浙江省2018-2019版高中物理 第十三章 光 第4課時 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　光的衍射　光的偏振 [研究選考把握考情] 知識內(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.會用激光筆和光傳感器做單縫衍射實驗 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，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相比，甚至比光的波長還小的時候，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，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，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白色條紋。 ②波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大。 (2)圓孔衍射： 光通過小孔(孔很小)時，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)傳播途中放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個亮斑，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】 在單縫衍射實驗中，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 解析　當(dāng)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(yuǎn)，條紋間距也越大，A，C正確；當(dāng)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，B錯誤；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，D正確。 答案　ACD 知識點(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　對于透射光柵來說，當(dāng)光照到刻痕上時，由于光發(fā)生漫反射而不能透過，故選項C錯誤，A、B、D正確。 答案　ABD 知識點(diǎn)三　光的偏振 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.偏振片：由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿著這個方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個方向叫做“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的光，而且沿各個方向振動的光波的強(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，只沿著某個特定的方向振動，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，而不是刻上的真實狹縫。 2.只要光的振動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 光的振動方向 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿所有方向，且沿各個方向振動的光強(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)一個液晶盒，可以控制光線顯示數(shù)字。 (3)夜晚行車時，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，且各個方向的光強(qiáng)度相同，所以旋轉(zhuǎn)偏振片P時各方向透射光強(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，只有與Q的偏振方向一致時才有光透過Q，因此B點(diǎn)的光強(qiáng)有變化，選項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.只有波長較短的一部分光才能到達(dá)地面 B.只有波長較長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，只有波長較長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A、B的透振方向平行 B.只有將B繞OO′軸順時針旋轉(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，光屏上光的強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)二者透振方向垂直時，光屏上光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零，由此可知選項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出偏振光的振動方向 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.拍攝日落時水面下的景物時，在照相機(jī)鏡頭前裝一個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備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.對于光的衍射現(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相比相差不大甚至比波長還要小的時候，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A正確。 答案　A 3.在一次觀察光衍射的實驗中，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D正確。 答案　D 4.如圖2所示，a、b、c、d四個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圖樣的光的波長比形成b圖樣的光的波長短 D.形成c圖樣的光的波長比形成d圖樣的光的波長短 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項正確，B項錯誤；由公式Δx＝λ可知，條紋寬的入射光的波長長，所以a圖樣的光的波長比b圖樣的光的波長長，故C項錯誤；c圖樣的光的波長比d圖樣的光的波長長，故D項錯誤。 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.影子的存在是一個與衍射現(xiàn)象相矛盾的客觀事實 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)大于波長時，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大很多時，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.在光的單縫衍射實驗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)會有不同的現(xiàn)象；光的偏振現(xiàn)象說明光的振動方向與傳播方向垂直，即說明光是橫波，所以選項D正確。 答案　D 10.奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標(biāo)，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量。偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度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的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了。如圖4所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動B，使到達(dá)O處的光最強(qiáng)，然后將被測樣品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)度會明顯減弱 B.到達(dá)O處光的強(qiáng)度不會明顯減弱 C.將偏振片B轉(zhuǎn)動一個角度，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)動一個角度，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偏振片，以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片，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，反射光是偏振光 C.日落時分，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　自然光通過第一個偏振片后形成單一振動方向的偏振光，再通過第二個偏振片時，若偏振片的透振方向與此偏振光的振動方向垂直，則無光透過第二個偏振片，若二者平行則透射光最強(qiáng)，故選項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，反射光線和折射光線都是偏振光且偏振方向垂直，選項B反映了光的偏振；拍攝水中景物或玻璃櫥窗中景物時，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(用實線表示透振方向)，下列四種光束中，哪幾種照射P時能在P的另一側(cè)觀察到透射光(　　) 圖5 A.太陽光 B.沿豎直方向振動的光 C.沿水平方向振動的光 D.沿與豎直方向成45角振動的光 解析　只要光的振動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(qiáng)時弱 C.P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上的光的亮度不變 D.P不動，旋轉(zhuǎn)偏振片Q，屏上光的亮度時強(qiáng)時弱 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?，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當(dāng)Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強(qiáng)最大；當(dāng)Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強(qiáng)最小，即無論旋轉(zhuǎn)P或Q，屏上的光強(qiáng)都是時強(qiáng)時弱的。 答案　BD