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第2讲 光的衍射 光的偏振 激光与全息照相[目标定位]
1.观察光的衍射现象，认识衍射条纹的特点．区分双缝干涉与单缝衍射的图样.
2.知道产生明显衍射现象的条件.
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，知道偏振现象的一些应用.
5.了解激光的特性和应用，知道全息照相的原理及特点．
一、光的衍射1．衍射现象1定义光的传播绕到原来应该是阴影的范围之内的现象．2发生明显衍射现象的条件只有当障碍物或孔的尺寸接近光的波长甚至比光的波长更小时，衍射才是明显的．3衍射现象是波动性最基本的表现之一．想一想 衍射现象明显就是衍射条纹更亮吗？答案 衍射现象明显是指光绕到阴影区域的范围更大，随着缝、孔的减小，衍射条纹的宽度增大，但条纹亮度减弱．2．衍射对分辨本领的影响光学仪器上用的透镜的直经越小，产生的衍射现象越明显，分辨本领就越低．3．衍射光栅1定义在两个螺杆上绷上许多平行的细金属线，或者在玻璃片上刻上许多均匀细槽的光学器件．2种类透射光栅和反射光栅．3透射光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果．多缝干涉的结果使光栅衍射的亮条纹的宽度比单缝衍射时窄得多，明条纹又细又亮．
二、光的偏振1．偏振现象1波的偏振如果横波只沿着某一个特定的方向振动，在物理学上就叫做波的偏振．2只有横波才存在偏振．3偏振光通过偏振镜的光．2．偏振片1自然光在垂直于传播方向的平面内，可沿任何方向振动，振动在平面内的分布大致均匀的光．2→自然光通过偏振片后，只有振动方向和“狭缝”方向一致的那些光波才能完全通过，而振动方向和“狭缝”垂直的光波就完全不能通过．偏振光能完全通过的方向称为偏振器的偏振化方向．3起偏器和检偏器
①起偏器用于获得偏振光的偏振片．
②检偏器为了检查通过起偏器的光是不是偏振光，在起偏器后面再放的那一个偏振片．
③起偏器和检偏器都是偏振片．3．偏振现象的应用立体电影、照相机镜头前的偏振镜、检查应力的分布情况、地震预报．
三、激光与全息照相1．激光及其特性激光是原子受激辐射产生的光，激光光束中所有光子都是相互关联的，它们的频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致，所以激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点．2．激光的应用1在家中，CD、VCD、有线电视；2在联网的计算机上，收集图文信息、收发电子邮件、网上购物；3在医院里，治疗疾病、整容美容；4在军事领域，激光制导炸弹、测量距离、跟踪目标、传递军事情报．3．激光与全息照相1全息照相的原理全息照相是应用光的干涉实现的．2全息照相与普通照相相比具有的突出特点
①观察再现的图象时，看到的三维立体图象和原来的物体几乎一模一样．
②发现一个物体部分被遮挡了，改变一下角度，就能观察到被遮挡的部分．
③一张全息照片的大部分被损坏或丢失，只留下一小部分，从这一小部分照片仍可再现原物的全貌．
④可以在同一张底片上记录多张图象，再现时可以在不同的角度上分别观察到两个不同物体的像而不互相干扰．
一、对光的衍射的理解1．光产生明显衍射的条件障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相比差不多，甚至比光的波长小．2．衍射图样的特点1单缝衍射
①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，两侧的亮纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．
②波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大；单缝不变时，光波波长越长的中央条纹宽，条纹间距大．图12圆孔衍射光通过小孔孔很小时，在光屏上出现明暗相间的圆环．如图1所示．3圆板衍射泊松亮斑图2
①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．衍射图样如图2所示．
②中央是亮斑，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．例1 在单缝衍射实验中，下列说法正确的是 A．将入射光由黄光换成绿光，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，衍射条纹间距变宽解析 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，A，C正确；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，B错误；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，D正确．答案 ACD
二、单缝衍射与双缝干涉的比较1．不同点1产生条件2图样2．相同点1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．2都是波特有的现象，表明光是一种波．例2 如图3所示，a、b、c、d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3A．a、b是光的干涉图样B．c、d是光的干涉图样C．形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短D．形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长短解析 干涉条纹是等间距的条纹，因此，a、b图是干涉图样，c、d图是衍射图样，故A项正确，B项错误；由公式Δy＝λ可知，当l和d相同时，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长，故C项错误；c图样的光的波长比d图样的光的波长长，故D项错误．答案 A
三、对光的偏振的理解1．偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是刻上的真实狭缝．2．只要光的振动方向不与透振方向垂直，都可以不同程度地通过偏振片，不过强度要比振动方向与透振方向平行的光弱一些．3．自然光和偏振光
4.偏振现象的应用举例1在摄影中的应用在镜头前安装一片偏振滤光片，可以阻挡反射光进入镜头．2电子表的液晶显示屏在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，可以控制光线显示数字．3夜晚行车时，车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理．4立体电影也利用了光的偏振原理．例3 如图4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 图4A．A、B均不变B．A、B均有变化C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变解析 白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，只有Q与P的偏振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光的强度有变化，选项C正确．答案 C
四、激光的应用1．利用激光通过光导纤维实现通信利用激光的单色性好，便于调制．2．激光雷达测距、测速方向性好，结合多普勒效应．3．DVD、CD唱机、电脑光驱方向性好．4．医学上的“激光刀”、激光雕刻、激光切割、激光焊接、受控核聚变能量集中及高能量．5．全息照相技术．例4 下列说法正确的是 A．激光可用于测距B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染D．激光可用于全息照相，有独特的特点解析 激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，选项D正确；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确．答案 ACD 光的衍射现象1．光的衍射现象，下面说法正确的是 A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B．白光的单缝衍射图样是白暗相间的直条纹C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射解析 单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹．白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现亮点，是衍射现象．光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．答案 AC单缝衍射与双缝干涉的比较2．如图5所示，甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样．下列判断正确的是图中黑色表示亮条纹 图5A．甲为单缝衍射的图样B．乙为双缝干涉的图样C．甲为双缝干涉的图样D．乙为单缝衍射的图样解析 双缝干涉图样的条纹间隔是均匀的，单缝衍射的条纹是中间宽、两侧逐渐变窄，由此可见选项A、B正确．答案 AB光的偏振3．如图6所示，A、B为两偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此时在光屏C上，透射光的强度最大，则下列说法中正确的是 图6A．此时A、B的透振方向平行B．只有将B绕OO′轴顺时针旋转90°，屏上透射光的强度才最弱，几乎为零C．不论将A或B绕OO′轴旋转90°，屏上透射光的强度都将最弱，几乎为零D．将A沿顺时针旋转180°，屏上透射光的强度最弱，几乎为零解析 当A、B两偏振片的透振方向平行时，光屏上的光强度最大；当二者透振方向垂直时，光屏上的光强度最小，几乎为零，由此可知A、C选项正确．答案 AC激光的特点及应用4．下列说法中正确的是 A．激光是自然光被放大而产生的B．激光是原子受激辐射而得到的加强光C．激光的能量一定大于其他光的能量D．激光的传播速度比普通光大解析 激光是由人工产生的光，它是由于原子受到激发而产生的，它具有平行度好、相干性强和亮度高的特点，其传播速度仍然是光速，故B对．答案 B时间60分钟题组一 光的衍射1．对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是 A．只有障碍物或孔的尺寸跟光波波长相差不大甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性解析 光的干涉现象和衍射现象都说明了光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的，只有在光的波长比障碍物小很多的情况下，光才可以看成是直进的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象．答案 ABD2．关于衍射现象，下列说法正确的是 A．泊松亮斑是光的衍射现象B．当障碍物的尺寸比波长大很多时，能发生明显的衍射现象C．缝的宽度越小，光的传播路线越接近直线D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象答案 A图13．在一次观察光衍射的实验中，观察到如图1所示的清晰的明暗相间图样黑线为暗纹，那么障碍物应是 A．很小的不透明的圆板B．很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C．很大的不透明圆板D．很大的中间有小圆孔的不透明的圆板解析 由题图可知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，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，选项D正确．答案 D4．使太阳光垂直照射到一块遮光板上，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，此时可看作光是近似沿直线传播的，在屏上得到孔的影；随着孔的减小，正方形的光斑逐渐减小；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，即圆形光斑；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，故合理顺序为DEABC.答案 DEABC题组二 光的衍射与干涉的比较5．关于衍射，下列说法中正确的是 A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在着光的衍射现象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解析 干涉和衍射都是波叠加的结果，干涉中有衍射现象，衍射中也有干涉现象，故A、B对；当障碍物的尺寸远大于波长时，衍射现象不明显，因而形成影．但影的形成与衍射现象并不矛盾，故C、D错．答案 AB6．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，图2的四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是 图2A．a、cB．b、cC．a、dD．b、d解析 单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样．答案 D7．一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹，现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到 A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央亮条纹变宽些C．只有一条与缝宽对应的亮条纹D．无条纹，只存在一片红光解析 双缝为相干光源的干涉，单缝为光的衍射，且干涉和衍射的图样不同．衍射图样和干涉图样的异同点中央都出现亮条纹，但衍射图样中央亮条纹较宽，两侧都出现明暗相间的条纹，干涉图样为等间隔的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间隔的明暗相间的条纹，且亮度迅速减弱．答案 B题组三 光的偏振8．下列现象中可以说明光是横波的是 A．光的干涉现象B．光的衍射现象C．光的全反射现象D．光的偏振现象解析 光能发生干涉和衍射现象，说明光是一种波，具有波动性；光的全反射现象，说明光由光密介质进入光疏介质和由光疏介质进入光密介质会有不同的现象；光的偏振现象说明光的振动方向与传播方向垂直，即说明光是横波，所以正确选项为D.答案 D9．关于自然光和偏振光，以下说法正确的是 A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不相同B．偏振光是在垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光答案 BD10．光的偏振现象说明光是横波，下列现象中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 自然光通过第一个偏振片后形成单一振动方向的偏振光，再通过第二个偏振片时，若偏振片的透射方向与此偏振光的振动方向垂直，则无光透过第二个偏振片，若二者平行则透射光最强，故选项A反映了光的偏振现象；一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光与折射光线垂直时，反射光线和折射光线都是偏振光且偏振方向垂直，选项B反映了光的偏振；拍摄水中景物或玻璃橱窗中景物时，由于水或玻璃表面反射光较强，使所拍摄景物不清晰，在照相机镜头前装上偏振光片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以有效防止反射光进入照相机，从而所拍景象更清晰，选项C反映了光的偏振；通过手指间的缝隙观察日光灯，看到彩色条纹是光的衍射现象，故选A、B、C.答案 ABC图311．如图3所示，P是偏振片用实线表示透振方向为竖直方向，下列四种光束中，哪几种照射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 根据光的现象，只要光的振动方向不与偏振片的透振方向垂直，光都能通过偏振片，故A、B、D正确．答案 ABD12．在垂直于太阳光的传播方向上，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，屏上的光的亮度不变D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱解析 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的．答案 BD题组四 激光及应用13．对于激光的认识，以下说法正确的是 A．普通光源发出的光都是激光B．激光是自然界普遍存在的一种光C．激光是一种人工产生的相干光D．激光已深入到我们生活的各个方面解析 激光是人工产生的相干光，并不能由普通光源发出，故A、B错，C对；激光在我们日常生活中有着重要的应用，故D对．答案 CD14．关于激光在以下用途中的说法正确的是 A．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物，它是利用激光具有相干性，它像无线电波一样能调制，用来传递信息B．按照信息论的理论，电磁波的频率越高，它所携带的信息量越大，用激光可以比无线电波传递更多的信息C．在战争中，常用激光制导炸毁目标，这是由于激光平行度高，方向性强，在传播很远后仍保持一定强度，指示目标准确D．激光在医学上当做“光刀”进行手术，利用的是激光“相干性好”这一特点解析 由激光的特点及应用可知A、B、C正确．答案 ABC题组五 综合应用15．如图4所示，两束单色光a、b从水下面射向A点，光线经折射后合成一束光c，则下列说法正确的是 图4A．用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距B．用a、b光分别做单缝衍射实验时它们的衍射条纹宽度都是均匀的C．在水中a光的速度比b光的速度小D．在水中a光的临界角大于b光的临界角解析 由题图知na＜nb，则a光的波长比b光的长，在介质中的速度比b光的大，临界角比b光的大，不易发生全反射，衍射本领比b光强．据此可判断选项C错误，D正确；波长越长，干涉条纹间距越大，选项A正确；光的衍射条纹宽度不均匀，选项B错误．答案 AD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透振方向一致举例太阳、电灯、蜡烛火焰等直接发出的光自然光在介质表面反射和折射形成的光。
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