高中物理选择性必修一第6节 光的偏振 激光.docx
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高中物理选择性必修一第6节光的偏振激光
第6节 光的偏振 激光
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.认识振动中的偏振现象。
2.了解偏振光和自然光的区别,从光的偏振现象知道光是横波。
3.了解激光的特点和应用,应用激光观察全息照片。
掌握偏振及激光的应用。
体验现代科技的神奇、培养对科学的兴趣。
知识点一 偏振、光的偏振、偏振现象的应用
[观图助学]
如图
所示是立体电影中的图片。
为什么立体电影会产生如此神奇的效果?
提示 立体电影同时放映着从不同角度同时拍摄的场景,且这两台放映机采用互相垂直的偏振光进行放映,只有戴上偏振方向也互相垂直的偏振光眼镜,才能保证每只眼镜正好通过与其检偏方向相同的偏振光,再经人的大脑整合,形成强烈立体感的场景。
1.横波与纵波的特点
横波中各点的振动方向总与波的传播方向垂直。
纵波中,各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上。
横波有偏振现象。
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,沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
(2)偏振光:
在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光。
3.光的偏振
偏振现象
只有沿偏振片的“透射方向”振动的光波才能通过偏振片
结论
偏振现象表明,光是一种横波
偏振光的形成
①自然光通过偏振片后,得到偏振光
②自然光在介质表面反射时,反射光和折射光都是偏振光
偏振现象的应用
①把偏振片装在照相机镜头前
②电子表的液晶显示
[思考判断]
(1)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。
(×)
(2)自然光通过偏振片后成为偏振光。
(√)
(3)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。
(√)
(4)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直,偏振光不能透过偏振片。
(√)
(5)光的偏振现象说明光是一种纵波。
(×)
(6)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。
(×)
只有横波才存在偏振现象,纵波不存在偏振现象。
起偏器和检偏器都是偏振片。
知识点二 激 光
激光的特点及其应用
特点
性质
应用
相干性
只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。
激光是一种人工产生的相干光,具有高度的相干性
光纤通信
平行度
激光的平行度非常好,在传播很远的距离后仍能保持一定的强度
精确的测距;读取光盘上记录的信息等
高亮度
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
用激光束切割、焊接;医学上可以用激光做“光刀”;激发核反应等
[思考判断]
(1)激光是自然界普遍存在的一种光。
(×)
(2)激光是一种人工产生的相干光。
(√)
(3)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点。
(√)
(4)激光精确测距利用激光的平行度好的特点。
(√)
(5)激光切割利用激光平行度好的特点。
(×)
自然界中并不存在激光。
激光笔应用了激光平行度好的特点。
核心要点
自然光和偏振光
[观察探究]
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?
提示 会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。
[探究归纳]
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,只有沿着某个特定方向振动的光波才能顺利通过偏振片,这个方向叫作“透振方向”。
2.光的偏振现象表明光是横波。
3.自然光与偏振光的比较
自然光(非偏振光)
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
[试题案例]
[例1](多选)
如图所示,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( )
A.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会最弱,几乎为零
C.将A、B中的任意一个绕OO′轴旋转90°,屏上透射光的强度都会最弱,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,光屏上光的强度最大;当二者透振方向垂直时,光屏上光的强度最弱,几乎为零,由此可知选项A、C正确。
答案 AC
方法凝炼
(1)自然光通过一个偏振片成为偏振光,透射光的偏振方向与偏振片的放置有关,但光的强度与偏振片的方向无关。
(2)偏振光通过偏振片时,透光的强度与偏振光的振动方向和偏振片的透振方向的夹角大小有关。
[针对训练1]如图所示,让太阳光(自然光)通过M上的小孔S后照射到M右方的偏振片P上,P的右侧再放一光屏Q,现使P绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周,则关于光屏Q上的亮度变化情况,下列判断中正确的是( )
A.只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮,其他位置时光屏上无亮光
B.光屏上亮度基本不变
C.光屏上亮、暗交替变化出现
D.光屏上只有一条亮线随偏振片的转动而转动
解析 太阳光是自然光,光在垂直于光的传播方向的平面内,光的振动沿任意方向,且各个方向上的光振动强度相同,所以旋转偏振片只能改变光振动的方向,不能改变光的强度。
答案 B
核心要点
激光及其应用
[要点归纳]
激光与自然光的区别
自然光
激光
原子的发光方向及时刻不确定
原子的发光方向及时刻相同
颜色多样
颜色单一
不能发生干涉
能发生干涉
非相干光
人工产生的相干光
传播中发散严重
平行度好、传播中几乎不发散
亮度远远小于激光
亮度高
[试题案例]
[例2](多选)关于激光与自然光,下列说法正确的是( )
A.激光是只含一种频率的光,而自然光是含有各种色光频率的光,所以激光的相干性好
B.自然光是由物质的原子发射出来的,而激光是人工产生的,所以激光不是由物质的原子发射出来的
C.激光和自然光都具有相同的本质,它们都具有波动特性
D.相干性好是激光与普通光的根本区别
解析 激光的频率也有一定的范围,不能错误地理解激光单色性好的含义,所有的光都是由物质的原子发射的,故A、B项错误。
答案 CD
方法凝炼 激光的特点、作用以及与其对应的应用
特点
作用
应用实例
相干性好
可进行调制、传递信息
光纤通信、全息照相
平行度好
传播很远距离仍能保持一定强度,可精确测距、测速
激光雷达
可会聚于很小的一点,记录信息密度高
DVD、VCD、CD机、计算机光驱
亮度高
可在很小空间、短时间内集中很大能量
激光切割、焊接、打孔、医疗手术
[针对训练2]激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用广泛。
下面关于激光的叙述正确的是( )
A.激光是纵波
B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C.两束频率不同的激光能产生干涉现象
D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
解析 激光是横波,A项错误;由公式v=λf和n=
可知频率相同的激光在不同介质中的波长不同,B项错误;两束频率不同的光无法形成干涉,C项错误;测距利用的是激光的平行度好的特点,D项正确。
答案 D
1.(对光的偏振的理解)下列关于偏振光的说法正确的是( )
A.自然光就是偏振光
B.沿着一个特定方向传播的光叫偏振光
C.沿着一个特定方向振动的光叫偏振光
D.单色光就是偏振光
解析 自然光不是偏振光,A错误;在某个确定方向上振动的光称为偏振光,B错误,C正确;单色光是指光的频率单一,偏振光是指光的振动方向单一,它们之间没有联系,即单色光可以是偏振光,也可以不是偏振光,D错误。
答案 C
2.(光的偏振)
如图所示,让自然光照射到P、Q两偏振片上,当P、Q两偏振片的透振方向夹角为多少度时,透射光的强度最弱( )
A.0°B.30°C.60°D.90°
解析 两偏振片透振方向相同时透过的偏振光最强,两偏振片透振方向垂直时几乎没有偏振光透过。
故选项D正确。
答案 D
3.(光的偏振的应用)夜晚,汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车的司机照射得睁不开眼睛,影响行车安全,若将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃,使双方司机都看不见对方耀眼的灯光,但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体,则所有的汽车前窗玻璃、前灯玻璃的透振方向应该是( )
A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向是水平的
B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向也是竖直的
C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D.前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
解析 如果每辆汽车的前灯玻璃和司机座位前面的玻璃都改为偏振玻璃,并使它们的透振方向都跟水平方向成45°,就可以解决这个问题。
这时,从对面车灯射来的偏振光,由于振动方向跟司机座位前玻璃上的透振方向垂直,所以不会射进司机眼里;而从自己车灯射出去的偏振光,由于振动方向跟自己窗玻璃上的透振方向相同,所以司机仍能看清自己车灯照亮的路面和物体。
答案 D
4.(激光的应用)关于激光的应用问题,下列说法中正确的是( )
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点,使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光相干性强的特点
C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
解析 由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性强,A错误;计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好,B错误;医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点,C正确;激光测距利用的是激光的平行度好的特点,D错误。
答案 C
基础过关
1.在拍摄日落时水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振片,其目的是( )
A.减弱反射光,从而使景物的像清晰
B.增强反射光,从而使景物的像清晰
C.增强透射光,从而使景物的像清晰
D.减弱透射光,从而使景物的像清晰
解析 由于反射光的干扰,景物的像常常比较模糊,装上透振方向与反射光的振动方向垂直的偏振片的目的是减弱反射光,但不能增强透射光。
答案 A
2.
如图所示,白炽灯的右侧依次放置偏振片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( )
A.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 旋转偏振片P,A处得到的是强度始终相同的偏振光,偏振光再经过偏振片Q,在B处的光强随着P的转动而变化,当Q的透振方向与经过P的偏振光的振动方向垂直时,B处的光强最弱,选项C正确。
答案 C
3.(多选)关于光的偏振现象,下列说法正确的是( )
A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同
B.自然光在水面反射时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光
C.光的偏振现象说明光是一种纵波
D.光的偏振现象说明光是一种横波
解析 自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动,且各个方向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向上沿某个方向振动,选项A错误;自然光在水面反射时,反射光和折射光的振动方向不同,但都是一定程度的偏振光,所以选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误,D正确。
答案 BD
4.一束光由真空入射到平面玻璃上,当其折射角为30°时,反射光和折射光恰好是振动方向互相垂直的偏振光。
因此,可以推断出玻璃的折射率为( )
A.
B.
C.
D.
解析 由题意知入射角i=60°,由光的折射定律得n=
,解得n=
。
答案 B
5.(多选)如图所示,
一玻璃柱体的横截面为半圆形,让太阳光或白炽灯光通过狭缝S形成细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和透射光束2。
现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动,使反射光束1和透射光束2恰好垂直。
在入射光束的方向上加偏振片P,偏振片与入射光束垂直,其透振方向在纸面内,这时看到的现象是( )
A.反射光束1消失
B.透射光束2消失
C.反射光束1和透射光束2都消失
D.偏振片P以入射光束为轴旋转90°,透射光束2消失
解析 自然光射到界面上,当反射光与折射光垂直时,反射光和折射光的偏振方向相互垂直,且反射光的偏振方向与纸面垂直,折射光的偏振方向与纸面平行,因此当在入射光束方向上垂直放上透振方向在纸面内的偏振片P时,因垂直于纸面无光,反射光束1消失,选项A正确,B、C错误;偏振片转动90°,平行于纸面内的光消失,则透射光束2消失,选项D正确。
答案 AD
6.(多选)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.激光已经深入到我们生活的各个方面
解析 激光是自然界中没有的一种光,它是人工产生的相干光,在生活中已得到广泛应用,故C、D选项正确。
答案 CD
7.关于激光的应用问题,下列说法中正确的是( )
A.全息照相是利用激光平行度非常好的特点
B.“激光测距雷达”是利用激光平行度好的特点
C.用激光束来切割或焊接很硬的材料是利用激光平行度好的特点
D.用激光读取DVD光盘上的信息是利用激光有相干性的特点
解析 全息照相利用了激光相干性好的特性,故A错误;“激光测距雷达”和用激光读取DVD光盘上的信息利用了激光平行度好的特点,故B正确,D错误;用激光束切割或焊接是利用激光能量高的特点,故C错误。
答案 B
8.纳米科技是跨世纪新科技,使激光束的宽度在纳米级范围内,可恢复人体已损坏的器官,对DNA分子进行超微型基因修复,把至今尚令人类无奈的癌症彻底根除,这主要是利用激光的( )
A.单色性B.方向性
C.高能量D.偏振性
解析 激光由于能把巨大能量高度集中地辐射出来,所以在医学上作“光刀”切开皮肤、切除肿瘤或做其他外科手术。
答案 C
9.在双缝干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片,若两个偏振片的透振方向互相垂直,则( )
A.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度减小
B.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度增大
C.干涉条纹消失,但仍有光射到光屏上
D.干涉条纹消失,光屏上一片黑暗
解析 振动方向垂直,叠加不会出现加强和减弱。
答案 C
10.如图所示,让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片P或Q,可以看到透射光的强度会发生变化,这是光的偏振现象。
这个实验说明( )
A.光是电磁波B.光是一种横波
C.光是一种纵波D.光是概率波
解析 偏振现象是横波特有的,光的偏振现象说明光是一种横波,选项B正确。
答案 B
能力提升
11.如图所示,S为一点光源,P、Q是偏振片,R是一光敏电阻,R1、R2是定值电阻,电流表和电压表均为理想电表,电源电动势为E,内阻为r。
当偏振片Q由图示位置转动90°的过程中,电流表和电压表的示数变化情况为( )
A.电流表的示数变大,电压表的示数变小
B.电流表的示数变大,电压表的示数变大
C.电流表的示数变小,电压表的示数变大
D.电流表的示数变小,电压表的示数变小
解析 由题图可知偏振片Q转过90°时,几乎没有光同时透过P、Q两偏振片,则光敏电阻阻值变大,电路的总电阻变大,总电流变小,内电压变小,路端电压变大,故电压表示数变大;由于总电流变小,所以电阻R1上的分压变小,因此电阻R2上的分压变大,所以电流表的示数也变大,故B正确。
答案 B
12.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理,利用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,已知“散斑对”的间距d与待测物体的速度v、二次曝光的时间间隔Δt之间满足关系式d=KvΔt,其中K为常数。
实验中可以测得二次曝光的时间间隔Δt和“散斑对”到屏的距离L及相邻两条亮纹的间距Δx。
若所用激光的波长为λ,则利用该实验确定物体速度的表达式是( )
A.v=
B.v=
C.v=
D.v=
解析 依题意,双缝间距d=KvΔt,由Δx=
,解得v=
,即选项C正确。
答案 C
13.一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光,每道闪光称为一个光脉冲,若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10-11s,波长为694.3nm,发射功率为1.0×1010W。
(1)每列光脉冲的长度是多少?
(2)用红宝石激光照射皮肤色斑,每1cm2吸收能量达到60J以后,色斑便逐渐消失,一颗色斑的面积为50mm2,则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失?
解析
(1)光脉冲持续时间即发射一个光脉冲所需的时间。
一个光脉冲长度Δl=c·Δt=3.0×108×1.0×10-11m=3.0×10-3m。
(2)一个光脉冲所携带的能量
ΔE=P·Δt=1.0×1010×1.0×10-11J=0.1J。
消除面积为50mm2的色斑需要光脉冲数为
n=
=
=300(个)。
答案
(1)3.0×10-3m
(2)300个
14.利用激光遇到物体发生反射,可以测定物体的有关参量。
如图甲所示,B是固定的集激光发射和接收于一体的装置,C为一辆在水平地面上做匀速直线运动的小车。
现使B对准正在行驶的小车C,每隔一个固定时间T0发射一激光脉冲,如图乙中幅度大的波形所示;而B接收到的由小车C反射回来的脉冲,如图乙中幅度小的波形所示。
发射和接收激光脉冲的时间间隔如图乙所示,T0、T、ΔT均已知,设光在空气中的传播速度为c。
请根据以上所给信息:
(1)判断小车的运动方向(“向左”或“向右”);
(2)计算小车速度的大小。
解析
(1)由于激光发射装置B每隔一个固定时间T0发射一激光脉冲,若小车不动,从发射激光脉冲到接收到返回的激光脉冲的时间间隔应该是恒定的,而从题图乙的波形看,从发射到接收的时间间隔逐渐增大,因此可以判断小车C的运动方向与激光发射的方向相同,即小车向右运动。
(2)画出运动示意图如图所示。
s=OD-OA=c(t2-t1)
t2-t1=
-
小车从A运动到D所用的时间为
t′=T0-
+
=T0+
s=v·t′
解得v=
答案
(1)小车向右运动
(2)
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