浙江省2018-2019版高中物理 第十三章 光 第4課時(shí) 光的衍射 光的偏振學(xué)案 新人教版選修3-4.doc

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第4課時(shí)　光的衍射　光的偏振 [研究選考把握考情] 知識(shí)內(nèi)容 光的衍射、光的偏振 考試要求 加試b 教學(xué)要求 1.了解光的衍射現(xiàn)象，知道衍射條紋的特點(diǎn) 2.知道光產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件 3.會(huì)用激光筆和光傳感器做單縫衍射實(shí)驗(yàn) 4.能區(qū)分干涉條紋和衍射條紋 5.知道光的偏振現(xiàn)象 6.了解自然光與偏振光的區(qū)別 7.了解光的偏振的簡(jiǎn)單應(yīng)用 8.知道光的偏振現(xiàn)象證明了光是橫波 說明 1.不要求討論衍射光柵 2.不要求討論立體電影和液晶顯示屏的原理 知識(shí)點(diǎn)一　光的衍射 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.用平行光照射狹縫，當(dāng)縫很窄時(shí)，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當(dāng)寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。 2.發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：在障礙物的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相比，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯。 3.各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋。 [要 點(diǎn) 精 講] 衍射圖樣的特點(diǎn) (1)單縫衍射： ①單色光通過狹縫時(shí)，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋。中央條紋最寬最亮，兩側(cè)的亮紋逐漸變暗變窄；白光通過狹縫時(shí)，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白色條紋。 ②波長(zhǎng)一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時(shí)，光波波長(zhǎng)大的中央條紋寬，條紋間距大。 (2)圓孔衍射： 光通過小孔(孔很小)時(shí)，在光屏上出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)。如圖1所示。 圖1 (3)圓板衍射(泊松亮斑) ①若在單色光(如激光)傳播途中放一個(gè)較小的圓形障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑。衍射圖樣如圖2所示。 圖2 ②中央是亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。 【例1】 在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是(　　) A.將入射光由黃光換成綠光，衍射條紋間距變窄 B.使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄 C.換用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光照射，衍射條紋間距變寬 D.增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬 解析　當(dāng)單縫寬度一定時(shí)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠(yuǎn)，條紋間距也越大，A，C正確；當(dāng)光的波長(zhǎng)一定時(shí)，單縫寬度越小，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大，B錯(cuò)誤；光的波長(zhǎng)一定、單縫寬度也一定時(shí)，增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會(huì)變寬，D正確。 答案　ACD 知識(shí)點(diǎn)二　衍射光柵 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.構(gòu)成：由許多等寬的狹縫等距離排列起來形成的光學(xué)儀器。 2.增加狹縫的個(gè)數(shù)，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加。 3.種類：透射光柵和反射光柵。 [即 學(xué) 即 練] 關(guān)于衍射光柵，下列說法正確的是(　　) A.衍射光柵是由許多等寬度的狹縫組成的 B.衍射光柵分為透射光柵和反射光柵兩類 C.透射光柵中刻痕的部分相當(dāng)于透光的狹縫 D.透射光柵中未刻痕的部分相當(dāng)于透光的狹縫 解析　對(duì)于透射光柵來說，當(dāng)光照到刻痕上時(shí)，由于光發(fā)生漫反射而不能透過，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，A、B、D正確。 答案　ABD 知識(shí)點(diǎn)三　光的偏振 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.偏振片：由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，只有沿著這個(gè)方向振動(dòng)的光波才能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫做“透振方向”。 2.自然光和偏振光 (1)自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同。這種光是“自然光”。 (2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)，這種光叫做偏振光。 3.光的偏振現(xiàn)象表明光是一種橫波。 4.偏振現(xiàn)象應(yīng)用：照相機(jī)鏡頭前的偏振濾光片、電子表的液晶顯示等。 [要 點(diǎn) 精 講] 1.偏振片上的“狹縫”表示透振方向，而不是刻上的真實(shí)狹縫。 2.只要光的振動(dòng)方向不與透振方向垂直，都可以不同程度地通過偏振片，不過強(qiáng)度要比振動(dòng)方向與透振方向平行的光弱一些。 3.自然光和偏振光 自然光 偏振光 光的來源 直接從光源發(fā)出的光 自然光通過偏振片后的光 光的振動(dòng)方向 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿所有方向，且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光強(qiáng)度都相同 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿某一特定方向(與偏振片透振方向一致) 舉列 太陽、電燈、蠟燭火焰等直接發(fā)出的光 自然光在介質(zhì)表面反射和折射形成的光 4.偏振現(xiàn)象的應(yīng)用舉例 (1)在攝影中的應(yīng)用：在鏡頭前安裝一片偏振濾光片，可以阻擋反射光進(jìn)入鏡頭。 (2)電子表的液晶顯示屏：在兩塊透振方向垂直的偏振片當(dāng)中插進(jìn)一個(gè)液晶盒，可以控制光線顯示數(shù)字。 (3)夜晚行車時(shí)，車燈眩光的消除用的就是光的偏振現(xiàn)象。 (4)立體電影也利用了光的偏振現(xiàn)象。 【例2】 如圖3所示，白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q，A點(diǎn)位于P、Q之間，B點(diǎn)位于Q右側(cè)。旋轉(zhuǎn)偏振片P，A、B兩點(diǎn)光的強(qiáng)度變化情況是(　　) 圖3 A.A、B均不變 B.A、B均有變化 C.A不變，B有變化 D.A有變化，B不變 解析　白熾燈光包含各方向的光，且各個(gè)方向的光強(qiáng)度相同，所以旋轉(zhuǎn)偏振片P時(shí)各方向透射光強(qiáng)度相同，故A點(diǎn)光的強(qiáng)度不變；白熾燈光經(jīng)偏振片P后為偏振光，當(dāng)P旋轉(zhuǎn)時(shí)，只有與Q的偏振方向一致時(shí)才有光透過Q，因此B點(diǎn)的光強(qiáng)有變化，選項(xiàng)C正確。 答案 C　 1.沙塵暴是由于土地的沙化引起的一種惡劣的氣象現(xiàn)象，發(fā)生沙塵暴時(shí)能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于這種情況下(　　) A.只有波長(zhǎng)較短的一部分光才能到達(dá)地面 B.只有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一部分光才能到達(dá)地面 C.只有頻率較大的一部分光才能到達(dá)地面 D.只有頻率較小的一部分光才能到達(dá)地面 解析　根據(jù)光發(fā)生明顯衍射的條件知，發(fā)生沙塵暴時(shí)，只有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一部分光線能到達(dá)地面，根據(jù)λ＝知，到達(dá)地面的光是頻率較小的部分，故選項(xiàng)B、D正確。 答案　BD 2.如圖4所示，甲、乙為單色光通過窄縫后形成的明、暗相間的兩種條紋圖樣。下列判斷正確的是(圖中黑色表示亮條紋)(　　) 圖4 A.甲為單縫衍射的圖樣 B.乙為雙縫干涉的圖樣 C.甲為雙縫干涉的圖樣 D.乙為單縫衍射的圖樣 解析　雙縫干涉圖樣的條紋是等寬等間距的，單縫衍射的條紋是中間寬、兩側(cè)逐漸變窄，由此可見選項(xiàng)A、B正確。 答案　AB 3.如圖5所示，A、B為兩偏振片，一束自然光沿OO′方向射向A，此時(shí)在光屏C上，透射光的強(qiáng)度最大，則下列說法中正確的是(　　) 圖5 A.此時(shí)A、B的透振方向平行 B.只有將B繞OO′軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90，屏上透射光的強(qiáng)度才最弱，幾乎為零 C.將A或B繞OO′軸旋轉(zhuǎn)90，屏上透射光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零 D.將A沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180，屏上透射光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零 解析　當(dāng)A、B兩偏振片的透振方向平行時(shí)，光屏上光的強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)二者透振方向垂直時(shí)，光屏上光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零，由此可知選項(xiàng)A、C正確。 答案　AC 4.下面關(guān)于光的偏振現(xiàn)象的應(yīng)用正確的是(　　) A.自然光通過起偏振器后成為偏振光，利用檢偏振器可以檢驗(yàn)出偏振光的振動(dòng)方向 B.立體電影利用了光的偏振現(xiàn)象 C.茶色眼鏡利用了光的偏振現(xiàn)象 D.拍攝日落時(shí)水面下的景物時(shí)，在照相機(jī)鏡頭前裝一個(gè)偏振片可減弱水面反射光的影響 答案 ABD　 選擇題(在每小題給出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的。) 1.對(duì)于光的衍射現(xiàn)象的定性分析，下列說法正確的是(　　) A.只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長(zhǎng)相比相差不大甚至比波長(zhǎng)還要小的時(shí)候，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象 B.光的衍射現(xiàn)象是光波相互疊加的結(jié)果 C.光的衍射現(xiàn)象否定了光沿直線傳播的結(jié)論 D.光的衍射現(xiàn)象說明了光具有波動(dòng)性 解析　光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象無疑說明了光具有波動(dòng)性，而小孔成像說明光沿直線傳播，而要出現(xiàn)小孔成像，孔不能太小，光的直線傳播規(guī)律只是近似的，只有在光的波長(zhǎng)比障礙物小很多的情況下，光才可以看成是直線傳播的，所以光的衍射現(xiàn)象和直線傳播是不矛盾的，它們是在不同條件下出現(xiàn)的兩種現(xiàn)象，故選項(xiàng)A、B、D正確。 答案　ABD 2.單色光源發(fā)出的光經(jīng)一狹縫，照射到光屏上，可觀察到的圖象是下圖中(　　) 解析　光的雙縫干涉條紋是等間距等寬度的明暗相間的條紋，而在光的單縫衍射圖樣中，中間是寬度最大最亮的亮條紋，在中央亮條紋兩邊的亮條紋寬度越來越小，亮度也越來越低，故選項(xiàng)A正確。 答案　A 3.在一次觀察光衍射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖1所示的清晰的明暗相間的圖樣(黑線為暗紋)，那么障礙物應(yīng)是(　　) 圖1 A.很小的不透明的圓板 B.很大的中間有大圓孔的不透明的圓板 C.很大的不透明的圓板 D.很大的中間有小圓孔的不透明的圓板 解析　由題圖可知中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越向外，圓形條紋寬度越小，可判斷此圖樣為圓孔衍射圖樣，故選項(xiàng)D正確。 答案　D 4.如圖2所示，a、b、c、d四個(gè)圖是不同的單色光形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣，分析各圖樣的特點(diǎn)可以得出的正確結(jié)論是(　　) 圖2 A.a、b是光的干涉圖樣 B.c、d是光的干涉圖樣 C.形成a圖樣的光的波長(zhǎng)比形成b圖樣的光的波長(zhǎng)短 D.形成c圖樣的光的波長(zhǎng)比形成d圖樣的光的波長(zhǎng)短 解析　干涉條紋是等間距的條紋，因此，a、b是干涉圖樣，c、d是衍射圖樣，故A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由公式Δx＝λ可知，條紋寬的入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，所以a圖樣的光的波長(zhǎng)比b圖樣的光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；c圖樣的光的波長(zhǎng)比d圖樣的光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案　A 5.關(guān)于衍射，下列說法中正確的是(　　) A.衍射現(xiàn)象中條紋的出現(xiàn)是光疊加后產(chǎn)生的結(jié)果 B.雙縫干涉中也存在著光的衍射現(xiàn)象 C.一切波都很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 D.影子的存在是一個(gè)與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實(shí) 解析　干涉和衍射都是波疊加的結(jié)果，干涉中有衍射現(xiàn)象，衍射中也有干涉現(xiàn)象。當(dāng)障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，因而形成影子，但影子的形成與衍射現(xiàn)象并不矛盾。 答案　AB 6.關(guān)于衍射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A.泊松亮斑是光的衍射現(xiàn)象 B.當(dāng)障礙物的尺寸比波長(zhǎng)大很多時(shí)，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 C.縫的寬度越小，光的傳播路線越接近直線 D.只有橫波才能發(fā)生衍射現(xiàn)象，縱波不能發(fā)生衍射現(xiàn)象 答案　A 7.在光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)中可觀察到清晰的明暗相間的圖樣，圖3的四幅圖片中屬于光的單縫衍射圖樣的是(　　) 圖3 A.a、c B.b、c C.a、d D.b、d 解析　單縫衍射條紋的特點(diǎn)是中央亮條紋最寬、最亮，雙縫干涉條紋的特點(diǎn)是等間距的條紋，所以a是干涉條紋，b、d是單縫衍射條紋，c是水波的衍射圖樣。 答案　D 8.一束紅光射向一塊有雙縫的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，現(xiàn)將其中一條窄縫擋住，讓這束紅光只通過一條窄縫，則在光屏上可以看到(　　) A.與原來相同的明暗相間的條紋，只是明條紋比原來暗些 B.與原來不相同的明暗相間的條紋，而中央明條紋變寬些 C.只有一條與縫寬對(duì)應(yīng)的明條紋 D.無條紋，只存在一片紅光 解析　雙縫為相干光源的干涉，單縫為光的衍射，且干涉和衍射的圖樣不同。衍射圖樣和干涉圖樣的異同點(diǎn)：中央都出現(xiàn)明條紋，但衍射圖樣中央明條紋較寬，兩側(cè)都出現(xiàn)明暗相間的條紋，干涉圖樣為等間隔的明暗相間的條紋，而衍射圖樣兩側(cè)為不等間隔的明暗相間的條紋，且亮度迅速減弱，所以選項(xiàng)B正確。 答案　B 9.下列現(xiàn)象中可以說明光是橫波的是(　　) A.光的干涉現(xiàn)象 B.光的衍射現(xiàn)象 C.光的全反射現(xiàn)象 D.光的偏振現(xiàn)象 解析　光能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，說明光是一種波，具有波動(dòng)性；光的全反射現(xiàn)象，說明光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)和由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)會(huì)有不同的現(xiàn)象；光的偏振現(xiàn)象說明光的振動(dòng)方向與傳播方向垂直，即說明光是橫波，所以選項(xiàng)D正確。 答案　D 10.奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個(gè)重要指標(biāo)，可以用“旋光法”來測(cè)量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量。偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會(huì)相對(duì)于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，這一角度α稱為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就能確定被測(cè)樣品的含糖量了。如圖4所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動(dòng)B，使到達(dá)O處的光最強(qiáng)，然后將被測(cè)樣品P置于A、B之間，則下列說法正確的是(　　) 圖4 A.到達(dá)O處光的強(qiáng)度會(huì)明顯減弱 B.到達(dá)O處光的強(qiáng)度不會(huì)明顯減弱 C.將偏振片B轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于α D.將偏振片A轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片A轉(zhuǎn)過的角度等于α 解析　由題意知，轉(zhuǎn)動(dòng)B使到達(dá)O處的光最強(qiáng)，則偏振片A、B的透振方向相同。若在A、B之間放上待檢糖溶液，因糖溶液對(duì)偏振光有旋光效應(yīng)，使偏振光的偏振方向發(fā)生改變，則到達(dá)O處的光強(qiáng)度會(huì)明顯減弱。若適當(dāng)旋轉(zhuǎn)A或B，可以使偏振光通過偏振片A、糖溶液和偏振片B后到達(dá)O處的光強(qiáng)度最大，并且偏振片旋轉(zhuǎn)的角度等于糖溶液的旋光度α，故A、C、D正確。 答案　ACD 11.光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波，下列現(xiàn)象中能反映光的偏振特性的是(　　) A.一束自然光相繼通過兩個(gè)偏振片，以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)偏振片，透射光的強(qiáng)度發(fā)生變化 B.一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當(dāng)反射光與折射光線之間的夾角恰好是90時(shí)，反射光是偏振光 C.日落時(shí)分，拍攝水面下的景物，在照相機(jī)鏡頭前裝上偏振光片，可以使景象更清晰 D.通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋 解析　自然光通過第一個(gè)偏振片后形成單一振動(dòng)方向的偏振光，再通過第二個(gè)偏振片時(shí)，若偏振片的透振方向與此偏振光的振動(dòng)方向垂直，則無光透過第二個(gè)偏振片，若二者平行則透射光最強(qiáng)，故選項(xiàng)A反映了光的偏振現(xiàn)象；一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當(dāng)反射光與折射光線垂直時(shí)，反射光線和折射光線都是偏振光且偏振方向垂直，選項(xiàng)B反映了光的偏振；拍攝水中景物或玻璃櫥窗中景物時(shí)，由于水或玻璃表面反射光較強(qiáng)，使所拍攝景物不清晰，在照相機(jī)鏡頭前裝上偏振光片，使其透振方向與反射光的偏振方向垂直，則有效防止反射光進(jìn)入照相機(jī)，從而所拍景象更清晰，選項(xiàng)C反映了光的偏振；通過手指間的縫隙觀察日光燈，看到彩色條紋是光的衍射現(xiàn)象。 答案　ABC 12.如圖5所示，P是豎直方向的偏振片(用實(shí)線表示透振方向)，下列四種光束中，哪幾種照射P時(shí)能在P的另一側(cè)觀察到透射光(　　) 圖5 A.太陽光 B.沿豎直方向振動(dòng)的光 C.沿水平方向振動(dòng)的光 D.沿與豎直方向成45角振動(dòng)的光 解析　只要光的振動(dòng)方向不與偏振片的透振方向垂直，光都能通過偏振片，故A、B、D正確。 答案　ABD 13.在垂直于太陽光的傳播方向上，前后放置兩個(gè)偏振片P和Q。在Q的后邊放上光屏，以下說法正確的是(　　) A.Q不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度不變 B.Q不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)偏振片P，屏上光的亮度時(shí)強(qiáng)時(shí)弱 C.P不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上的光的亮度不變 D.P不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時(shí)強(qiáng)時(shí)弱 解析　P是起偏振器，它的作用是把太陽光(自然光)轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆?，該偏振光的振?dòng)方向與P的透振方向一致，所以當(dāng)Q與P的透振方向平行時(shí)，通過Q的光強(qiáng)最大；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時(shí)，通過Q的光強(qiáng)最小，即無論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強(qiáng)都是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的。 答案　BD