2019高中物理第十三章第5、6节光的衍射光的偏振讲义（含解析）新人教版 12页

光的衍射光的偏振一、光和衍射┄┄┄┄┄┄┄┄①1．光的衍射现象(1)概念：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光没有沿直线传播，而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象。(2)典型衍射及现象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；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹；②圆孔衍射：光通过小孔(孔很小)时在屏幕上会出现明暗相间的圆环；③泊松亮斑：各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致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，会发现在阴影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。2．产生明显衍射现象的条件在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的时候，就会出现明显的衍射现象。3．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小得多时，光可以看成沿直线传播；在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。4．衍射光栅(1)衍射光栅的结构：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学仪器。(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：反射光栅、透射光栅。[说明](1)对于单缝衍射：缝越窄，中央亮条纹越宽，条纹间距越大，衍射现象越明显。(2)衍射是波特有的一种现象。①[判一判]1．白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象(×)2．菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象(×)3．隔着帐幔看远处的灯，看到灯周围辐射彩色的光芒，是光的干涉现象(×)4．衍射光栅的图样与单缝衍射相比，衍射条纹的亮度增加，宽度变宽(×)二、光的偏振┄┄┄┄┄┄┄┄②1．偏振现象n(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一切方向振动的光，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，其振动方向沿着偏振片的透振方向，即在垂直于传播方向的平面上，只沿着某一特定方向振动，这样的光称为偏振光。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．偏振现象在生产生活中的应用(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片，让它的透射方向与反射光的偏振方向垂直，阻挡了反射光进入镜头。(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。[说明]偏振现象在生活中非常普遍，并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光，生活中除光源直接发出的光外，我们看到的绝大部分光都是偏振光。②[选一选]下列关于偏振光的说法中正确的是(　　)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：选C　自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同；只有沿着特定方向振动的光才是偏振光。所以选项C正确。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。(2)缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低。(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，入射光波长越长，n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。如图所示。(2)圆孔越小，中央圆形亮斑的直径越大，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，波长越长，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．不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)(1)中央是亮斑。(2)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小。[典型例题]例1.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]　甲图的衍射图为明暗相间的圆环，而乙图图样的中心有一个亮斑——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。[答案]　An[点评](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。[即时巩固]1．[多选]在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是(　　)A．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变窄B．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽C．使单缝宽度变小，衍射条纹的亮度降低、间距变窄D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽解析：选BD　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，换用波长较长的光照射，条纹间距变宽，故A错误，B正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距度变宽，故C错误；当光的波长一定，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，故D正确。1.单缝衍射与双缝干涉的比较种类项目不同点单缝衍射双缝干涉产生条件只要狭缝足够窄，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，两边最暗条纹清晰，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2.对单缝衍射和双缝干涉的三点提醒(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增长，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。[典型例题]例2.如图所示的4幅明暗相间的条纹图样，分别是红光、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n亮纹)。则下面的四幅图从左到右排列，亮条纹的颜色依次是(　　)A．红黄蓝紫　　　　　　　　B．红紫蓝黄C．蓝紫红黄D．蓝黄红紫[解析]　双缝干涉条纹是等间距的条纹，单缝衍射条纹是中间最宽、两边越来越窄的条纹，因此第1、3幅图是干涉条纹，第2、4幅图是衍射条纹。干涉条纹中，光的波长越长，条纹越宽，因此第1幅图是红光，第3幅图是蓝光。同一单缝的衍射条纹，波长越长，条纹越宽，因此第2幅图是紫光，第4幅图是黄光，故B正确。[答案]　B[即时巩固]2．一束红光射向一块有双缝的不透光薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现在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．与原来不同的明暗相间的条纹，而中央亮条纹变宽些C．只有一条与缝宽相对应的亮条纹D．无条纹，只存在一片红光解析：选B　本题中这束红光通过双缝时，产生了干涉现象，说明每一条缝都很窄，满足这束红光发生明显衍射的条件，这束红光通过双缝在光屏上形成的干涉图样的特点是：中央出现亮条纹，两侧对称出现等间隔的明暗相间的条纹；而这束红光通过单缝时形成的衍射图样的特点是：中央出现较宽的亮条纹，两侧对称出现不等间隔的明暗相间的条纹，且距中央亮条纹远的亮条纹亮度迅速减小，所以衍射图样看上去明暗相间的条纹数量较少，B正确。1.自然光与偏振光的对比自然光(非偏振光)偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光通过起偏器后的光光的振在垂直于光的传播方向的平面内，在垂直于光的传播方向的平面内，n动方向光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同光振动沿某一特定方向(与起偏器的透振方向一致)2.偏振光的产生方式(1)自然光在玻璃、水面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，入射角变化时偏振的程度也会变化。自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且是完全偏振光，偏振方向相互垂直。(2)自然光经过偏振片(起偏器)后能形成偏振光。偏振光可以用另一个偏振片(检偏器)检验。[典型例题]例3.[多选]旋光仪可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。其原理是：偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关。将θ的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法正确的是(　　)A．到达O处光的强度会明显减弱B．到达O处光的强度不会明显减弱C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于θD．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于θ[解析]　根据题意可知，开始A、B两偏振片的透光方向相同，当被测样品置于A、B之间时，光线旋转一个角度θ，因此到达O处光的强度会明显减弱；为了使得O处的光线强度最大，则必须将其中一个偏振片旋转角度θ，使光线穿过偏振片时，光的偏振方向与偏振片的透光方向一致，A、C、D正确。[答案]　ACD[点评](1)自然光通过偏振片后，光的强度相同，偏振方向可以不同。(2)偏振光通过偏振片后，透光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关。[即时巩固]3．[多选]在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，以下说法正确的是(　　)A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱nC．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱解析：选BD　当Q和P的透振方向平行时，通过Q的光强最大，当Q和P的透振方向垂直时，通过Q的光强最小，即无论是旋转P还是旋转Q，屏上得到的光都是时强时弱的，B、D正确。1．[多选]下列说法正确的是(　　)A．当光的波长比圆孔的直径大时，可以产生明显的衍射现象B．衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律C．用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板的后面发现圆板阴影中心处有一亮斑，这是光的干涉现象D．用平行的单色光垂直照射一个刀片，发现屏上刀片的阴影的边缘模糊不清，这是光的衍射现象解析：选ABD　当波长比障碍物的尺寸大或相差不多时，可以产生明显的衍射现象，A正确；光沿直线传播是一种近似规律，B正确；泊松亮斑、刀片阴影边缘模糊都是光的衍射现象，C错误，D正确。2．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，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，将缝调宽，现象向相反方向变化，A正确。3．让自然光照到P、Q两个偏振片上，当两个偏振片P、Q的透振方向间夹角为以下哪个度数时，透射光强度最弱(　　)A．0°　　　　B．30°　　　　C．60°　　　　D．90°解析：选D　要想使透射光强度最弱，两偏振片的透振方向应互相垂直，即夹角为90°，D正确。4．[多选](2016·台州高二检测)如图，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线n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°角振动的光解析：选ABD　太阳光是自然光，沿各个方向振动的光都有，所以在偏振片另一侧可看到透射光，A正确；沿竖直方向振动的光，与P的透振方向相同，能透过偏振片，B正确；沿水平方向振动的光，不会有光通过，C错误；沿与竖直方向成45°的透振光，有部分能透过偏振片，D正确。5．如图所示，A、B两幅图是由同一频率的单色光分别射到圆孔而形成的图像，其中图A是光的________(填“干涉”或“衍射”)图像。由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径________(填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径。解析：圆孔衍射时，孔的直径越小，衍射越明显。答案：衍射　小于[基础练]一、选择题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．[多选]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几十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下(　　)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n解析：选BD　根据光能发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线能绕过沙尘颗粒发生衍射到达地面；由λ＝知，到达地面的光是频率较小的部分，故B、D正确。3．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确。4．[多选]如图所示，a、b两束光以不同的入射角由介质射向空气，结果折射角相同，下列说法正确的是(　　)A．b光在该介质中的折射率比a光大B．若用b光做单缝衍射实验，要比用a光做中央亮条纹更宽C．用b光更易观测到泊松亮斑D．做双缝干涉实验时，用a光比用b光两相邻亮条纹中心的距离更大解析：选BC　设折射角为θ1，入射角为θ2，题设条件知，θ1a＝θ1b，θ2a<θ2b，由n＝，知na>nb，A错误；因为na>nb，所以λa<λb，又Δx＝λ，故Δxa<Δxb，B正确，D错误；而波长越长，衍射现象越明显，C正确。二、非选择题5．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的光是从同一特定方向的偏振光分解出来的，它们满足相干条件，故能看到干涉条纹。n(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，则在光屏上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[提能练]一、选择题1．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，下列四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　A．a、cB．b、cC．c、dD．b、d解析：选D　单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样。2.[多选]如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则(　　)A．图中a光为偏振光B．图中b光为偏振光C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮解析：选BD　从电灯直接发出的光为自然光，A错误；它通过A偏振片后，即变为偏振光，B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，则B偏振片只能通过沿竖直方向振动的偏振光，若P处无光亮，将B转过180°后，P处仍无光亮，C错误；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，D正确。3．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，则下列说法正确的是(　　)①这是利用光的干涉现象n②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．②④C．①④D．②③解析：选B　上述现象符合光的衍射产生的条件，故②正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故④也正确，B正确。4．[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。在入射光线的方向上加偏振片P，偏振片与入射光线垂直，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以入射光线为轴旋转90°角，透射光束2消失解析：选AD　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，因此当在入射光线方向垂直放上透振方向在纸面内的偏振片P时，因反射光垂直于纸面，则反射光束1消失，A正确，B、C错误；偏振片P转动90°，平行于纸面内的光消失，则透射光束2消失，D正确。二、非选择题5．使太阳光垂直照射一块遮光板，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列：____________。A．圆形光斑　　　　B．明暗相间的彩色条纹C．变暗消失D．正方形光斑E．正方形光斑由大变小解析：由于光的波长很短，因此当孔很大时，不会发生明显的衍射现象，此时光可看做n是近似沿直线传播，在屏上得到孔的影；当孔继续减小时，虽不能使光发生明显的衍射现象，但可以在屏上得到太阳的像，即小孔成像；孔再继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹；孔进一步减小直到闭合时，由于穿过光的能量减小而使光线变暗直至消失。答案：DEABC6．用一单色光源垂直照射带有圆孔的不透明光屏，下列几种情况中，在小孔后面的光屏上各看到什么现象？(1)小孔的直径为1cm；(2)小孔的直径为1mm；(3)小孔的直径为0.5μm。解析：(1)当圆孔的直径为1cm时，在光屏上只能看到与圆孔形状相同的亮斑，这是光沿直线传播的结果。(2)当圆孔的直径为1mm时，在光屏上能看到单色光源倒立的像，这是小孔成像，也是光沿直线传播的结果。(3)当圆孔的直径为0.5μm时，在光屏上能看到衍射条纹，这是由于小孔的尺寸与光波波长差不多，光发生衍射的结果。答案：见解析