6 第5节 光的衍射第6节 光的偏振.docx
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6第5节光的衍射第6节光的偏振
第5节 光的衍射
第6节 光的偏振
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.
一、光的衍射
1.光的衍射现象
(1)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.
(2)泊松亮斑:
障碍物的衍射现象.
各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,使影的轮廓模糊不清.若在单色光传播途中,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.
2.产生明显衍射现象的条件:
障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比,甚至比光的波长还要小.
3.衍射光栅
(1)结构:
有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件.狭缝的个数越多,衍射条纹的宽度越窄,亮度越高.
(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:
透射光栅和反射光栅.
二、光的偏振
1.偏振现象
(1)自然光:
由太阳、电灯等普通光源发出的光,它包含着在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光,而且沿各个方向振动的光波的强度都相同.
(2)偏振光:
自然光垂直透过某一偏振片后,在垂直于传播方向的平面上,沿着某一特定方向振动的光.自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面的反射光和折射光都是偏振光,入射角变化时偏振的程度也有所变化.
(3)只有横波才有偏振现象.
2.偏振现象的应用
(1)摄影中应用偏振光:
为了消除反射光的影响,在镜头前安装一片偏振滤光片,让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直,减弱了反射光进入镜头.
(2)电子表的液晶显示屏:
在两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒,液晶具有各向异性的属性,特别是当偏振光经过液晶时,其振动方向会旋转90°,利用这种特性控制光通过或不通过,从而显示数字的形状.
想一想 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,从中间向两侧逐渐变窄、变暗;干涉条纹是等间距的条纹,宽度和亮度相同.
判一判
(1)只有横波才能发生偏振,纵波不能发生偏振.( )
(2)光的偏振现象证明光是横波.( )
(3)自然界不存在偏振光,自然光只有通过偏振片才能变为偏振光.( )
提示:
(1)√
(2)√ (3)×
光的衍射和衍射图样
1.光的衍射现象和光的直线传播的关系:
光的直线传播只是一个近似的规律,当光的波长比障碍物或小孔尺寸小得多时,光可以看成沿直线传播;在小孔或障碍物尺寸可以跟波长相比,甚至比波长还要小时,衍射现象就十分明显.
2.三种衍射图样的比较
三种衍射图样如图所示:
(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,越靠外,条纹间距越小,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用白光做单缝衍射实验时,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)圆孔衍射图样
①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,且越靠外,圆形亮条纹的亮度越弱,宽度越小.
②圆孔越小,中央亮斑的直径越大,同时亮度越弱.
③用不同色光照射圆孔时,得到的衍射图样的大小和位置不同,波长越大,中央圆形亮斑的直径越大.
④白光的圆孔衍射图样中,中央是大且亮的白色光斑,周围是彩色同心圆环.
⑤只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样.在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏上依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样).
(3)圆屏衍射图样(泊松亮斑)
①中央是亮斑.
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.
命题视角1 明显衍射现象的产生
让太阳光垂直照射一块遮光板,板上有一个可以自由收缩的三角形孔,当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时,在孔后的屏上将先后出现( )
A.由大变小的三角形光斑,直至光斑消失
B.由大变小的三角形光斑,明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失
C.由大变小的三角形光斑,明暗相间的黑白色条纹,直至条纹消失
D.由大变小的三角形光斑,小圆形的光斑,明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失
[解析] 当孔足够大时,由于光的直线传播,所以屏上首先出现的是三角形光斑,之后随着小孔的继续缩小,出现小孔成像,成的是太阳的像,故为小圆形光斑,随着小孔的进一步缩小,当尺寸与光波波长相当时,出现了明暗相间的衍射条纹,最后随小孔的闭合而全部消失,所以只有D是正确的.
[答案] D
命题视角2 影响衍射图样的因素
(多选)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
(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.(2018·上海普陀区高二调研)用单色光通过小圆盘和小圆孔做衍射实验时,在光屏上得到衍射图形,它们的特征是( )
A.中央均为亮点的同心圆形条纹
B.中央均为暗点的同心圆形条纹
C.用小圆盘时中央是暗的,用小圆孔时中央是亮的
D.用小圆盘时中央是亮的,用小圆孔时中央是暗的
解析:
选A.圆孔衍射实验图样,与单色光通过小圆盘得到的泊松亮斑,它们中央均为亮点的同心圆形条纹.故A正确,B、C、D错误.
光的偏振现象的理解和应用
1.偏振片和透振方向:
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,只有沿着这个特定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.光的偏振现象表明光是一种横波.
3.自然光与偏振光的比较
自然光
偏振光
不同点
光的
来源
直接从光源发出的光
自然光通过起偏器后的光或由某种介质反射或折射的光
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波的强度都相同
在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿某个特定方向(与起偏器透振方向一致)
相同点
不管是自然光还是偏振光,传播方向与振动方向一定垂直
关于自然光和偏振光,下列观点正确的是( )
A.自然光能产生干涉和衍射现象,而偏振光却不能
B.只有自然光透过偏振片才能获得偏振光
C.自然光只能是白色光,而偏振光不能是白色光
D.自然光和偏振光都能使感光底片感光
[解题探究]
(1)自然光和偏振光都能产生干涉和衍射现象吗?
(2)自然光和偏振光的振动方向有什么区别?
[解析] 振动沿各个方向均匀分布的光是自然光,而振动沿着特定方向的光是偏振光,但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射,所以A错.光的偏振现象并不罕见,除了从光源直接发出的光以外,我们通常看到的绝大部分光,都是偏振光,所以B错.光的颜色由光的频率决定,与光的振动方向无关,所以C错.自然光和偏振光都具有能量,都能使感光底片感光,D对.
[答案] D
(1)偏振片是由特殊材料制成的,每个偏振片都有特定的透振方向,沿与透振方向垂直振动的光不能透过偏振片.
(2)获得偏振光的两种方式
①让自然光通过偏振片;
②自然光射到两种介质的分界面上,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直.
2.(多选)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仍是自然光
D.太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光
解析:
选BD.本题可由自然光和偏振光的定义解决.光源发出的光,沿着各个方向振动的光的强度都相同,叫做自然光.振动方向一定的光叫做偏振光.
单缝衍射与双缝干涉的比较
单缝衍射与双缝干涉的比较
名称项目
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
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,两边变暗
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
如图所示,甲、乙、丙、丁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( )
A.甲、乙是光的干涉图样
B.丙、丁是光的干涉图样
C.形成甲图样的光的波长比形成乙图样光的波长短
D.形成丙图样的光的波长比形成丁图样光的波长短
[解析] 干涉条纹是等距离的条纹,因此甲、乙图是干涉图样,丙、丁图是衍射图样,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,所以甲图样的光的波长比乙图样的光的波长长,故C项错误;丙图样的光的波长比丁图样的光的波长长,故D项错误.
[答案] A
3.(2018·宁夏育才中学高二月考)在杨氏双缝干涉实验中,正确的有( )
A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源,屏上将呈现红白相间的条纹
C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹
D.用紫光作为光源,遮住其中一条狭缝,屏上将呈现间距不等的条纹
解析:
选D.白光作杨氏双缝干涉实验,屏上将呈现中央条纹为白色亮条纹而两边对称出现彩色条纹,A错;用红光作光源,屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹,故B错;用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,由于频率不同,发生不了干涉现象,屏上将不出现干涉条纹,故C错;紫光作光源,遮住一条狭缝,屏上出现单缝衍射条纹,即间距不等的条纹,D对.
[随堂检测]
1.(多选)下列说法中正确的是( )
A.光振动沿各个方向均匀分布的光是自然光
B.光振动沿各个方向均匀分布的光是偏振光
C.光振动沿特定方向的光才是偏振光
D.光振动沿特定方向的光才是自然光
解析:
选AC.根据自然光、偏振光的概念易判断出选项A、C正确.
2.(2018·四川遂宁中学高二期中)如图所示的4种明暗相间的条纹,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).则在下面的四个图中从左往右排列,哪个图是黄光形成的条纹( )
解析:
选D.双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹,所有条纹宽度相同且等间距,故A、C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;单缝衍射条纹是中间明亮且宽大,越向两侧宽度越小越暗,而波长越大,中央亮条纹越粗,故B、D是衍射图样,紫光波长较短,则中央亮条纹较细,故B是紫光的衍射条纹,D是黄光的衍射条纹.
3.(2018·唐山高二检测)在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样,下列四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是( )
A.a、c B.b、c
C.a、dD.b、d
解析:
选D.a为双缝干涉,b为单色光单缝衍射,c为圆孔衍射,d为白光单缝衍射,故选D.
4.观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2mm逐渐增大到0.8mm,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,选项B、C、D错误.
[课时作业][学生用书P115(单独成册)]
一、单项选择题
1.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:
选D.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.
2.某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后,分别得到如图所示的衍射图样.据此可以判断出( )
A.甲是光线射到圆孔后的衍射图样,乙是光线射到圆板后的衍射图样
B.乙是光线射到圆孔后的衍射图样,甲是光线射到圆板后的衍射图样
C.甲、乙都是光线射到圆孔后的衍射图样,甲孔的直径较大
D.甲、乙都是光线射到圆板后的衍射图样,乙板的直径较大
解析:
选A.甲图的衍射图样为明暗相间的圆环,而乙图为在影的中心有一个亮斑——泊松亮斑,故甲为光线通过圆孔后形成的衍射图样,乙为光线射到不透光的圆板上形成的衍射图样,A正确.
3.在观察光的衍射现象的实验中,通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝观看远处的线状白炽灯丝(灯丝或灯管都要平行于狭缝),可以看到( )
A.黑白相间的直条纹
B.黑白相间的弧状条纹
C.彩色的直条纹
D.彩色的弧状条纹
解析:
选C.白炽灯(或日光灯管)发出的光是复色光,其中各种色光的波长不同,产生的单缝衍射的图样中条纹宽度和间距都不相同,因此各单色光亮纹或暗纹不能完全重叠在一起,所以成为彩色条纹,因为是通过狭缝观看,所以是彩色直条纹,故选项C正确,A、B、D错误.
4.一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,而中央明条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的明条纹
D.无条纹,只存在一片红光
解析:
选B.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:
中央都出现明条纹,但衍射图样中央明条纹较宽,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,所以本题正确选项为B.
5.(2018·冀州中学高二检测)将两个偏振片紧靠在一起,放在一盏灯的前面,眼睛通过偏振片看到的光很弱.如果将其中一个偏振片旋转180°,在旋转过程中会观察到( )
A.灯光逐渐增强,然后逐渐减弱
B.灯光强度保持不变
C.灯光逐渐增强,没有减弱现象
D.灯光逐渐增强,再减弱,然后增强到最亮
解析:
选A.眼睛通过两偏振片看到的光很弱,是因为两偏振片的透振方向垂直,在旋转其中一个偏振片的过程中,透振方向逐渐一致,光逐渐增强,当两个偏振片的透振方向一致时,光线最强,继续旋转偏振片时,透振方向又逐渐偏离,光线逐渐减弱,所以选项A正确.
6.抽制细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同.则( )
①这是利用光的干涉现象 ②这是利用光的衍射现象
③如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗了 ④如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细了
A.①③B.②④
C.①④D.②③
解析:
选B.由题意知,激光束经过细丝时在光屏上产生的条纹是衍射条纹,所以本装置利用了光的衍射,①错误,②正确;根据衍射规律得:
细丝变细,会使条纹更宽,所以③错误,④正确;综上所述,本题的正确选项为B.
二、多项选择题
7.(2018·天津一中高二期中)如图,P是偏振片,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°振动的光
解析:
选ABD.太阳光包含垂直传播方向向各个方向振动的光,当太阳光照射P时能在P的另一侧观察到偏振光,故A正确;沿竖直方向振动的光能通过偏振片,故B正确;沿水平方向振动的光不能通过偏振片,因为它们相互垂直,故C是错误的;沿与竖直方向成45°振动的光也能通过偏振片,故D正确.
8.(2018·宁夏育才中学勤行校区高二月考)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十几米,天气变黄发暗,这是由于这种情况下( )
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.只有频率较大的一部分光才能到达地面
D.只有频率较小的一部分光才能到达地面
解析:
选BD.波长较短的光容易被障碍物挡住,不能到达地面,波长较长的光更容易发生衍射而透过沙尘间的缝隙到达地面,故A错误,B正确;波长越长的光其频率越低,所以频率较低的光能到达地面,故C错误,D正确.
9.(2018·辽宁锦州高二期末)下列说法正确的是( )
A.光纤通信是利用了全反射的原理
B.水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色,这是由于光的衍射造成的
C.障碍物的尺寸比光的波长大得多时,一定不会发生衍射现象
D.人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的单缝衍射图样
E.水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水中射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射的缘故
解析:
选ADE.光纤通信是利用了光的全反射原理制成的,故A正确;水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色,这是由于油膜的上下表面对光的干涉形成的,故B错误;障碍物的尺寸比光的波长大得多时,也会发生衍射现象,只不过不明显,故C错误;人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的衍射图样,故D正确;气泡看起来特别明亮,是因为光从水射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射的缘故,故E正确.
10.(2018·宁波效实中学高二期中)做单缝衍射实验和双缝干涉实验时,用激光比普通光源效果更好,图象更清晰.如图甲所示,如果将感光元件置于光屏上,则不仅能在光屏上看到彩色条纹,还能通过感光元件中的信号转换,在电脑上看到光强的分布情况.下列说法正确的是( )
A.做单缝实验时,光强分布图如乙所示
B.做单缝实验时,光强分布图如丙所示
C.做双缝实验时,光强分布图如乙所示
D.做双缝实验时,光强分布图如丙所示
解析:
选AD.双缝干涉条纹等间距,单缝衍射条纹一定不等间距,即中央宽、两边窄的明暗相间的条纹.若做单缝实验时,光强分布图如乙所示,故A正确,B错误;若做双缝实验时,光强分布图如丙所示,故C错误,D正确.
三、非选择题
11.某同学利用图甲所示的装置研究光的干涉和衍射,光电传感器可用来测量光屏上光强的分布.某次实验时,在电脑屏幕上得到图乙所示的光强分布,这位同学在缝屏上安装的是________(选填“单缝”或“双缝”).当做干涉现象研究时,若要使干涉条纹的间距变大,可选用宽度较________(选填“宽”或“窄”)的双缝,或使缝屏与光屏间的距离________(选填“增大”或“减小”).
解析:
由乙图可知,条纹中间亮、两边窄,知是衍射条纹,故在缝屏上安装的是单缝;由Δx=
λ知要使干涉条纹间距变大,双缝的宽度需减小,即选择宽度较窄的双缝或使双缝与光屏间的距离增大.
答案:
单缝 窄 增大
12.(2018·攀枝花三中高二检测)如图所示,杨氏双缝实验中,下述情况能否看到干涉条纹?
说明理由.
(1)在单色自然光源S后加一偏振片P.
(2)在
(1)情况下,再加P1、P2,P1与P2透振方向垂直.
解析:
(1)到达S1、S2的光是从同一偏振光分解出来的,它们满足相干条件,故能看到干涉条纹.
(2)由于从P1、P2射出的光透振方向相互垂直,不满足干涉条件,若P1和P2中有一个与P的透振方向垂直,在光屏上也没有其中之一的光波,两振动方向相互垂直的光不能产生干涉现象,故不能看到与双缝平行的干涉条纹.
答案:
见解析
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