5.光的衍射\n一、光的衍射1.定义:光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了_________的方向,在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑,应该属于亮区的地方也会出现_____________的现象.2.衍射图像:衍射时产生的_________或光环.直线传播暗条纹或暗斑明暗条纹\n3.单缝衍射:单色光通过狭缝时,在屏幕上出现_____相间的条纹,中央为___条纹,中央条纹最___最亮,其余条纹变___变暗;白光通过狭缝时,在屏上出现_____条纹,中央为___条纹.4.圆孔衍射:光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现_____相间的圆环.明暗亮窄彩色白明暗宽\n5.泊松亮斑:障碍物的衍射现象.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_____,这就是著名的泊松亮斑.亮斑\n【想一想】衍射和干涉条纹都是明暗相间的,所以二者是一样的,对吗?提示:不一样.衍射条纹是中间最宽、最亮,从中央向两侧逐渐变窄、变暗;干涉条纹是等间距的条纹,即宽度和亮度相同.\n二、光的偏振1.偏振现象:当狭缝的方向与绳的振动方向_____时,绳上横波可以传过去;当狭缝的方向与绳的振动方向______时,绳上横波不能通过.2.偏振片:用特定材料制成,它有一个特殊的方向叫透光方向,只有光振动方向与透光方向_____的光波才能通过偏振片.相同垂直平行\n3.光的分类:(1)偏振光:理论证明电磁波是_____,光是_______,光振动的方向与传播方向_____,如果光振动的方向限在一个平面,这种光叫_________.(2)自然光:太阳、电灯等普通光源发出的光,是由大量的、振动方向不同而_________的线偏振光组成的.(3)光的偏振现象证明光是_____.横波电磁波垂直线偏振光互不相干横波\n【判一判】(1)自然光与偏振光之间可以相互转化.()(2)偏振现象说明光波属于横波.()(3)只有利用偏振片才能获得偏振光.()\n提示:(1)×.自然光经过偏振片后可以变成偏振光,但偏振光无法重新变成自然光.(2)√.光波能够发生偏振现象,只有横波才有偏振现象.(3)×.光源发出的光线经过介质反射和折射后也可变为偏振光.\n三、激光1.激光的特性:激光具有_____大、_____性好、单色性好、_______好、覆盖波段宽而且可调谐的特点.2.激光的应用:激光加工、激光全息照相、_________、_________、激光医学、激光照排、光盘等.强度方向相干性激光检测激光通信\n【想一想】激光由于方向性强,所以能发生干涉现象,这种说法正确吗?提示:不正确.激光由于单色性好,所以才能发生干涉现象.\n知识点一衍射图样的特点比较思考探究:如图所示是几种常见的光的衍射现象,请问:单色光的衍射图样与单色光的双缝干涉图样有何不同?\n提示:单色光的双缝干涉图样条纹间距和条纹宽度均相等,而单色光的衍射图样条纹间距和条纹宽度均不相等.\n【归纳总结】1.三种衍射图样比较:(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.\n③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.\n(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.\n②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.\n⑤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).\n(3)不透明的小圆板衍射图样(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.\n2.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\n名称项目单缝衍射双缝干涉相同点成 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\n【特别提醒】(1)衍射现象是否明显方面:入射光波长越大,障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显.(2)衍射条纹的亮度方面:小孔和狭缝的尺寸越小,衍射条纹的亮度越小.\n【典例示范】(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,衍射条纹变窄B.使单缝宽度变小,衍射条纹变窄C.衍射现象中的明暗条纹是光叠加的结果D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹变宽\n【解题探究】(1)在单缝衍射实验中,发生明显衍射现象的条件是什么?提示:在单缝衍射实验中,单缝越窄,入射光的波长越长,衍射现象越明显.\n(2)衍射条纹的宽度跟什么有关系?提示:单缝越窄,入射光的波长越长,衍射条纹越宽;单缝到屏的距离越大,衍射条纹也越宽.\n【正确解答】选A、C、D.在单缝衍射实验中,单缝越窄,入射光的波长越长,衍射现象越明显,表现为衍射条纹越宽,B错误;因黄光的波长比绿光长,A正确;可将单缝视为几组双缝的组合,所以衍射现象中的明暗条纹同样是光相遇叠加的结果,C正确;与双缝干涉相似,增大单缝到屏的距离,衍射条纹变宽,D正确.故选A、C、D.\n【过关训练】1.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、cB.b、cC.a、dD.b、d\n【解析】选D.由题图可知a为双缝干涉图样,b、d为单缝衍射图样,c为小孔衍射图样,故选项D正确.\n2.(多选)关于衍射,下列说法正确的是()A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B.双缝干涉中也存在衍射现象C.一切波都很容易发生明显的衍射现象D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实\n【解析】选A、B.衍射图样是复杂的光波的叠加现象,双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象,一般现象中既有干涉又有衍射.一切波都能发生衍射,但要发生明显的衍射,需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件.\n【补偿训练】1.(多选)用卡尺观察光的衍射现象时,下列说法中正确的是()A.卡尺形成的狭缝应平行于日光灯,且狭缝远离日光灯,人眼也远离狭缝进行观察B.卡尺狭缝平行于日光灯观察时,可观察到中央为白色光带,两侧为彩色光带,且彩带平行于日光灯\nC.狭缝由0.5mm宽度缩小到0.2mm,条纹间距变宽,亮度变暗D.狭缝由0.5mm宽度扩展到0.8mm,条纹间距变宽,亮度变暗\n【解析】选B、C.用卡尺狭缝平行于日光灯,狭缝远离日光灯,眼睛应靠近狭缝进行观察,观察到平行于日光灯的彩色条纹,且中央为白色条纹,A错误、B正确;狭缝越小,衍射现象越明显,即条纹间距变宽,但亮度变暗,C正确、D错误.\n2.(多选)对衍射现象的定性分析,正确的是()A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象B.衍射条纹图样是光波相互叠加的结果C.光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据D.光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论\n【解析】选A、B、C.衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象,衍射条纹是波的叠加的结果,干涉、衍射是一切波所具有的特性,所以选项A、B、C正确.光的直线传播只是近似的,只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下,光才被看作是沿直线传播的,所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的,所以选项D错误.\n【规律方法】区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法(1)根据条纹的宽度区分:双缝干涉的条纹是等宽的,条纹间的距离也是相等的;而单缝衍射的条纹,中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄.(2)根据亮条纹的亮度区分:双缝干涉条纹,从中央亮纹往两侧亮度变化很小;而单缝衍射条纹中央亮纹最亮,两侧的亮纹逐渐变暗.\n知识点二自然光和偏振光思考探究:如图所示分别为自然光和偏振光的传播方向与振动方向之间关系的示意图,请问自然光与偏振光的主要区别是什么?\n提示:在垂直于传播方向的平面内,自然光沿所有方向振动,偏振光沿某一特定方向振动.\n【归纳总结】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”.\n2.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(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)\n自然光(非偏振光)偏振光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\n【典例示范】(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()\nA.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最弱,几乎为零C.不论将A或B绕OO′轴旋转90°,屏上透射光的强度都最弱,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\n【解题探究】(1)偏振片的作用是什么?提示:只有与偏振片的透振方向一致的光波才能通过.(2)光在什么情况下通过两偏振片的强度最强?提示:当两偏振片的透振方向平行时,屏上透射光的强度最强.\n【正确解答】选A、C.当A、B两偏振片的透振方向平行时,光屏上的光强度最大;当二者透振方向垂直时,光屏上的光强度最小,几乎为零,A、C正确.\n【过关训练】1.(多选)鉴别奶粉的质量,奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标,可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度,从而鉴定含糖量.偏振光通过糖的水溶液后,偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α,这一角度α称为“旋光度”,α的值只与糖溶液的浓度有关,将α的测量值与标准值相比较,就能确定被测样\n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,则下列说法中正确的是()\nA.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处光的强度仍为最大,偏振片B转过的角度等于αD.将偏振片A转动一个角度,使得O处光的强度仍为最大,偏振片A转过的角度等于α\n【解析】选A、C、D.选自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光,该偏振光经被测样品后,其偏振方向发生了偏转,即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α,到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致,故O处光的强度会明显减弱,故A正确,B错误;若将A或B转动一个角度,使得O处光的强度仍为最大,说明它们转过的角度等于α,故C、D都正确.\n2.(多选)如图,P是一偏振片,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()\nA.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\n【解析】选A、B、D.当光的振动方向与偏振片的透振方向平行时,透光最强;垂直时,无光透过;若为某一角度时,有部分光透过;太阳光是自然光,沿各个方向的振动都存在,因此选项A、B、D正确.\n【补偿训练】1.如图所示,让太阳光或白炽灯光先后通过偏振片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.这个实验表明()\nA.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\n【解析】选B.太阳光或白炽灯发出的光是自然光,当通过偏振片P后变为偏振光,旋转P或Q时,通过P的偏振光的振动方向和通过Q的偏振方向不平行时,光屏上透射光的强度就会发生变化,该实验说明光是一种横波.\n2.(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C.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\n【解析】选B、D.P是起偏器,它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光,该偏振光的振动方向与P的透振方向一致,所以当Q与P的透振方向平行时,通过Q的光强最大;当Q与P的透振方向垂直时,通过Q的光强最小,即无论旋转P或Q,屏上的光强都是时强时弱.\n知识点三激光及其应用思考探究:激光作为一种人造光源在科研、通讯、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等.激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性?\n提示:激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点.\n【归纳总结】1.激光的产生:激光是原子受激辐射产生的光,发光的方向、频率、偏振方向均相同,两列相同激光相遇可以发生干涉.激光是人工产生的相干光.2.激光的特点:(1)激光是人工产生的相干光,其单色性好,相干性好.激光的频率单一,相干性非常好,颜色特别纯.用激光做衍射、干涉实验,效果很好.\n(2)激光的平行度好.从激光器发出的激光具有极好的平行性,几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光.传播几千米后,激光斑扩展范围不过几厘米,而探照灯的光束能扩展到几十米范围.(3)亮度高.激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.\n【典例示范】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\n【解题探究】(1)激光和普通光的共同点是什么?提示:激光具有普通光的性质,是横波,能发生光的反射、折射和偏振现象.\n(2)与普通光相比,激光还具有哪些特殊的性质?提示:具有强度大、方向性好、单色性好、相干性好等特点.\n【正确解答】选D.激光能发生偏振现象,激光是横波,A错误;激光在介质中的波长为λ=,不同介质n不同,所以波长不同,B错误;只有频率相同的两列波才能产生干涉现象,C错误;利用激光平行度好的特点可以测量月球和地球之间的距离,D正确.\n【过关训练】1.(多选)下列说法正确的是()A.光纤通信利用了激光相干性好的特点B.激光武器利用了激光强度大的特点C.激光写、读利用了激光强度大的特点D.激光加工、激光手术都利用了激光强度大的特点\n【解析】选A、B、D.利用激光的相干性进行信息的传递,如利用激光相干性好进行光纤通信;利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集,激光读、写等;利用激光的强度大进行激光切割和焊接以及激光手术,并应用于激光武器.A、B、D项正确,C项错误.\n2.让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音或图像,这是利用激光的()\nA.方向性好,可以会聚到很小的一点上B.相干性好,可以很容易形成干涉图样C.强度大,可以在很短时间内集中很大的能量D.波长短,很容易发生明显的衍射现象\n【解析】选A.激光的特点之一是方向性好,它可以会聚到一个很小的点上,DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点,A正确,B、C、D错误.\n【补偿训练】1.下列应用激光的事例中错误的是()A.利用激光进行长距离精确测量B.利用激光进行通信C.利用激光进行室内照明D.利用激光加工坚硬材料\n【解析】选C.利用激光可以进行测量、通信、加工坚硬材料等.激光单向性好,不利于室内照明,并且大功率的激光要靠专门的激光器产生,成本太高,且由于激光的能量集中,会对人体产生伤害.因此选项C所述激光的应用是错误的.\n2.对于激光,下列说法正确的是()A.激光是自然光被放大而产生的B.激光的单色性好、相干性好C.激光的能量一定大于其他光的能量D.激光的传播速度比普通光大\n【解析】选B.激光是由人工产生的光,它具有平行度好、相干性强和亮度高的特点,其传播速度仍然是光速.\n【规律方法】激光的应用举例与对应的特性(1)激光雷达:对准目标发出一个极短的激光脉冲,测量发射脉冲和收到回波的时间间隔,结合发射的方向,就可探知目标的方位和距离,结合多普勒效应,还可以求出目标的运动速度.(利用激光的平行度好)\n(2)读盘:激光的平行度很好,可以会聚到很小的一点,让会聚点照射到VCD碟片、CD碟片、计算机的光盘上,就可读出光盘上记录的信息.(利用激光的平行度好)(3)医用激光刀:可以用于医疗的某些手术上,具有手术时间短、损伤小、不会引起细菌感染、止血快等优点.(利用激光的亮度高)\n【拓展例题】考查内容:光的偏振的应用【典例示范】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\n【正确解答】选A.由于反射光的干扰,景物的像常常比较模糊,装上偏振片的目的是减弱反射光,且透振方向与反射光的振动方向垂直,但不能增强透射光.\n答案速填:①振动方向 ②λ③kλ④平整程度 ⑤增透膜 ⑥单缝衍射 ⑦圆孔衍射
