射的光將不能透過前窗玻璃，司機面前將是一片漆黑，所以選項A錯誤；若前窗玻璃與車燈玻璃的透振方向均豎直，則對面車燈的光仍能照得司機睜不開眼，選項B錯誤；若前窗玻璃透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45°，則車燈發(fā)出的光經(jīng)物體反射后無法透振進本車車窗內，卻可以透振進對面車的車窗內，選項

24、C錯誤。正確的措施是D。 二、多項選擇題 9．關于衍射，下列說法正確的是(　　) A．衍射現(xiàn)象中條紋的出現(xiàn)是光疊加后產生的結果 B．雙縫干涉中也存在衍射現(xiàn)象 C．一切波都很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 D．影的存在是一個與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實 解析：選AB　衍射圖樣是復雜的光波的疊加現(xiàn)象，雙縫干涉中光通過兩個狹縫時均會發(fā)生衍射現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生衍射，但要發(fā)生明顯的衍射，需要滿足障礙物的尺寸小于或相當于波長的條件，故衍射現(xiàn)象與影的存在不矛盾，A、B正確。 10．對于光的衍射現(xiàn)象的定性分析，下列說法正確的是(　　) A．只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長相比甚至比波長還要小的時候

25、，才能產生明顯的衍射現(xiàn)象 B．光的衍射現(xiàn)象是光波相互疊加的結果 C．光的衍射現(xiàn)象否定了光沿直線傳播的結論 D．光的衍射現(xiàn)象說明了光具有波動性 解析：選ABD　光的衍射現(xiàn)象無疑說明了光具有波動性，是光波相互疊加產生的，只有障礙物或孔的尺寸接近或小于光波波長時，衍射現(xiàn)象才明顯，光的直線傳播規(guī)律只是近似的，只有在光的波長比障礙物小很多的情 況下，光才可以看成是直線前進的，所以兩者是不矛盾的，它們是在不同條件下出現(xiàn)的兩種現(xiàn)象，故上述選項中正確的是A、B、D。 11．如圖所示，一玻璃柱體的橫截面為半圓形，讓太陽光或白熾燈光通過小孔S形成細光束從空氣射向柱體的O點(半圓的圓心)，產生反射光束1

26、和透射光束2，現(xiàn)保持入射光方向不變，將半圓玻璃柱繞通過O點垂直于紙面的軸線轉動，使反射光束1和透射光束2恰好垂直。在入射光線的方向上加偏振片P，偏振片所在平面與入射光束垂直，其透振方向與紙面平行，這時看到的現(xiàn)象是(　　) A．反射光束1消失 B．透射光束2消失 C．反射光束1和透射光束2都消失 D．偏振片P以入射光束為軸旋轉90°角，透射光束2消失 解析：選AD　自然光射到柱體的O點，當反射光束與折射光束垂直時，反射光束和折射光束的偏振方向相互垂直，且反射光束的偏振方向與紙面垂直，折射光的透振方向與紙面平行，因此當在入射光線方向垂直放上透振方向與紙面平行的偏振片P時，因垂直于紙面方向無光透過；反射光束1消失，選項A正確，選項B、C錯誤；偏振片轉動90°，因平行于紙面內的光消失，則透射光束2消失，選項D正確。 10