2019-2020年高中物理 第四章4.7 《激光》教案 粵教版選修3-4.doc
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激光 【教學目的】 1、了解激光的特點 2、了解激光的應用 【教學重點】 激光的應用 【教學難點】 為什么激光具有特殊的性質 【課時安排】 1課時 【教學過程】 2019-2020年高中物理 第四章4.7 《激光》教案 粵教版選修3-4 從偏振的介紹我們發(fā)現(xiàn),光波作為一種電磁波,比起機械橫波有它的復雜性。本節(jié)課,我們將介紹一種特殊的光波,以及它的應用—— 一、激光 1、概念:激光準確內(nèi)涵是“來自受激輻射的放大、增強的光”。由于它的英文全稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ,可以被縮寫為Laser ,中文也常常音譯為“鐳射”。 2、產(chǎn)生機理: a、設置工作物質(發(fā)光物質——可以是氣體、液體或固體); b、泵浦——*能把大量的處于基態(tài)能級的電子激發(fā)到高能級上去的裝置。常見的泵浦有光源、化學能源(固體工作物質多用光照射法,氣體工作物質多用放電法)(補充能量)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉——*屬于高能態(tài)的電子比屬于低能態(tài)的電子數(shù)多(所謂“反轉”,是因為這種狀況突破了“正?!钡牟6澛植家?guī)律)→受激輻射; c、諧振腔(內(nèi)連續(xù)來回反射、振蕩)誘發(fā)同性質的躍遷→使同頻率、同相位的受激輻射得以放大。 3、激光的特點:a、單色性;b、方向性;c、相干性;d、高亮度(能量)。 4、發(fā)展大事記: a、1916年,愛因斯坦提出“受激輻射”(和“自發(fā)輻射”對立)理論; b、1928年,德國的光譜學家拉登堡(R.W.Ladenburg)發(fā)現(xiàn)“負色散現(xiàn)象”; c、1947年,蘭姆(W.E.Lamb ,jr.)和雷瑟福(R.C.Retherford)指出,通過粒子數(shù)反轉可以期望實現(xiàn)感應輻射(即受激輻射); d、1953年,美國的湯斯小組制成“微波激射器”; e、1958年,肖洛和湯斯的論文《紅外區(qū)和光學激射器》論證了將微波激射技術擴展到紅外區(qū)和可見光區(qū)的可能性; f、1960年,美國的梅曼制成第一臺紅寶石激光器; g、1961年,我國第一臺紅寶石激光器在長春光機所誕生。 5、激光器的分類: a、氣體激光器(氦氖激光器、氬離子激光器、“隱形殺手”二氧化碳激光器); *氬離子激光器:它可以發(fā)出鮮艷的藍綠色光,可連續(xù)工作,輸出功率達100多瓦。因為人眼對藍綠色的反應很靈敏,眼底視網(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光,所以在眼科上用得最多。氬離子激光器發(fā)出的藍綠色激光還能深入海水層,而不被海水吸收,因而可廣泛用于水下勘測作業(yè)。 * “隱身”激光器:二氧化碳激光器可稱“隱身人”,因為它發(fā)出的激光波長為10.6微米,“身”處紅外區(qū),肉眼不能覺察,它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產(chǎn)生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展,也是光武器和核聚變研究中的重大成果。 b、液體、化學和半導體激光器(“變色龍”染料激光器、“死光”氟化氫激光器、砷化鎵激光器); * “變色”激光器:工作物質就是染料,如碳花青、若丹明和香豆素等等。氣體產(chǎn)生的激光有明確的波長,而染料產(chǎn)生的激光,波長范圍較廣,或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光柵的光學元件。通過它可以根據(jù)需要選擇激光的色彩,就像從收音機里選聽不同頻率的無線電臺廣播一樣。這種激光器主要用于光譜學研究。 *化學激光器:是用化學反應來產(chǎn)生激光的,如氟原子和氫原子發(fā)生化學反應時,能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。當兩種氣體迅速混合后,就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類激光器比較適合于野外工作,或用于軍事目的,令人畏懼的死光武器就是應用化學激光器的一項成果。 c、固體激光器(紅寶石激光器、釔鋁石榴石激光器)。 二、激光的應用 1、天文領域:激光望遠鏡測天體距離。 *上海天文臺60厘米衛(wèi)星激光望遠鏡:上海天文臺的第三代衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)建立于1986年,主要由60厘米口徑的望遠鏡、自濾波鎖模激光器、高精度時間間隔計數(shù)器和時頻系統(tǒng)等部分組成。由于采用了先進的單光子雪崩二極管接收器,以及衛(wèi)星跟蹤和測量過程由計算機自動控制,使測量精度大大提高。目前這臺儀器可測量的最大距離是二萬公里,精確度為1.5-2厘米。經(jīng)過多年努力,xx年上海天文臺的SLR系統(tǒng)在國內(nèi)第一個實現(xiàn)了白天激光測距,達到了世界先進水平,從而不僅使觀測數(shù)量增加一倍,還能保證所有衛(wèi)星軌道都能取得觀測資料,對提高定軌精度及應用研究極為重要。上海天文臺SLR站是中國SLR聯(lián)測網(wǎng)的負責單位,也是國家大科學工程“地殼運動觀測網(wǎng)絡”的重要觀測基地之一,同時與國外SLR站有著密切的合作關系,是國際激光測距服務(ILRS)和西太平洋激光跟蹤網(wǎng)的重要組成單位。 2、工業(yè)材料的加工:激光雕刻、切割、焊接。 3、醫(yī)學領域:激光手術。 4、信息技術領域:a、信息傳輸(激光光纖);b、信息存儲(激光刻錄CD 、DVD 、軟件)。 *激光在貯存信息方面有全息照相、光學計算機、光盤等。以往的光學圖象只能記錄光的強度,利用激光既可以記錄光的強度又可以記錄光的相位,即可以記錄光的全部信息,因此稱為全息照相。照出的圖象是立體的。利用激光的相干性,人們正在研究光學計算機。光學計算機與電子計算機相比,具有運算速度快、信息容量大的優(yōu)點。它的信息處理過程接近于人眼和大腦的觀察與識別外界事物的過程。光盤即激光視盤,是利用激光貯存信息的“唱片”。它是由兩片透明塑料組成,塑料片上涂有一層反射膜。光盤的厚度約1毫米,直徑為20~30厘米,兩面都可使用。用光盤播放時,首先由半導體激光器發(fā)出激光,一臺小型計算機控制激光來掃描,得到以數(shù)字形式輸入的脈沖信號,再由計算機轉換成電視信號傳給電視機。用光盤播放的音像質量高,使用壽命長,而且光盤中記錄的每幅圖象都有編號,可以任意選取,非常方便。 5、軍事領域:a、激光制導炸彈;b、激光熱武器。 *激光武器分為激光制導炸彈和激光熱武器兩種。激光制導炸彈在攻擊目標時,由目標指示飛機發(fā)射激光,照射目標,由運載機投彈,制導炸彈(即導彈)則根據(jù)從目標反射回來的激光飛向目標。這種炸彈偏離目標不大于10米,而普通炸彈則通常平均偏離目標在100米左右。激光熱武器是利用激光的熱效應來破壞目標的。輕型的激光熱武器可稱為激光槍,可用來殺傷人員,重型的稱為激光炮,可燒毀裝甲車、飛機、導彈和衛(wèi)星等。激光熱武器的優(yōu)點是速度快,命中率高。缺點是不能大面積摧毀目標。制造激光熱武器要求有大功率的激光器,目前有一些技術難題尚未完全解決,還處于研制階段。 三、小結 本節(jié)課,我們了解了一種特殊的光波,和它的一些相關應用。介紹停留在常識的層面,對于深層次的知識,因為篇幅和時間的關系,沒有涉及。希望大家能夠通過中學階段的“拋磚引玉”引起對于前沿科技的興趣,進而樹立起攀登科學高峰的信念。- 配套講稿:
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