13-5、13-6 光的衍射、光的偏振

第5节 光的衍射

第6节 光的偏振

学习目标：1.知道光的衍射现象，知道产生明显衍射现象的条件.2.知道单缝、圆孔、原板衍射条纹的特点，了解衍射光栅.3.知道光的偏振现象，知道光是横波.4.知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象．

一、光的衍射和衍射光栅

[课本导读]

预习教材第59页～第61页”光的衍射和衍射光栅“部分，请同学们关注以下问题：

1．什么是光的衍射？常见的光的衍射现象有哪些？各有什么特点？

2．产生明显衍射的条件是什么？

3．光的衍射现象和光的直线传播的关系是什么？

4．衍射光栅的结构和特点是什么？有哪些种类？

[知识识记]

1．光的衍射现象

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象．

2．常见的光的衍射现象

(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，中央为亮条纹且中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹．

(2)圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏上会出现明暗相间的圆环．

(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象

各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，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，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．

3．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．

4．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种特殊情况，当光的波长比障碍物或孔小得多时，光可以看成沿直线传播；在孔或障碍物尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还要小时，衍射现象就十分明显．

5．衍射光栅

(1)衍射光栅的结构和特点：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件．狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越大．

(2)衍射光栅的种类：反射光栅、透射光栅．

二、光的偏振

[课本导读]

预习教材第63页～第65页“光的偏振”请同学们关注以下问题：

1．什么是自然光？什么是偏振光？

2．偏振现象是哪种波(横波或纵波)特有的现象？

3．偏振现象有哪些应用？

[知识识记]

1．偏振现象

(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，在垂直于传播方向的平面上，沿着某一特定方向振动的光．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．

(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，特别是当偏振光经过液晶时，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．

1．单色光通过狭缝时，屏上的亮条纹等间距．( )

[答案] ×

2．白色光通过狭缝时，屏上出现彩色条纹，中间为白色条纹．( )

[答案] √

3．菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象．( )

[答案] ×

4．用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹．( )

[答案] √

5．光在任何情况下都可以发生衍射，只是有时候不明显．( )

[答案] √

6．凡是波都有偏振现象．( ) [答案] ×

7．反射或折射可以引起自然光的偏振．( )

[答案] √

8．拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象．( )

[答案] √

要点一 光的衍射——概念理解型

[合作探究]

唐代诗人王维的诗句：“空山不见人，但闻人语响”，这种“闻其声而不见其人”的物理现象是如何形成的呢？为什么声波容易发生衍射现象而光波不容易发生衍射现象呢？

提示：诗句中描写的是声波的衍射现象．

声波的波长较大，与日常生活中的物体可以相比，很容易发生明显衍射现象，故可以隔着障碍物“闻其声”，但光的波长远小于日常生活中物体的尺寸，光在障碍物后形成阴影，故有“不见其人”的现象．

[知识精要]

1．光产生明显衍射的条件

障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长小． 2．衍射图样的特点

(1)单缝衍射：

①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，两侧的亮纹逐渐变暗变窄．

②白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．

③波长一定时，单缝变窄，中央条纹变宽，各条纹间距变大，亮度降低；单缝宽度不变时，光波波长越大，中央条纹越宽，条纹间距越大．缝到屏的距离越远，中央亮条纹越宽．

(2)圆孔衍射：如图所示，当圆孔较大时，光屏上出现图甲所示的情形，无明显的衍射现象发生；当挡板圆孔很小时，光屏上出现图乙所示的衍射图样，出现明暗相间的圆环．当孔越小时，中央亮斑直径越大，同时亮度变弱．不同颜色的光照射时，波长越大，中央亮斑的直径越大．

(3)圆板衍射(泊松亮斑)

①若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．衍射图样如图所示．

②中央是亮斑，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．

[题组训练]

1．(产生明显衍射的条件)下列关于波的衍射的说法正确的是( )

A．波要发生衍射现象必须满足一定的条件

B．与光波相比声波容易发生衍射是由于声波波长较大

C．对同一列波，缝、孔或障碍物越大衍射现象越明显

D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象

[解析] 任何波都能发生衍射，波要发生明显衍射需要一定条件，故A错；声波波长长，容易发生衍射，B对；对同一列波，缝、孔或障碍物尺寸比波长小或相差不大时，波能发生明显衍射，C错；衍射是波特有的现象，因此不论是横波还是纵波，都能发生衍射，D错． [答案] B

2．(单缝衍射)(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，衍射条纹间距变窄

B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄

C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽

D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽

E．若是白光照射，中央为白条纹，单白条纹的外侧是彩色的，其中最外侧是红色条纹

[解析] 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，A、C正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大，B错误；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，D正确，中央是各种波长的光在这里的叠加，最中央是白色，由于波长不同，因此各种波长中央亮条纹的宽度不同，红光最宽，因此中央亮条纹的最外侧为红色，E正确．

[答案] ACDE

3．(单缝衍射、圆孔衍射)使太阳光垂直照射到一块遮光板上，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，此时可看作光是近似沿直线传播的，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] DEABC

要点二 单缝衍射和双缝干涉的比较——易错易混型

[合作探究]

在光的干涉和衍射实验中均可观察到明、暗相间的条纹，下列四幅图样中哪幅为双缝干涉图样，哪幅为单缝衍射图样？

提示：a为单色光双缝干涉图样，b为单色光单缝衍射图样，c为小孔衍射图样，d为白光单缝衍射图样．

[知识精要]

1．单缝衍射和双缝干涉的异同点

2.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．

[题组训练]

1．(单缝衍射和双缝干涉)(多选)如图所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是( )

A．a、b是光的干涉图样

B．c、d是光的衍射图样

C．形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短

D．形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长长

[解析] 干涉条纹是等间距的条纹，因此，a、b图是干涉图样，c、d图是衍射图样，故A项正确，B项正确；由公式Δx＝ldλ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长，故C项错误；c图样的光的波长比d图样的光的波长长，故D正确． [答案] ABD

2．(单缝衍射和双缝干射)(多选)做单缝衍射实验和双缝干涉实验时，用激光比普通光源效果更好，图象更清晰．如图甲所示，如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况．下列说法正确的是( )

A．做单缝实验时，光强分布图如乙所示

B．做单缝实验时，光强分布图如丙所示

C．做双缝实验时，光强分布图如乙所示

D．做双缝实验时，光强分布图如丙所示

[解析] 双缝干涉条纹等间距，单缝衍射条纹一定不等间距，即中央宽、两边窄的明暗相间的条纹．若做单缝实验时，光强分布图如乙所示，故A正确、B错误；若做双缝实验时，光强分布图如图丙所示，故C错误、D正确．故选AD.

[答案] AD