高中物理 第十三章 8 激光教材梳理教案 新人教版选修3-41

激光疱丁巧解牛知识巧学一、激光的概述 激光器的发明是20世纪中的重大科技成就.激光的高亮度、单色性、相干性，使它自1958年问世以来，在短短几十年中就得到了迅速的发展.现在，激光技术已在工农业生产、医疗卫生、通信、军事、文化艺术、能源等许多方面获得了重要应用.要点提示 激光是一种特殊的光，自然界中的发光体不能发出激光.二、激光的几个特点1.激光是人工产生的相干光 激光的频率单一，相干性非常好，颜色特别纯.用激光做衍射、干涉实验，效果特别好，激光可以像无线电波那样进行调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.2.激光束的平行度和方向性非常好 利用激光的这一特点，可以根据发射与返回的时间间隔，测量超远距离. 还可以利用激光平行度好的特点刻制光盘，这种光盘所记录的信息密度高.3.激光的强度大，亮度高 激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，可使被照射物体在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温. 激光在医疗上可以充当手术刀切除肿瘤，“焊接”剥落的视网膜；还可以充当武器给对方致命一击.联想发散 激光的用途很广，各国科学家正致力于这方面的研究，相信不远的将来，激光会有更大的用武之地.三、全息照相1.基本概念 全息照相：能同时记录光波的振幅与位相的照相. 全息记录：能使物体各点发出的光波的振幅与位相同时记录下来. 全息再现：能使物体各点发出的光波的振幅与位相同时再出现.2.全息照相的原理 全息照相与普通照相不同，从它的照片可以看到三维的图象，而普通的照片看到的图象是平面二维的.用于普通照相的感光胶片只能记录物体上各个点发出的光的强度（振幅），而全息照相能够把物体各点发出的光波的振幅与位相同时记录下来，并使之再现，则当这些光波被人眼接收时，眼中的图象将和直接观看物体一样是三维的.深化升华 全息照相是利用了激光的相干性、激光的平行度好以及激光的大强度的特点.典题热题知识点一 激光例1关于激光，下列说法正确的是（ ）A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光B.自然界中某些天然物体也可以发出激光C.激光可以像刀子一样切除肿瘤D.由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象解析：激光是用人工方法激发的一种特殊的光，A项正确，B项错误.激光具有方向性好、亮度高、能量强等特点，可以像刀子一样切除肿瘤，C项正确，激光是一种电磁波，只要是电磁波就能发生衍射现象，D项错误.答案：AC方法归纳 了解激光的特性和应用.激光的特点是频率单一、相干性好，用来像无线电波那样进行调制传递信息；平行度高、方向性好，用来测量超远距离、刻制光盘；亮度高、强度大，用来充当手术刀切除肿瘤.知识点二 激光的应用例2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什么特性？（ ）A.亮度高 B.平行性好 C.单色性好 D.波动性好解析：频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光.故本题的正确选项是C项.答案：C巧解提示 由波发生干涉的条件是频率相同相差恒定的波，以及激光的单色性好，频率单一的特点，很快得出正确选择.例3如图13-8-1所示，激光液面控制仪的原理是：固定一束激光AO以入射角i照射液面，反射光OB射到水平光屏上，屏上用光电管将光讯号变成电讯号，电讯号输入控制系统用以控制液面高度.如果发现光点在屏上向右移动了s的距离射到B点，由此可知液面降低了_.图13-8-1解析：如图13-8-1所示，入射光方向不变，则i不变，而OB平行于OB.设液面降了h，据几何关系可得：h=coti.答案：coti方法归纳 作出几何光路图，由光的反射规律和激光的特性可求出结果，从而理解激光液面控制仪的原理.知识点三 光导纤维例4由于激光是亮度高、平行度好、单色好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体.要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？解析：要保证不会有光线从侧面跑出来，其含义是不管入射角多大都能在侧壁发生全反射，令入射角等于90，再由折射定律和全反射临界角公式、几何关系就可以求出材料的折射率.答案：设激光束在光导纤维端面的入射角为i，折射角为.折射光线射向侧面时的入射角为，如图13-8-2所示.图13-8-2 由折射定律：n= 由几何关系：+=90sin=cos 由全反射临界角的公式：sin=cos= 要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有i=90，sini=1.故n= 解得n= 光导纤维的折射率应为n.误区警示 本题一般在解答中存在的问题有：一是不会对光线变化过程进行分析，当入射角i从零逐渐增大的过程中，折射角也增大，折射光线入射到壁的入射角是减小的.如果当i增大到90时，仍有大于等于临界角，题目要求就能满足，其临界条件是i=90，=arcsin.找不出这个条件，就无法入手解答.二是仅从全反射的条件出发，由sin=，直接得出n=，不知道此时是未知量.问题探究交流讨论探究问题 激光到底是一种什么样的光，它为什么有这么大的用途呢? 探究过程： 刘涛：激光是从物质的原子中发射出来的，是受激材料的所有受激原子或分子从高能级跃迁到低能级，发射同一频率和同相位的大量光子，以光子的形式把能量发射出去.而普通的光源，如白炽灯，灯丝中的每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发出的频率也不一样，这样的光在叠加时，一会儿在空间的某点相互加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉，而激光是一种人工产生的相干光. 王小华：高度的平行性：激光是几乎不发散地前进，因此它可以发射很远而不发散，所以它能够保持它的能量. 高度的单色性：由于激光通常是在极窄的频率范围之内，所以颜色几乎是完全单一的，它的单色性是比较好的单色光的104107倍. 很高的亮度：因为激光的能量高和方向集中，所以亮度很强，目前大功率激光器的单色亮度是太阳光的单色亮度的10161019倍. 李东：高度的相干性：激光的频率或单色性相同，相位也相同，所以极易产生干涉现象.高的光子简并度：大功率激光器发出的激光，比可见光的简并度大10171019倍（简并度是同一量子态内性质相同的光子数）.探究结论:由于激光具有以上特性，所以激光常用于工业的切割和打孔，医疗上的手术刀，军事上的激光枪和激光炮，通讯上的光纤通信，农业上的激光育种等等.实验论证探究问题 自第一台红宝石激光器以来，各种各样的激光器相继问世，它们可以产生不同功率、不同波长的激光，激光有哪些特性呢？探究过程:实验原理：利用激光和普通光源进行对比探究激光的特性.实验器材：激光笔一支 手电筒一个实验过程：1.同时让激光束和手电筒光束射到空气中，观察在传播方向、颜色、亮度等方面有什么不同. 手电筒光束分散，而激光束高度平行；光传播很远一段距离后，手电筒光束发散得很开，而激光的发散很小.2.同时让激光束和手电筒光束经过三棱镜折射后的传播情况，观察在传播方向、颜色、亮度等方面有什么不同. 手电筒光会发生色散，而激光不会产生色散；手电筒光经过三棱镜后很暗，而激光仍然很亮.探究结论:激光的颜色是单一的，传播方向性好，具有高度的平行性，亮度高，能量大.