高中人教版 (2019)5 光的衍射导学案及答案

这是一份高中人教版 (2019)5 光的衍射导学案及答案，共12页。
 光的衍射 光的偏振 激光  1．知道光的衍射现象和产生明显衍射现象的条件，认识衍射条纹的特点。2．观察光的偏振现象，知道光是横波。3．知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的一些应用。4．了解激光的特点和应用。   知识点一　光的衍射　衍射光栅[情境导学]用三块不透光的板，在每块板的中间各开一个圆孔，各板所开的圆孔直径依次变小。装置如图甲所示，先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个如图乙所示的明亮圆形光斑；再换上圆孔较小的那块板，在屏上会出现如图丙所示较小的明亮圆形光斑；最后用圆孔最小(直径约为1 mm)的那块板，在屏上会出现如图丁所示的明暗相间的条纹。请思考：(1)图乙、丙中的情境是什么现象造成的？(2)图丁中的情境是什么现象造成的？提示：(1)图乙、丙中的情境是光的直线传播现象。(2)图丁中的情境是光的衍射现象。[知识梳理]1．光的衍射现象：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，光没有沿直线传播，它绕过了狭缝(或圆孔)的边缘，传播到相当宽的地方的现象。2．明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸足够小。3．衍射图样：衍射时产生的明暗相间条纹。4．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。5．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。6．衍射光栅(1)定义：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。(2)分类①透射光栅；②反射光栅。[初试小题]1．判断正误。(1)光的衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。(×)(2)只有波长长的光才发生明显的衍射现象。(×)(3)所有光都能发生衍射现象。(√)(4)菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象。(×)2．让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，则在孔后的屏上将先后出现(遮住侧面光)(　　)A．三角形光斑　倒立的烛焰　明暗相间的圆环B．三角形光斑　圆形光斑　倒立的烛焰C．倒立的烛焰　圆形光斑　明暗相间的圆环D．三角形光斑　明暗相间的圆环　倒立的烛焰解析：选A　当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，如图甲所示；随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小，当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰，如图乙所示；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗。知识点二　光的偏振[情境导学]电影《战狼2》的经典台词“犯我中华者，虽远必诛”扬我国威。《战狼2》是立体电影，放映时通过两台放映机，同步放映两组胶片，观众必须戴上特制的“3D”眼镜观看，就会产生立体感，使观众有身临其境的体验，若不戴上述眼镜，则看到银幕上的画面就会出现重影而模糊不清。请思考戴上“3D”眼镜观看立体电影应用了什么原理？提示：应用了光的偏振现象。[知识梳理]1．偏振(1)不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能不同的现象，称为偏振现象。(2)横波的振动方向称为偏振方向。(3)偏振现象是横波的特有现象，纵波没有偏振现象。2．光的偏振(1)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，沿这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，这个偏振方向叫作透振方向。(2)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。(3)偏振光：自然光垂直透过某一偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光叫作偏振光。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．偏振现象的应用摄影中应用偏振光：为了消除反射光的影响，在镜头前安装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱了反射光进入镜头。[初试小题]1．判断正误。(1)凡是波都有偏振现象。(×)(2)自然光通过偏振片可以得到偏振光。(√)(3)反射可以引起自然光的偏振。(√)(4)拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象。(√)2．下列说法正确的是(　　)A．“3D电影”的播放和观看利用了光的衍射B．色散现象表明白光是复色光C．泊松亮斑是光的干涉现象D．光的偏振现象表明光是纵波解析：选B　“3D电影”的播放和观看利用了光的偏振现象，A错误；太阳光是复色光，而七种色光混合后成为白光，色散现象表明白光是由多种色光组成的，B正确；泊松亮斑是光的衍射现象， C错误；只有横波才会发生偏振现象，光波具有偏振特性说明光是横波，       D错误。 知识点三　激光[知识梳理]激光的特点及应用特点性质应用相干性激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度进行精确的测距；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 [初试小题]1．判断正误。(1)计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光有相干性的特点。(×)(2)激光可以切割、焊接，是因为激光的亮度高，能量大。(√)(3)医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光的亮度高的特点。(√)(4)“激光测距”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。(×)2．关于激光的应用，下列说法正确的是(　　)A．全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息D．利用激光亮度高，可以用在医学上做“光刀”切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜解析：选D　全息照片拍摄是利用了激光的频率单一、相干性好，能够产生明显的干涉，故A错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故B错误；利用激光相干性好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故C错误；利用激光的亮度高、能量集中，可以用在医学上做“光刀”切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确。 光的衍射的理解[问题探究]我们日常生活中常有“未见其人、先闻其声”“人未到、声先到”情境，请思考这两句话中隐含了什么物理原理？提示：两句话中隐含了波发生明显衍射的条件。声波的波长较长，比较容易发生衍射，一个人在房间外(或走廊里)说话，由于声波的衍射(注意：也有声波的反射因素)，在房间里(或走廊拐弯的地方)的其他人可以听到该人的声音；而光波的波长很短，不容易发生衍射，在房间里(或走廊拐弯的地方)的人无法通过光的直线传播看到在房间外(或走廊里)说话的人，故有“未见其人、先闻其声”“人未到、声先到”情境。[要点归纳]1．光的衍射与光的直线传播的关系 (1)光的直线传播只是一个近似的规律，当障碍物或狭缝的尺寸很大时，衍射现象不明显，光可以看成沿直线传播。(2)在障碍物或狭缝的尺寸足够小时，光会发生明显的衍射现象。2．三种衍射图样的比较三种衍射图样如图所示。(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。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，入射光的波长越大，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。(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。②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。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)。(3)圆盘衍射图样(泊松亮斑)①中央是亮斑。②形成泊松亮斑时，圆盘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周围的亮环或暗环的间距随半径增大而减小。3．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 [例题1]　如图所示的四种明暗相间的条纹是红光、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(黑色部分表示亮纹)。在下面的四幅图中从左往右排列，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]　双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故a、c两个是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ可以知道波长λ越大，Δx越大，故a是红光的双缝干涉图样，c是蓝光的双缝干涉图样。单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小、亮度越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，故b、d是单缝衍射图样，b为紫光的单缝衍射图样，d为黄光的单缝衍射图样。故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、蓝光(双缝干涉)和黄光(单缝衍射)，故B正确，A、C、D错误。[答案]　B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，两侧的亮条纹逐渐变窄。(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；而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗。　　　　 [针对训练]1．利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是(　　)A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大解析：选A　单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。 根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A选项正确。2.一束激光照在一个很小的不透明的圆盘上，在屏上观察到：在影的中心有一个亮斑，这就是著名的“泊松亮斑”，如图所示。“泊松亮斑”的形成说明了光(　　)A．能发生衍射B．能发生干涉C．发生偏振D．沿直线传播解析：选A　当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，亮斑的周围是明暗相间的环状条纹，这就是泊松亮斑。说明光线偏离原来的直线方向传播，是激光绕过不透光的圆盘发生衍射形成的，故A正确，B、C、D错误。对光的偏振现象的理解[要点归纳]1．光的偏振现象表明光是一种横波。2．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，只有沿着这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”。3．自然光与偏振光的比较 自然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 [例题2]　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，如图所示，则下列说法正确的是(　　)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，屏上光的亮度逐渐变暗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[解析]　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。无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱，故选D。[答案]　D(1)偏振片是由特殊材料制成的，每个偏振片都有特定的透振方向，沿与透振方向垂直振动的光不能透过偏振片。(2)获得偏振光的两种方式①让自然光通过偏振片；②自然光射到两种介质的分界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。　　　　 [针对训练]1．如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片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：选C　白炽灯光是自然光，包含各个方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，此时只有偏振片Q与P的偏振方向一致时偏振光才能完全透过Q，因此在旋转P时B点光的强度有变化，选项C正确。2．如图所示，一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上不亮的有(起偏器上用箭头表示其透振方向)(　　)解析：选C　自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向垂直时不能够通过，故选C。 激光的特点及应用[问题探究]据了解，我国在激光武器研发领域，已经有五大核心技术领先于世界各国。我国的“死光A”重型激光武器系统，综合作战能力强，可以充分适用于陆战和海战之中。请思考激光武器利用了激光的哪些特性？提示：激光武器利用了激光的单色性好、平行度好、亮度(能量)高等特性。[要点归纳]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)单色性好：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、颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。(2)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。[例题3]　激光被誉为神奇的光，关于激光的应用下列说法中正确的是(　　)A．激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度B．激光是相干光，但它不能像无线电波那样被调制，用来传递信息C．用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光在大气中传播不受大气的影响D．能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光通过地球大气时不会发生折射[解析]　激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度，故A正确；由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故B错误；用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好、能量高，能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光的平行度好、方向性好，但都会不同程度地受大气影响，故C、D错误。[答案]　A[针对训练]1．对于激光的认识，以下说法中正确的是(　　)A．普通光源发出的光都是激光B．激光是自然界中普遍存在的一种光C．激光是一种人工产生的相干光D．激光一定比普通光的强度大解析：选C　激光是原子受激辐射产生的光，是人工产生的一种相干光，与普通光源发出的光不同，故C正确，A、B错误；用途不同，不同激光的强度大小并不相同，激光的强度不一定比普通光大，D错误。2．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船。激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)A．单色性好 B．平行度好C．高能量 D．相干性好解析：选C　利用激光的高能量特点，使推进剂急剧膨胀，喷出类似于现代火箭的燃料燃烧后产生的燃气流，C正确。1．下列现象中体现了光的干涉的是(　　)A．用手按压两片无色透明的玻璃片，阳光下也能看到彩色花纹B．透过游标卡尺两测量爪间的狭缝，观看与狭缝平行的线光源时，看到彩色条纹C．白光透过双缝，在光屏上出现黑白条纹D．清晨洒水车洒的水珠成彩色的解析：选A　用手按压相当于调整厚度，光发生了薄膜干涉；透过游标卡尺两测量爪间的狭缝，观看与狭缝平行的线光源时，看到彩色条纹是光的单缝衍射；白光透过双缝，在光屏上出现彩色条纹是双缝干涉；清晨洒水车洒的水珠成彩色的是光的色散，属于折射现象。故选A。2．我们经常看到，凡路边施工处总挂有红色的灯，除了红色光容易引起人们的视觉反应外，这样做的另一个重要的原因是(　　)A．红光比其他可见光更容易发生衍射B．红光比其他可见光更容易发生干涉C．红光比其他可见光频率更大D．红光比其他可见光在玻璃中的折射率小解析：选A　红色光的波长较长，而频率较小，所以比其他可见光更容易发生衍射，故A正确，C错误；只要频率相同，均能发生干涉现象，故B错误；频率越大，折射率越大，可见光中红光频率最小，折射率最小，但挂红灯的原因不是因为折射率小，故D错误。3．在观看立体电影时，观众要戴上特制的眼镜，银幕上的图像才清晰，这副眼镜的制作原理是利用了光的(　　)A．折射　　　　　　　　 B．衍射C．干涉 D．偏振解析：选D　观众戴上特制眼镜观看立体电影时，利用了光的偏振现象，故选D。4．若甲、乙两束单色光，经过同一单缝后的衍射图样如甲、乙所示。则下列说法正确的是(　　)A．若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度均变窄，条纹亮度也变暗B．若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度都变宽，条纹亮度也变亮C．在同一介质中传播，甲光比乙光的传播速度小D．甲光和乙光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是甲光解析：选C　若单缝宽度变窄，则两种衍射条纹宽度都变宽，因为通过的光变少，所以亮度变暗，A、B错误；甲、乙两束单色光，经过同一单缝后乙光的中央亮条纹较宽，说明乙光波长较长，则在同一介质中乙光的折射率较小，根据v＝，可知，甲光比乙光的传播速度小，C正确；乙光的折射率较小，根据sin C＝，所以乙光的临界角较大，则甲光和乙光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是乙光，D错误。