沪科物理选修3-4 第4章4.3《光的衍射》4.4《光的偏振与立体电影》

欢迎进入物理课堂 4 3光的衍射4 4光的偏振与立体电影 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 4 3 4 4 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 知道光的衍射现象及产生明显衍射的条件 2 了解几种不同衍射现象的图样 3 知道光的偏振现象及偏振是横波特有的性质 4 理解偏振光与自然光的区别 了解光的偏振的应用 重点难点 产生明显衍射的条件和对光的偏振现象的理解 课前自主学案 一 光的衍射1 研究光的衍射现象 1 光在传播过程中遇到障碍物时 绕过障碍物 传播的现象 叫做光的衍射现象 2 光发生明显衍射的条件 障碍物 小孔和狭缝的尺寸可以与光的波长 或者比光的波长 时 光才能产生明显的衍射现象 即光不再沿直线传播 通常情况下 光的波长很小 而一般障碍物的尺寸大于光的波长 观察不到明显的衍射现象 可以近似认为光是沿直线传播的 偏离直线 差不多 小 3 光的衍射现象的几个实例 圆孔衍射当圆孔比较大时 光沿着直线通过圆孔 在屏上产生圆斑 当圆孔调到很小时 尽管圆斑的亮度有所降低 但是在屏上出现 的圆环 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 且亮暗圆环宽度不同 如图4 3 1所示 亮 暗相间 图4 3 1 单缝衍射 光通过单缝照射到屏上时 屏上将出现 的衍射条纹 与双缝干涉的干涉条纹不同的是 干涉条纹均匀分布 而衍射条纹的中央明纹较宽 较亮 如图4 3 2甲所示 有明有暗 明暗相间 甲乙图4 3 2 泊松亮斑 光照射到不透光的小圆板上时 在圆板阴影中心处出现的 如图4 3 2乙所示 2 衍射光栅实验表明 如果增加狭缝的个数 衍射条纹的宽度将变窄 亮度将增加 光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的 它是由许多 的狭缝 地排列起来形成的光学仪器 3 身边的光衍射现象 1 蓝光经过刀片的边缘时发生衍射现象 见教材图4 23 衍射亮斑 等宽 等距 2 雨天的晚上透过眼镜片上的水滴看路灯 水滴的边缘有衍射条纹 3 眯缝着眼睛夜观星空 在视网膜上形成衍射斑 4 孔雀的羽毛在阳光下色彩斑斓 二 光的偏振与立体电影1 感知光的偏振现象及探究偏振片的原理 1 偏振光 自然光垂直透过某一偏振片后 其光振动方向只沿着振片的 这种现象就叫光的偏振 这个方向叫做透振方向 这样的光叫偏振光 特定方向 2 自然光 由太阳 电灯等普通光源发出的光 它包含着在垂直于传播方向沿一切方向振动的光 而且沿 振动的光波强度都相同 这样的光叫自然光 各个方向 图4 3 3 2 偏振现象在生产生活中的应用 1 立体电影 2 液晶显示屏 核心要点突破 一 衍射现象与干涉现象的比较 特别提醒 1 光的双缝干涉和单缝衍射都是光波叠加的结果 只是干涉条纹是有限的几束光的叠加 而衍射条纹是极多且复杂的相干光的叠加 在双缝干涉实验中 光在通过其中的三个狭缝时 都发生了衍射而形成了三个线光源 所以 一般现象中既有干涉又有衍射 2 单缝衍射时 照射光的波长越长 中央亮纹越宽 所以衍射和干涉都能使白光发生色散现象 且中央为白光 边缘均呈红色 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 用单色光做双缝干涉实验和单缝衍射实验 比较屏上的条纹 正确的是 A 双缝干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹B 单缝衍射条纹是中央宽 两边窄的明暗相间的条纹C 双缝干涉条纹是中央宽 两边窄的明暗相间的条纹D 单缝衍射条纹是等间距的明暗相间的条纹解析 选AB 由双缝干涉和单缝衍射条纹特征可知A B是正确的 二 对光的直线传播与光的衍射的理解1 对 光是沿直线传播 的理解光的直线传播是一种近似的规律 具体从以下两个方面去理解 1 多数情况下 光照到较大的障碍物或小孔上是按直线传播的规律 在它们的后面留下阴影或光斑 如果障碍物 缝或小孔都小到与照射光的波长差不多 或更小 光就表现出明显的衍射现象 在它们的后面形成泊松亮斑 明暗相间的条纹或圆环 2 光是一种波 衍射是它基本的传播方式 但在一般情况下 由于障碍物都比较大 比起光波波长来说 衍射现象很不明显 光的传播可近似地看作是沿直线传播 所以 光的直线传播只是近似规律 2 对明显衍射的理解障碍物或孔的尺寸跟光的波长接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 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 如图4 3 4所示 在挡板上开一个大小可以调节的小圆孔P 用点光源S照射小孔 小孔后面放一个光屏M 点光源和小孔的连线垂直于光屏 并与光屏交于其中心 当小孔的直径从1 0mm逐渐减小到0 1mm的过程中 在光屏上看到的现象将会是 图4 3 4 A 光屏上始终有一个圆形亮斑 并且其直径逐渐减小B 光屏上始终有明暗相间的同心圆环 并且其范围逐渐增大C 光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑 然后是形成范围逐渐增大而亮度逐渐减弱的明暗相间的同心圆环D 光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑 然后是形成范围逐渐减小而亮度逐渐增大的明暗相间的同心圆环 解析 选C 能观察到明显的衍射现象的障碍物或孔的尺寸应该小于0 5mm 本题小孔直径是从1 0mm逐渐减小到0 1mm的 所以在开始阶段没有明显的衍射现象 光基本上是沿直线传播的 因此在光屏上应该得到和小圆孔相似的圆形亮斑 当孔的直径减小到0 5mm以下时 将发生较为明显的衍射现象 所以光屏上出现明暗相间的圆环 随着小孔直径的减小 光的衍射现象越来越明显 衍射图样的范围越来越大 相邻亮纹和相邻暗纹间的距离也逐渐增大 同时由于通过小孔的光能越来越少 所以衍射图样的亮度将变得越来越暗 根据以上分析 本题应选C 三 光的偏振现象1 偏振片是一种特殊的光学器件 由特定的材料制成 它上面有一个特殊的方向 透振方向 只有振动方向与透振方向平行的光波才能通过偏振片 2 几个概念 1 自然光 沿各个方向均匀分布振动的光 2 偏振光 沿着特定方向振动的光 3 起偏器 自然光通过后变为偏振光的偏振片 4 检偏器 检测投射光是否为偏振光的偏振片 3 偏振原因 光是横波 是电磁波 场强E和磁感应强度B的振动方向均与波传播的方向垂直 所以光有偏振现象 自然光经过反射或折射后会变成偏振光 如自然光射到两介质分界面时同时发生反射和折射 反射角和折射角和为90 时 反射光线和折射光线是光振动方向互相垂直的偏振光 光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的 因此常将E的振动称为光振动 在与光传播方向垂直的平面内 光振动的方向可以沿任意的方向 光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光 光振动沿着特定方向的光就是偏振光 四 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 特别提醒 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 五 偏振光的应用1 摄影技术中的应用光的偏振现象有很多应用 如在拍摄日落时水面下的景物 池中的游鱼 玻璃橱窗里的陈列物的照片时 由于水面或玻璃表面的反射光的干扰 常使景象不清楚 如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片 让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直 就可使反射来的偏振光不能进入照相机内 从而可拍出清晰的照片 故人们把偏振滤光片叫做摄像机的 门卫 2 偏振光在汽车挡风玻璃上的应用偏振片 汽车司机的福音 在夜间行车时 迎面开来的车灯眩光常常使司机看不清路面 容易发生事故 如果在每辆车灯玻璃上和司机坐席前面的挡风玻璃上安装一块偏振片 并使它们的透振方向跟水平方向成45 角 就可以解决这一问题 从对面车灯射来的偏振光 由于振动方向跟司机座前挡风玻璃偏振片的透振方向垂直 所以不会射进司机眼里 而从自己的车灯射出去的偏振光 由于振动方向跟自己的挡风玻璃上的偏振片的透振方向相同 所以司机仍能看清自己的灯照亮的路面和物体 3 立体电影也是利用了光的偏振原理 图4 3 54 偏振太阳镜5 液晶显示屏 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 光的偏振现象说明光是横波 下列现象中不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滤光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 解析 选D 偏振光具有的性质是光子的振动具有方向性 当两个偏振片的偏振方向夹角增大时 透射光的强度减弱 一束自然光入射到两种介质的表面时 一定有反射光线 如果折射光线与反射光线垂直 反射光为偏振光 在日落时分 由于反射光太强 偏振光强 加偏振片可以将反射的偏振光过滤 使图像清晰 通过手指间缝隙观察日光灯 看到彩色条纹是光的衍射现象 而不是偏振现象 所以D错误 课堂互动讲练 在单缝衍射实验中 下列说法正确的是 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 精讲精析 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 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 增大单缝到屏的距离 衍射条纹间距也会变宽 故B错误 A C D正确 答案 ACD 方法总结 光遇小孔 单缝或障碍物时 衍射现象只有明显与不明显之分 无发生与不发生之别 变式训练1抽制细丝时可用激光监控其粗细 如图4 3 6所示 激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同 则 图4 3 6 这是利用光的干涉现象 这是利用光的衍射现象 如果屏上条纹变宽 表明抽制的丝变粗了 如果屏上条纹变宽 表明抽制的丝变细了A B C D 解析 选B 上述现象符合光的衍射产生的条件 故 正确 由衍射产生的条件可知 丝越细衍射现象越明显 故 也正确 关于单缝衍射和双缝干涉 以下说法正确的是 A 单缝衍射和双缝干涉的图样完全相同B 单缝衍射中央亮条纹的宽度和亮度都比双缝干涉大C 产生衍射条纹的本质是光波的相干叠加D 衍射条纹有单色和彩色两种 干涉条纹只能是单色的 自主解答 单缝衍射的图样是 中央条纹宽且亮 光强度主要集中在中央条纹 往两侧光强度很快减弱 双缝干涉图样中 中央亮条纹的宽度和两侧的亮条纹宽度相同 光强度相差不多 故选项A错误 选项B正确 将单缝看成是由许多点光源组成 这些点光源都是相干光源 它们发出的光相叠加就形成了衍射条纹 因此产生衍射条纹的本质是光波的叠加 选项C正确 用单色光照射单缝或双缝 就产生明暗相间的衍射条纹和干涉条纹 用白光照射时 它们都会出现彩色条纹 因此选项D是错误的 答案 BC 方法总结 干涉和衍射现象从本质上看是有联系的 但从产生条件和图样上看二者有显著的不同 在实际问题中要注意区分它们 变式训练2关于光的干涉 衍射及其应用 下列说法中正确的是 A 在光的干涉和衍射现象中 都出现明暗相间的单色条纹或彩色条纹 因此干涉现象和衍射现象是相同的B 水面上的油层在阳光的照射下出现彩色条纹是干涉现象 泊松亮斑是衍射现象C 增透膜增加透射光 减小反射光是利用了光的干涉D 激光防伪商标 看起来是彩色的 这是光的干涉现象 解析 选BCD 光的干涉和衍射虽然有很多共性 但属于不同的光现象 A项错误 油膜的彩色条纹是薄膜干涉产生的 泊松亮斑是很小的圆斑 是光衍射产生的 B项正确 增透膜的作用是增加透射光的强度 减小反射光的损失 厚度应等于光波在膜中波长的1 4 其原理利用了光的干涉 C项正确 激光防伪商标的彩色条纹是薄膜干涉引起的 D项正确 如图4 3 7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 图4 3 7 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 精讲精析 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 它通过A偏振片后 即变为偏振光 则B对 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点无光亮 将B转过180 后 P处仍无光亮 即C错 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 亦即D对 答案 BD 方法总结 自然光通过偏振片后 变为偏振光 前面的偏振片称为起偏器 后面的偏振片称为检偏器 转动后偏振片 屏上光的强度有变化 说明两偏振片之间的光为偏振光 变式训练3在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q 在Q的后边放上光屏 以下说法正确的是 A Q不动 旋转偏振片P 屏上光的亮度不变B Q不动 旋转偏振片P 屏上光的亮度时强时弱C P不动 旋转偏振片Q 屏上光的亮度不变D P不动 旋转偏振片Q 屏上光的亮度时强时弱 解析 选BD P是起偏器 它的作用是把太阳光 自然光 转化为偏振光 该偏振光的振动方向与P的透振方向一致 所以当Q与P的透振方向平行时 光通过Q的光强最大 当Q与P的透振方向垂直时 光通过Q的光强最小 即无论旋转Q或P 屏上的光强都是时强时弱的 所以选项B D正确 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全