滬科物理選修3-4《光的衍射》

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歡迎進入物理課堂 4 3光的衍射4 4光的偏振與立體電影 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 4 3 4 4 課前自主學案 課標定位 課標定位 學習目標 1 知道光的衍射現(xiàn)象及產(chǎn)生明顯衍射的條件 2 了解幾種不同衍射現(xiàn)象的圖樣 3 知道光的偏振現(xiàn)象及偏振是橫波特有的性質(zhì) 4 理解偏振光與自然光的區(qū)別 了解光的偏振的應用 重點難點 產(chǎn)生明顯衍射的條件和對光的偏振現(xiàn)象的理解 課前自主學案 一 光的衍射1 研究光的衍射現(xiàn)象 1 光在傳播過程中遇到障礙物時 繞過障礙物 傳播的現(xiàn)象 叫做光的衍射現(xiàn)象 2 光發(fā)生明顯衍射的條件 障礙物 小孔和狹縫的尺寸可以與光的波長 或者比光的波長 時 光才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象 即光不再沿直線傳播 通常情況下 光的波長很小 而一般障礙物的尺寸大于光的波長 觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象 可以近似認為光是沿直線傳播的 偏離直線 差不多 小 3 光的衍射現(xiàn)象的幾個實例 圓孔衍射當圓孔比較大時 光沿著直線通過圓孔 在屏上產(chǎn)生圓斑 當圓孔調(diào)到很小時 盡管圓斑的亮度有所降低 但是在屏上出現(xiàn) 的圓環(huán) 中央亮圓的亮度大 外面是亮 暗相間的圓環(huán) 但外圍亮環(huán)的亮度小 且亮暗圓環(huán)寬度不同 如圖4 3 1所示 亮 暗相間 圖4 3 1 單縫衍射 光通過單縫照射到屏上時 屏上將出現(xiàn) 的衍射條紋 與雙縫干涉的干涉條紋不同的是 干涉條紋均勻分布 而衍射條紋的中央明紋較寬 較亮 如圖4 3 2甲所示 有明有暗 明暗相間 甲乙圖4 3 2 泊松亮斑 光照射到不透光的小圓板上時 在圓板陰影中心處出現(xiàn)的 如圖4 3 2乙所示 2 衍射光柵實驗表明 如果增加狹縫的個數(shù) 衍射條紋的寬度將變窄 亮度將增加 光學儀器中用的衍射光柵就是據(jù)此制成的 它是由許多 的狹縫 地排列起來形成的光學儀器 3 身邊的光衍射現(xiàn)象 1 藍光經(jīng)過刀片的邊緣時發(fā)生衍射現(xiàn)象 見教材圖4 23 衍射亮斑 等寬 等距 2 雨天的晚上透過眼鏡片上的水滴看路燈 水滴的邊緣有衍射條紋 3 瞇縫著眼睛夜觀星空 在視網(wǎng)膜上形成衍射斑 4 孔雀的羽毛在陽光下色彩斑斕 二 光的偏振與立體電影1 感知光的偏振現(xiàn)象及探究偏振片的原理 1 偏振光 自然光垂直透過某一偏振片后 其光振動方向只沿著振片的 這種現(xiàn)象就叫光的偏振 這個方向叫做透振方向 這樣的光叫偏振光 特定方向 2 自然光 由太陽 電燈等普通光源發(fā)出的光 它包含著在垂直于傳播方向沿一切方向振動的光 而且沿 振動的光波強度都相同 這樣的光叫自然光 各個方向 圖4 3 3 2 偏振現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應用 1 立體電影 2 液晶顯示屏 核心要點突破 一 衍射現(xiàn)象與干涉現(xiàn)象的比較 特別提醒 1 光的雙縫干涉和單縫衍射都是光波疊加的結(jié)果 只是干涉條紋是有限的幾束光的疊加 而衍射條紋是極多且復雜的相干光的疊加 在雙縫干涉實驗中 光在通過其中的三個狹縫時 都發(fā)生了衍射而形成了三個線光源 所以 一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射 2 單縫衍射時 照射光的波長越長 中央亮紋越寬 所以衍射和干涉都能使白光發(fā)生色散現(xiàn)象 且中央為白光 邊緣均呈紅色 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 用單色光做雙縫干涉實驗和單縫衍射實驗 比較屏上的條紋 正確的是 A 雙縫干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋B 單縫衍射條紋是中央寬 兩邊窄的明暗相間的條紋C 雙縫干涉條紋是中央寬 兩邊窄的明暗相間的條紋D 單縫衍射條紋是等間距的明暗相間的條紋解析 選AB 由雙縫干涉和單縫衍射條紋特征可知A B是正確的 二 對光的直線傳播與光的衍射的理解1 對 光是沿直線傳播 的理解光的直線傳播是一種近似的規(guī)律 具體從以下兩個方面去理解 1 多數(shù)情況下 光照到較大的障礙物或小孔上是按直線傳播的規(guī)律 在它們的后面留下陰影或光斑 如果障礙物 縫或小孔都小到與照射光的波長差不多 或更小 光就表現(xiàn)出明顯的衍射現(xiàn)象 在它們的后面形成泊松亮斑 明暗相間的條紋或圓環(huán) 2 光是一種波 衍射是它基本的傳播方式 但在一般情況下 由于障礙物都比較大 比起光波波長來說 衍射現(xiàn)象很不明顯 光的傳播可近似地看作是沿直線傳播 所以 光的直線傳播只是近似規(guī)律 2 對明顯衍射的理解障礙物或孔的尺寸跟光的波長接近或比光的波長還要小時能產(chǎn)生明顯的衍射 對同樣的障礙物 波長越長的光 衍射現(xiàn)象越明顯 對某種波長的光 障礙物越小 衍射現(xiàn)象越明顯 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 如圖4 3 4所示 在擋板上開一個大小可以調(diào)節(jié)的小圓孔P 用點光源S照射小孔 小孔后面放一個光屏M 點光源和小孔的連線垂直于光屏 并與光屏交于其中心 當小孔的直徑從1 0mm逐漸減小到0 1mm的過程中 在光屏上看到的現(xiàn)象將會是 圖4 3 4 A 光屏上始終有一個圓形亮斑 并且其直徑逐漸減小B 光屏上始終有明暗相間的同心圓環(huán) 并且其范圍逐漸增大C 光屏上先是形成直徑逐漸減小的圓形亮斑 然后是形成范圍逐漸增大而亮度逐漸減弱的明暗相間的同心圓環(huán)D 光屏上先是形成直徑逐漸減小的圓形亮斑 然后是形成范圍逐漸減小而亮度逐漸增大的明暗相間的同心圓環(huán) 解析 選C 能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象的障礙物或孔的尺寸應該小于0 5mm 本題小孔直徑是從1 0mm逐漸減小到0 1mm的 所以在開始階段沒有明顯的衍射現(xiàn)象 光基本上是沿直線傳播的 因此在光屏上應該得到和小圓孔相似的圓形亮斑 當孔的直徑減小到0 5mm以下時 將發(fā)生較為明顯的衍射現(xiàn)象 所以光屏上出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán) 隨著小孔直徑的減小 光的衍射現(xiàn)象越來越明顯 衍射圖樣的范圍越來越大 相鄰亮紋和相鄰暗紋間的距離也逐漸增大 同時由于通過小孔的光能越來越少 所以衍射圖樣的亮度將變得越來越暗 根據(jù)以上分析 本題應選C 三 光的偏振現(xiàn)象1 偏振片是一種特殊的光學器件 由特定的材料制成 它上面有一個特殊的方向 透振方向 只有振動方向與透振方向平行的光波才能通過偏振片 2 幾個概念 1 自然光 沿各個方向均勻分布振動的光 2 偏振光 沿著特定方向振動的光 3 起偏器 自然光通過后變?yōu)槠窆獾钠衿?4 檢偏器 檢測投射光是否為偏振光的偏振片 3 偏振原因 光是橫波 是電磁波 場強E和磁感應強度B的振動方向均與波傳播的方向垂直 所以光有偏振現(xiàn)象 自然光經(jīng)過反射或折射后會變成偏振光 如自然光射到兩介質(zhì)分界面時同時發(fā)生反射和折射 反射角和折射角和為90 時 反射光線和折射光線是光振動方向互相垂直的偏振光 光波的感光作用和生理作用主要是由電場強度E引起的 因此常將E的振動稱為光振動 在與光傳播方向垂直的平面內(nèi) 光振動的方向可以沿任意的方向 光振動沿各個方向均勻分布的光就是自然光 光振動沿著特定方向的光就是偏振光 四 偏振光的兩種產(chǎn)生方式1 讓自然光通過偏振片 2 自然光射到兩種介質(zhì)的交界面上 使反射光和折射光之間的夾角恰好是90 反射光和折射光都是偏振光 且偏振方向相互垂直 特別提醒 平時我們所看到的光 除直接從光源射來的以外都是偏振光 五 偏振光的應用1 攝影技術(shù)中的應用光的偏振現(xiàn)象有很多應用 如在拍攝日落時水面下的景物 池中的游魚 玻璃櫥窗里的陳列物的照片時 由于水面或玻璃表面的反射光的干擾 常使景象不清楚 如果在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片 讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直 就可使反射來的偏振光不能進入照相機內(nèi) 從而可拍出清晰的照片 故人們把偏振濾光片叫做攝像機的 門衛(wèi) 2 偏振光在汽車擋風玻璃上的應用偏振片 汽車司機的福音 在夜間行車時 迎面開來的車燈眩光常常使司機看不清路面 容易發(fā)生事故 如果在每輛車燈玻璃上和司機坐席前面的擋風玻璃上安裝一塊偏振片 并使它們的透振方向跟水平方向成45 角 就可以解決這一問題 從對面車燈射來的偏振光 由于振動方向跟司機座前擋風玻璃偏振片的透振方向垂直 所以不會射進司機眼里 而從自己的車燈射出去的偏振光 由于振動方向跟自己的擋風玻璃上的偏振片的透振方向相同 所以司機仍能看清自己的燈照亮的路面和物體 3 立體電影也是利用了光的偏振原理 圖4 3 54 偏振太陽鏡5 液晶顯示屏 即時應用 即時突破 小試牛刀 3 光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波 下列現(xiàn)象中不能反映光的偏振特性的是 A 一束自然光相繼通過兩個偏振片 以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片 透射光的強度發(fā)生變化B 一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上 當反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90 時 反射光是偏振光C 日落時分 拍攝水面下的景物 在照相機鏡頭前裝上偏振濾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 選D 偏振光具有的性質(zhì)是光子的振動具有方向性 當兩個偏振片的偏振方向夾角增大時 透射光的強度減弱 一束自然光入射到兩種介質(zhì)的表面時 一定有反射光線 如果折射光線與反射光線垂直 反射光為偏振光 在日落時分 由于反射光太強 偏振光強 加偏振片可以將反射的偏振光過濾 使圖像清晰 通過手指間縫隙觀察日光燈 看到彩色條紋是光的衍射現(xiàn)象 而不是偏振現(xiàn)象 所以D錯誤 課堂互動講練 在單縫衍射實驗中 下列說法正確的是 A 將入射光由黃色換成綠色 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 換用波長較長的光照射 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 精講精析 當單縫寬度一定時 波長越長 衍射現(xiàn)象越明顯 即光偏離直線傳播的路徑越遠 條紋間距也越大 當光的波長一定時 單縫寬度越小 衍射現(xiàn)象越明顯 條紋間距越大 光的波長一定 單縫寬度也一定時 增大單縫到屏的距離 衍射條紋間距也會變寬 故B錯誤 A C D正確 答案 ACD 方法總結(jié) 光遇小孔 單縫或障礙物時 衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分 無發(fā)生與不發(fā)生之別 變式訓練1抽制細絲時可用激光監(jiān)控其粗細 如圖4 3 6所示 激光束越過細絲時產(chǎn)生的條紋和它通過遮光板上的一條同樣寬度的窄縫規(guī)律相同 則 圖4 3 6 這是利用光的干涉現(xiàn)象 這是利用光的衍射現(xiàn)象 如果屏上條紋變寬 表明抽制的絲變粗了 如果屏上條紋變寬 表明抽制的絲變細了A B C D 解析 選B 上述現(xiàn)象符合光的衍射產(chǎn)生的條件 故 正確 由衍射產(chǎn)生的條件可知 絲越細衍射現(xiàn)象越明顯 故 也正確 關(guān)于單縫衍射和雙縫干涉 以下說法正確的是 A 單縫衍射和雙縫干涉的圖樣完全相同B 單縫衍射中央亮條紋的寬度和亮度都比雙縫干涉大C 產(chǎn)生衍射條紋的本質(zhì)是光波的相干疊加D 衍射條紋有單色和彩色兩種 干涉條紋只能是單色的 自主解答 單縫衍射的圖樣是 中央條紋寬且亮 光強度主要集中在中央條紋 往兩側(cè)光強度很快減弱 雙縫干涉圖樣中 中央亮條紋的寬度和兩側(cè)的亮條紋寬度相同 光強度相差不多 故選項A錯誤 選項B正確 將單縫看成是由許多點光源組成 這些點光源都是相干光源 它們發(fā)出的光相疊加就形成了衍射條紋 因此產(chǎn)生衍射條紋的本質(zhì)是光波的疊加 選項C正確 用單色光照射單縫或雙縫 就產(chǎn)生明暗相間的衍射條紋和干涉條紋 用白光照射時 它們都會出現(xiàn)彩色條紋 因此選項D是錯誤的 答案 BC 方法總結(jié) 干涉和衍射現(xiàn)象從本質(zhì)上看是有聯(lián)系的 但從產(chǎn)生條件和圖樣上看二者有顯著的不同 在實際問題中要注意區(qū)分它們 變式訓練2關(guān)于光的干涉 衍射及其應用 下列說法中正確的是 A 在光的干涉和衍射現(xiàn)象中 都出現(xiàn)明暗相間的單色條紋或彩色條紋 因此干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象是相同的B 水面上的油層在陽光的照射下出現(xiàn)彩色條紋是干涉現(xiàn)象 泊松亮斑是衍射現(xiàn)象C 增透膜增加透射光 減小反射光是利用了光的干涉D 激光防偽商標 看起來是彩色的 這是光的干涉現(xiàn)象 解析 選BCD 光的干涉和衍射雖然有很多共性 但屬于不同的光現(xiàn)象 A項錯誤 油膜的彩色條紋是薄膜干涉產(chǎn)生的 泊松亮斑是很小的圓斑 是光衍射產(chǎn)生的 B項正確 增透膜的作用是增加透射光的強度 減小反射光的損失 厚度應等于光波在膜中波長的1 4 其原理利用了光的干涉 C項正確 激光防偽商標的彩色條紋是薄膜干涉引起的 D項正確 如圖4 3 7所示 電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B 人眼在P處迎著入射光方向 看不到光亮 則 圖4 3 7 A 圖中a光為偏振光B 圖中b光為偏振光C 以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180 后 在P處將看到光亮D 以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90 后 在P處將看到光亮 精講精析 自然光沿各個方向發(fā)散是均勻分布的 通過偏振片后 透射光是只有沿著某一特定方向振動的光 從電燈直接發(fā)出的光為自然光 則A錯 它通過A偏振片后 即變?yōu)槠窆?則B對 設通過A的光沿豎直方向振動 則B偏振片只能通過沿水平方向振動的偏振光 則P點無光亮 將B轉(zhuǎn)過180 后 P處仍無光亮 即C錯 若將B轉(zhuǎn)過90 則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^豎直方向上振動的光的偏振片 則偏振光能通過B 即在P處有光亮 亦即D對 答案 BD 方法總結(jié) 自然光通過偏振片后 變?yōu)槠窆?前面的偏振片稱為起偏器 后面的偏振片稱為檢偏器 轉(zhuǎn)動后偏振片 屏上光的強度有變化 說明兩偏振片之間的光為偏振光 變式訓練3在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q 在Q的后邊放上光屏 以下說法正確的是 A Q不動 旋轉(zhuǎn)偏振片P 屏上光的亮度不變B Q不動 旋轉(zhuǎn)偏振片P 屏上光的亮度時強時弱C P不動 旋轉(zhuǎn)偏振片Q 屏上光的亮度不變D P不動 旋轉(zhuǎn)偏振片Q 屏上光的亮度時強時弱 解析 選BD P是起偏器 它的作用是把太陽光 自然光 轉(zhuǎn)化為偏振光 該偏振光的振動方向與P的透振方向一致 所以當Q與P的透振方向平行時 光通過Q的光強最大 當Q與P的透振方向垂直時 光通過Q的光強最小 即無論旋轉(zhuǎn)Q或P 屏上的光強都是時強時弱的 所以選項B D正確 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全