山东省专用2018-2019学年高中物理第十三章光第56节光的衍射光的偏振讲义含解析新人教版选修3 .doc

第5、6节光的衍射 光的偏振1.衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央条纹最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低。2白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹，外侧呈红色，靠近白色亮纹的内侧为紫色。3偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。一、光的衍射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明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。2衍射图像：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，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。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。二、衍射光栅1衍射光栅的结构由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学仪器。2衍射图样的特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。3衍射光栅的种类反射光栅、透射光栅。三、光的偏振1横波与纵波的特点横波中各点的振动方向总与波的传播方向垂直。纵波中，各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上。横波有偏振现象。2自然光和偏振光(1)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上沿一切方向振动的光，沿着各个方向振动的光波的强度都相同。(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。3光的偏振偏振现象只有沿偏振片的“透射方向”振动的光波才能通过偏振片结论偏振现象表明，光是一种横波偏振光的形成自然光通过偏振片后，得到偏振光自然光在介质表面反射时，反射光和折射光都是偏振光偏振现象的应用把偏振片装在照相机镜头前电子表的液晶显示1自主思考判一判(1)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象。()(2)菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象。()(3)用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹。()(4)凡是波都有偏振现象。()(5)反射可以引起自然光的偏振。()(6)拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象。()2合作探究议一议(1)衍射和干涉条纹都是明暗相间的，两种条纹是否完全一样？提示：不一样。衍射条纹是中间最宽、最亮，从中央向两侧逐渐变窄、变暗；干涉条纹是等间距的条纹，即宽度和亮度相同。(2)自然光和偏振光有什么不同？提示：自然光沿各个方向振动的光波的强度都相同，而偏振光只在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动。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，中央条纹最宽，两边条纹宽度变窄。(2)缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮条纹的亮度降低。(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(1)圆孔衍射：如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图乙所示的圆形亮斑(光的直线传播)；减小圆孔，光屏上出现光源的像(小孔成像)；当圆孔很小时，光屏上出现图丙所示的亮、暗相间圆环(衍射图样)。(2)圆孔衍射的图样特征：单色光的圆孔衍射图样：中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环；越向外，圆(亮)环亮度越低。白光的圆孔衍射图样：中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。3圆板衍射(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。(2)形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。(3)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。典例如图所示是通过游标卡尺两测量脚间的狭缝观察白炽灯线光源时所拍下的四张照片。(1)试通过图样分析四张照片对应的两测量脚间的宽度大小关系。(2)试说明照片丁中中央条纹的颜色及成因。解析(1)从四张照片的单缝衍射图样可以看出，由图甲到图丁，衍射现象越来越明显，说明两测量脚间的狭缝越来越小，因此由图甲到图丁四张照片对应的两测量脚间的宽度越来越小。(2)图丁中中央条纹的颜色为白色，因为各种色光在屏中央均为亮条纹，七色光叠加后，中央条纹即为白色。答案见解析衍射图样的特征(1)对于衍射条纹的特征用十二个字概括：“中宽边窄”“中亮边暗”“中白边彩”。其中“中白边彩”只适合于白光光源。(2)各种衍射图样的形状不同，而图样的分布规律、影响因素都是类似的。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解析：选A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，本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展，故选项A正确，B、C、D错误。2多选平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有()A在衍射图样的中心都是亮斑B泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑D小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的解析：选AB小孔衍射的图样是中心亮点，向外依次为明暗相间的环状条纹；泊松亮斑的图样是中心亮点，向外是圆板的黑影，再向外是明暗相间的环状条纹，如图所示。3.如图，在“观察光的衍射现象”实验中，保持缝到光屏的距离不变，增加缝宽，屏上衍射条纹间距将_(选填：“增大”“减小”或“不变”)；该现象表明，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在_情况下，光才可以看作是沿直线传播的。解析：根据条纹间距由d、L和波长决定可知，增加缝宽，可以使条纹间距离减小；光遇到障碍物时，当障碍物的尺寸与波长接近时，会发生明显的衍射现象，当障碍物较大时，光近似沿直线传播。答案：减小光的波长比障碍物小得多单缝衍射与双缝干涉的比较1单缝衍射与双缝干涉的对比单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生明显衍射现象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，两边最暗条纹清晰，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2三点提醒(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。1在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，图中属于光的单缝衍射图样的是()Aa、cBb、cCa、d Db、d解析：选Da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。2如图所示的4幅明暗相间的条纹图样，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是()A红黄蓝紫 B红紫蓝黄C蓝紫红黄D蓝黄红紫解析：选B双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此1、3是干涉条纹，2、4是衍射条纹。干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此1是红光，3是蓝光。同一单缝衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此2是紫光，4是黄光。偏振光的理解及应用1自然光与偏振光的对比自然光偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光通过起偏器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与起偏器的透振方向一致)2偏振光的产生方式(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。3光的偏振的应用(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)偏振片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椅前面的挡风玻璃上安装一片偏振片，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坐椅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车灯照亮的路面和物体。典例如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧。旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是()AA、B均不变 BA、B均有变化CA不变，B有变化DA有变化，B不变解析因白炽灯发出的光为自然光，含各个方向的偏振光，且各个方向的偏振光的强度都相同，偏振片P和Q都只允许特定方向的偏振光通过，不管偏振片P旋转到任何位置都有光线通过，而且强度不变，所以A点的光的强度不变，当自然光通过偏振片P后变为偏振光，再通过偏振片Q，旋转偏振片P，当偏振片P和Q允许通过的方向相同，则B点最亮，当偏振片P和Q允许通过的方向垂直时，B点最暗，所以B点光的强度会发生变化。所以只有C正确。答案C(1)自然光通过偏振片后变成偏振光。(2)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，通过偏振片的光的强度不同。(3)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角为90时，将无光通过偏振片。 1多选如图，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中哪种照射P时能在P的另一侧观察到透射光()A太阳光 B沿竖直方向振动的光C沿水平方向振动的光 D沿与竖直方向成45角振动的光解析：选ABD光是横波，振动方向与传播方向垂直，振动方向垂直于偏振片的光不能通过偏振片，沿其他方向振动的光可以全部或部分通过偏振片，故答案为A、B、D。2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()A减弱反射光，从而使景物的像清晰B增强反射光，从而使景物的像清晰C增强透射光，从而使景物的像清晰D减弱透射光，从而使景物的像清晰解析：选A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。3.多选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，如图所示，则下列说法正确的是()AQ不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变BQ不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱CP不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变DP不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱解析：选BDP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。1多选下列有关光现象的说法中正确的是()A无影灯是利用光的衍射原理B刮胡刀刀片的影子边缘模糊不清是光的衍射现象C水的视深比实际深度浅是光的全反射现象D拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片可以减少反射光的强度E光导纤维内芯材料的折射率比外套材料的折射率大解析：选BDE无影灯是利用光的直线传播原理，选项A错误；刮胡刀刀片的影子边缘模糊不清是光的衍射现象，选项B正确；水的视深比实际深度浅是光的折射现象，选项C错误；拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片可以减少反射光的强度，选项D正确；光导纤维内芯材料的折射率比外套材料的折射率大，选项E正确。2对衍射现象的定性分析，不正确的是()A光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象B衍射条纹图样是光波相互叠加的结果C光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据D光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论解析：选D衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误。3一单色光源发出的光经一狭缝照射到光屏上，可观察到的图像是()解析：选A单缝衍射时，中央亮条纹最宽最亮，两边依次变窄，变暗这是单缝衍射条纹特征。4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自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光的振动方向与偏振片的透振方向平行时能够通过，垂直时不能通过，所以A、B、D正确。5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。6如图所示，甲、乙两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像，其中图甲是光的_(选填“干涉”或“衍射”)图像。由此可以判断出图甲所对应的圆孔的孔径_(选填“大于”或“小于”)图乙所对应的圆孔的孔径。解析：根据甲图中图样的特点可知甲图为单孔衍射的图样。乙图中只有一个圆形亮斑，周围没有衍射条纹说明乙图所对应的情景中没有发生明显衍射，说明孔的尺寸比波长大得多。答案：衍射小于7如图所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置，一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的振动方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化。设起偏器和检偏器透振方向相同，关于这种温度计的工作原理。正确的说法是()A到达检偏器的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大B到达检偏器的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大C到达检偏器的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小D到达检偏器的光的振动方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小解析：选B根据题意知，温度变化越大，光通过光纤时振动方向变化越大，起偏器和检偏器的透振方向是相同的，光从光纤中通过时振动方向变化越大，透过检偏器的光强度就会越小，所以光接收器接收的光强度也就会越小。因此选项B正确。8使太阳光垂直照射到一块遮光板，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列：_。A圆形光斑B明暗相间的彩色条纹C变暗消失D正方形光斑E正方形光斑由大变小解析：由于光的波长很短，因此当孔很大时，不会发生明显的衍射现象，此时光可看做是近似直线传播，在屏上得到孔的影；当孔继续减小时，虽不能使光发生明显的衍射现象，但可以在屏上得到太阳的像，即小孔成像；孔再继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹；孔进一步减小直到闭合时，由于穿过光的能量减小而使光线变暗直至消失。答案：DEABC9.如图，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，这是光的_(填“干涉”“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的_(填“波动说”“微粒说”或“光子说”)。解析：激光束照射圆盘，中心形成的亮斑，说明激光绕过了圆盘，所以现象应是衍射，证实了激光具有波动性。答案：衍射波动说