高中物理新教材同步选择性必修第一册 主题3 5~6　光的衍射、光的偏振

5 光的衍射 6 光的偏振 [学科素养与目标要求] 物理观念：1.知道光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件.2.知道衍射条纹的特点.3.知 道光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别. 科学思维：1.会区分衍射条纹和干涉条纹.2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现 象. 科学探究：通过观察光的偏振实验，了解光的偏振现象，加深对偏振的理解. 一、光的衍射 1.用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了 相当宽的地方.这就是光的衍射现象. 2.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，出现明暗相间的条纹. 3.发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的 时候，衍射现象十分明显. 4.衍射光栅 (1)构成：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件. (2)增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加. (3)种类：透射光栅和反射光栅. 二、光的偏振 1.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顺 利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”. 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，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同.这种光是“自然光”. (2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫做偏振光. 3.光的偏振现象说明光是一种横波. 4.偏振现象的应用 照相机镜头前的偏振滤光片、电子表的液晶显示、立体电影、车灯眩光的消除等. 1.判断下列说法的正误. (1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.( × ) (2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象.( × ) (3)横波和纵波都能产生偏振现象.( × ) (4)自然光通过偏振片可以获得偏振光.( √ ) 2.下列四幅图片中属于光的干涉的是________，属于光的衍射的是________. 答案 a b、d 一、光的衍射 (1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上，逐渐减小两个卡脚之间的距离，使缝 越来越小，观察照在屏幕上光斑的变化.缝宽大约多大时屏幕上出现条纹？缝间距变小时， 条纹有什么变化？ (2)用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔，用眼睛通过小孔观察太阳光，会观察到什么现象？ 答案 (1)大约0.4 mm 时会出现条纹，当缝间距变小时，屏幕上条纹间距逐渐变宽，但亮度 逐渐减弱. (2)会观察到中央为亮圆，周围为彩色的圆环. 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， 两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹. (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，光波波长大的中央条 纹宽，条纹间距大. 2.圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时，在光屏上出现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.如图1 所示. 图1 图2 3.圆板衍射(泊松亮斑) (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 (多选)(2017·南通高二检测)关于光的衍射现象，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黑相间的直条纹 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 答案 AC 解析 红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹， 光照到不透明小圆盘上，在其阴影中心处出现亮点，是衍射现象，光的衍射现象只有明显与 不明显之分，D 项屏中大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象. 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减弱的结果. (2)都是波特有的现象，表明光是一种波. 例2 (2018·厦门一中高二下学期期中)如图3 所示的四幅明暗相间的条纹，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(黑色部分表示亮条纹).则在下面的四幅图中从左到右排列，亮条纹的颜色依次是 ( ) 图3 A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫 答案 B 解析 双缝干涉条纹平行等距，且波长越长，条纹间距越大，而红光波长比蓝光波长长，故 第一幅图为红光，第三幅图为蓝光；又由于黄光波长比紫光波长长，故第四幅图为黄光的衍 射图样，第二幅图为紫光的衍射图样. [学科素养] 例2 分辨了衍射和干涉图样.宽度上：双缝干涉的条纹是等宽等间距的，而单缝 衍射的条纹是中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄；亮度上：双缝干涉条纹从中央往两侧亮度 变化很小；而单缝衍射的中央条纹最亮，两侧逐渐变暗，在分辨过程中提高了学生的综合分 析能力，这是对基于事实构建的物理模型的应用过程，体现了“科学思维”的学科素养. 针对训练 (多选)如图4(a)所示是做双缝干涉实验的示意图.先做操作1：用两块不同颜色的 滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ；接着再做操作2：用不透明的挡板挡住b 缝.若 两块滤光片一块是红色，一块是蓝色，则( ) 图4 A.完成操作1 后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是红色条纹，乙是蓝色条纹 B.完成操作1 后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是蓝色条纹，丁是红色条纹 C.完成操作2 后，光屏上出现的是图(b)图案，且甲是蓝色条纹，乙是红色条纹 D.完成操作2 后，光屏上出现的是图(c)图案，且丙是红色条纹，丁是蓝色条纹 答案 AD 解析 题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹，是干涉图样，再根据条纹宽度的有关因素 分析即可.题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹，是衍射条纹，再根据条纹宽度的有 关因素进行分析即可.操作1 是双缝干涉实验，故条纹间距相等，光屏上出现题图(b)图案， 由图案知甲的波长大于乙的波长，故甲为红色条纹，乙为蓝色条纹，A 正确；操作2 是单缝 衍射，条纹间距不相等，光屏上为题图(c)图案，再结合波长关系可知D 正确. 三、光的偏振 如图所示，取一个偏振片P，让阳光通过偏振片P，在P 的另一侧观察，可以看到偏振片是 透明的；在偏振片P 的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，会 看到什么现象？这说明什么？ 答案 会看到在旋转Q 时光的亮度发生变化. 偏振片的作用类似于狭缝的作用，只有振动方向与透振方向一致的光才能通过.当偏振片Q 与P 的透振方向平行时，穿过Q 的光最强；当Q 与P 的透振方向垂直时，光不能透过Q. 对偏振方向与透振方向的理解 透振方向：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 振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”. (1)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向 与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片. (2)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，则仍会有部分光透过偏 振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间. 例3 (多选)如图5 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5 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 答案 BD 解析 自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后， 透射光是只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，故A 错；它通过偏 振片A 后，即变为偏振光，故B 对；设通过A 的光沿竖直方向振动，而偏振片B 只能通过 沿水平方向振动的偏振光，则P 点无光亮，以SP 为轴将B 转过180°后，P 处仍无光亮，故 C 错；以SP 为轴将B 转过90°后，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，故D 对. 1.(光的衍射)(多选)对光的衍射现象的定性分析，正确的是( ) A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物继续传播的现象 B.衍射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 答案 ABC 解析 根据光的衍射现象的定义可知选项A 正确；衍射图样中有亮、暗条纹，这是光波相 互叠加的结果，加强区为亮条纹，减弱区为暗条纹，选项B 正确；因为衍射也是波特有的 现象，所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据，选项C 正确；当障碍物较 大时，光的衍射很弱，光几乎沿直线传播，即光的直线传播只是特殊情况下的近似，二者是 统一的，选项D 错误. 2.(单缝衍射与双缝干涉的比较)如图6 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6 A.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 图样的光的波长短 D.形成c 图样的光的波长比形成d 图样的光的波长短 答案 A 解析 干涉条纹是等间距的条纹，因此题图a、b 是干涉图样，题图c、d 是衍射图样，故A 项正确，B 项错误；由公式Δx＝λ 可知，条纹宽的入射光的波长长，所以题图a 图样的光的 波长比题图b 图样的光的波长长，故C 项错误；题图c 图样的光的波长比题图d 图样的光的 波长长，故D 项错误. 3.(光的衍射)让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形 孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，则在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)( ) A.三角形光斑 倒立的烛焰 明暗相间的圆环 B.三角形光斑 圆形光斑 倒立的烛焰 C.倒立的烛焰 圆形光斑 明暗相间的圆环 D.三角形光斑 明暗相间的圆环 倒立的烛焰 答案 A 解析 当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示，随着三角形缓慢地收缩， 光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；继续使 三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗. 4.(光的偏振的应用)(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是( ) A.自然光通过起偏振器后成为偏振光，利用检偏振器可以检验出偏振光的振动方向 B.立体电影利用了光的偏振现象 C.茶色眼镜利用了光的偏振现象 D.拍摄日落时水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响 答案 ABD 5.(光的偏振的应用)(多选)鉴别奶粉的质量，奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标， 可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量.偏振光通过糖的水溶液后，偏振 方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α 称为“旋光度”，α 的值只 与糖溶液的浓度有关，将α 的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了.如图7 所示，S 是自然光源，A、B 是偏振片，转动B，使到达O 处的光最强，然后将被测样品P 置于A、B 之间，则下列说法中正确的是( ) 图7 A.到达O 处的光的强度会明显减弱 B.到达O 处的光的强度不会明显减弱 C.将偏振片B 转动一个角度，使得O 处光的强度仍为最大，偏振片B 转过的角度等于α D.将偏振片A 转动一个角度，使得O 处光的强度仍为最大，偏振片A 转过的角度等于α 答案 ACD 解析 自然光通过偏振片后得到振动方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被 测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到 达B 的光的偏振方向与B 的透振方向不完全一致，故O 处光的强度会明显减弱，故A 正确， B 错误；若将A 或B 转动一个角度，使得O 处光的强度仍为最大，说明它们转过的角度等 于α，故C、D 都正确. 一、选择题 考点一 光的衍射 1.(多选)用游标卡尺观察光的衍射现象时，下列说法中正确的是( ) A.游标卡尺形成的狭缝应平行于日光灯，且狭缝远离日光灯，人眼也远离狭缝进行观察 B.游标卡尺狭缝平行于日光灯观察时，可观察到中央为白色条纹，两侧为彩色条纹，且彩色 条纹平行于日光灯 C.狭缝宽度由0.5 mm 缩小到0.2 mm，条纹间距变宽，亮度变暗 D.狭缝宽度由0.5 mm 扩展到0.8 mm，条纹间距变宽，亮度变暗 答案 BC 解析 当游标卡尺狭缝平行于日光灯，狭缝远离日光灯时，眼睛应靠近狭缝进行观察，观察 到平行于日光灯的彩色条纹，且中央为白色条纹，A 错误，B 正确；狭缝越小，衍射现象越 明显，即条纹间距变宽，但亮度变暗，C 正确，D 错误. 2.(多选)(2017·宿迁高二检测)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是( ) A.其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄 B.其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄 C.其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽 D.其他条件不变，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽 答案 ACD 解析 黄光波长大于绿光波长，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，条纹间距 也越宽，所以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，衍射条纹 间距会变宽，B 错误；当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条 纹间距会变宽，D 正确. 3.(多选)沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几 十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下( ) A.只有波长较短的一部分光才能到达地面 B.只有波长较长的一部分光才能到达地面 C.只有频率较高的一部分光才能到达地面 D.只有频率较低的一部分光才能到达地面 答案 BD 解析 根据光发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光能到达 地面，据λ＝知，到达地面的光是频率较低的一部分光，故选项B、D 正确. 4.(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图1 所示.激光束通过细丝时产生的条纹和它通 过遮光板的同样宽度的窄缝时产生的条纹规律相同，则( ) 图1 A.这是利用光的干涉现象 B.这是利用光的衍射现象 C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了 D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了 答案 BD 解析 由题图图样可知，这是利用了光的衍射现象，当丝变细时(相当于狭缝变窄)条纹间距 变宽，B、D 选项正确. 5.某同学使用激光器做光源，在不透光的挡板上开一条宽度为0.05 mm 的窄缝，进行光的衍 射实验，如图2 所示，则他在光屏上看到的条纹是( ) 图2 答案 B 解析 单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，故衍射条纹也是水平的， B 对. 考点二 单缝衍射与双缝干涉的比较 6.(多选)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.影子的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 答案 AB 7.如图3 所示，a 表示单缝，b 表示双缝，用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝，在缝 后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示亮条纹)，则( ) 图3 A.图c 表示单缝衍射条纹，图d 表示双缝干涉条纹 B.单缝S 越宽，越容易观察到对应的明暗条纹 C.双缝间距离越小，对应条纹间距越大 D.照射双缝的单色光波长越短，对应条纹间距越大 答案 C 解析 根据单缝衍射条纹间距不等，而双缝干涉条纹间距相等，则有题图c 表示双缝干涉条 纹，题图d 表示单缝衍射条纹，故A 错误；根据发生明显衍射现象的条件可知，单缝S 越窄， 越容易观察到对应的明暗条纹，故B 错误；在双缝干涉中，干涉条纹的间距Δx＝λ，由公式可 得，条纹间距与波长λ、双缝与屏之间的距离l 成正比，与双缝间的距离d 成反比，故C 正确， D 错误. 考点三 光的偏振 8.(多选)如图所示，一束自然光通过起偏振器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏振 器上用箭头表示其透射方向)( ) 答案 ABD 解析 自然光通过起偏振器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏振器的透振方向平行 时能够通过，垂直时不能通过，所以A、B、D 正确. 9.(多选)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，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时， 反射光线是偏振光 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 答案 ABC 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 偏振片的透振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 反映了光的偏振特性；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 了光的偏振特性；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片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，则 有效防止反射光进入照相机，从而使所拍景象更清晰，选项C 反映了光的偏振特性；选项D 中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. 10.(多选)如图4 所示，P 是竖直方向的偏振片(用实线表示透振方向)，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( ) 图4 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 答案 ABD 解析 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. 11.如图5 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.设起偏振器和检偏振器透振方向相同，关于这种温度计的工作 原理，正确的说法是( ) 图5 A.到达检偏振器的光的振动方向变化越小，光接收器所接收的光