高中物理 第4章 光的波动性 4_3 光的衍射 4_4 光的偏振与立体电影教师用书 沪科版选修3-4

4.3光的衍射4.4光的偏振与立体电影学 习 目 标知 识 脉 络1.观察光的衍射现象，认识衍射条纹的特点.(重点)2.知道产生明显衍射现象的条件.(重点)3.观察光的偏振现象，知道光是横波.4.知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的应用.5.掌握干涉条纹和衍射条纹的区别.(难点)研 究 光 的 衍 射 现 象1.衍射现象和衍射条纹(1)衍射现象：光在传播过程中遇到障碍物时，绕过障碍物偏离直线传播的现象.(2)衍射条纹：衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低.2.光产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多.3.衍射光栅(1)结构：有许多等宽的狭缝等距离地排列的光学元件，狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越亮.(2)光栅衍射的特点：图样是许多平行的明暗相间的条纹，减小缝间距离，则条纹间距增大；增多缝数，明暗条纹变得更为清晰.1.衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.()2.所有光都能发生衍射现象.()3.红光比紫光更容易发生明显衍射现象.()单缝的宽度会对衍射现象产生怎样的影响？【提示】单缝宽度越小，衍射现象越明显，但衍射条纹的亮度越小.1.产生明显衍射的条件(1)发生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比光波波长小或相差不多.(2)衍射是波特有的现象，光在任何条件下都能发生衍射现象，但只有满足上述条件时才能发生明显的衍射现象.2.衍射图样的特点(1)单缝衍射图样中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小.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.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.用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮.(2)圆孔衍射图样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431所示.图431圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱.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.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.3.不透明的小圆板衍射图样(1)泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小.(2)与圆孔衍射图样比较均是明暗相间的圆形条纹，中心均有亮斑.圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小.圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小.圆孔衍射图样的外侧是黑暗的，而小圆板衍射图样的外侧是明亮的.4.单缝衍射与双缝干涉的比较名称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距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点成因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意义都是波特有的现象，表明光是一种波1.关于衍射，下列说法正确的是()A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B.双缝干涉中也存在衍射现象C.一切波都很容易发生明显的衍射现象D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实E.入射波的波长越大，越容易观察到明显的衍射现象【解析】衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射.一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件，故A、B、E正确，C、D错误.【答案】ABE2.如图432所示，甲、乙、丙、丁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()图432A.甲、乙是光的干涉图样B.丙、丁是光的干涉图样C.形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长D.形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长E.甲和丙都是光的衍射图样【解析】由图样可得甲和乙是等间距的，丙和丁是不等间距的且中间最宽，所以甲和乙是干涉条纹，丙和丁是衍射条纹，A正确，B、E错误；其中甲比乙的条纹间距大，故形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长，C项正确；丙比丁的条纹间距大，形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长，D项正确.【答案】ACD3.在观察光的衍射实验中，分别观察到如图433甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹.那么障碍物应是甲乙图433甲图对应的障碍物应是_，乙图对应的障碍物应是_.【解析】比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑.【答案】较大的中间有小圆孔的不透明圆板很小的不透明圆板区分圆孔衍射和不透光圆盘衍射的图样1.观察中心圆心和中心圆环：中心圆心处为小亮斑且中心圆环为较宽的暗环时为圆盘衍射；若中心为大且亮的圆形亮斑，中心圆环为细而窄的暗纹时为圆孔衍射.2.观察中心圆环外第一暗纹与周边暗纹：第一暗纹宽于周边暗纹的为圆盘衍射，第一暗纹细且暗的为圆孔衍射.光 的 偏 振1.偏振现象(1)偏振现象：当狭缝的方向与绳的振动方向相同时，绳上横波可以传过去；当狭缝的方向与绳的振动方向垂直时，绳上横波不能通过.(2)偏振片用特定材料制成，它有一个特殊的方向叫透光方向，只有光振动方向与透光方向平行的光波才能通过偏振片.(3)光的分类偏振光理论证明电磁波是横波，光是电磁波，光振动的方向与传播方向垂直，只有沿特定方向振动的光叫做偏振光.自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向沿一切方向上振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.2.偏振光的特点(1)只有横波(选填“横波”或“纵波”)才具有偏振现象.(2)当偏振光的振动方向跟偏振片的透振方向垂直(选填“相同”、“相反”或“垂直”)时，偏振光就不能通过了.3.偏振现象在生产生活中的应用(1)立体电影：立体眼镜是由一对透振方向互相垂直的偏振片组成的，观众通过这个特制的眼镜观看立体电影时，就像直接观察物体一样产生立体感.(2)液晶显示屏：在两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，液晶具有各向异性的属性，当在两个电极板加上电压时，液晶的性质就变了，从而显示出信息.1.凡是波都有偏振现象.()2.反射可以引起自然光的偏振.()3.拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象.()1.自然光和偏振光的主要区别是什么？【提示】在垂直于传播方向的平面内，自然光沿所有方向振动，偏振光沿某一特定方向振动.2.自然光经水面反射的光一定是偏振光吗？【提示】经水面反射和折射的光都是偏振光.1.横波、纵波的判断方法直接看质点的振动方向与传播方向的关系.若互相垂直为横波；若在同一直线上为纵波.这种方法适用于看得见质点振动方向的机械波.2.偏振片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，只有沿着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机械波的作用一样.3.自然光和偏振光的比较自然光偏振光成因从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光振动方向在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向经偏振片后现象比较如上图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化如上图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗.4.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，如图434所示，则下列说法正确的是()图434A.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E.偏振现象表明光是横波【解析】P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，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，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时，通过Q的光强最小.即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱.故正确答案为B、D、E.【答案】BDE5.电子表的显示屏利用了液晶的旋光性，当液晶上不加电压时，偏振光通过液晶时偏振方向会旋转90，这就是液晶的旋光性；如果在液晶上加上电压，则旋光性消失.有一种电子表的显示屏是透明的，而在显示数字的笔画处不透光，则上下两个偏振片的透振方向相互_；笔画处为_电极，因此加上电压时变为_的.【解析】假设光从下向上传播，光线通过下偏振片时成为偏振光，如果不加电压，偏振光通过液晶时偏振方向旋转90，此时光线能透过上偏振片，可知上偏振片的透振方向应与此时偏振光的偏振方向相同，即与下偏振片的透振方向垂直；组成数字的笔画处有时透明，有时不透明，可知笔画处为透明电极，当加上电压时液晶旋光性消失，光线不能透过.【答案】垂直透明不透明6.在拍摄日落时水面下的景物时，应在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是什么？【解析】由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光.【答案】减弱反射光，从而使景物的像清晰1.偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫做“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片.2.偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝.3.光的偏振现象说明光是一种横波.4.自然光透过偏振片可以变成偏振光.5.当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同.