高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第4节 激光与全息照相 神奇的全息摄影素材 鲁科版选修3-4

激光与全息照相的教学设计新课标要求（一）知识与技能1．了解激光和自然光的区别。

2．通过阅读，收集整理相关资料，认识激光的特点和应用。

（二）过程与方法1．通过课外阅读，收集整理有关激光应用的资料，培养加工处理信息的能力。

2．通过对激光的特点及应用的学习，培养应用物理知识解决实际问题的能力。

（三）情感、态度与价值观通过对激光应用的学习，使学生感受到科学知识的无究力量，培养热爱科学的品质。

教学重点激光与自然光的区别以及激光特点和应用。

教学难点激光与自然光的区别。

教学方法1．通过对自然光的分析，提出激光的相干性。

2．通过学生课前阅读，初步了解激光的特点及广泛应用。

3．通过收集激光方面的材料，讨论交流，进一步掌握激光的特点及应用知识。

4．通过观看录像，进一步加深对激光知识的了解。

教学用具：激光手电筒、投影仪、三段有关激光的录像材料教学过程（一）引入新课师：课前大家已经阅读了课文，了解了激光是自然界没有的光，首先我们来看看它与自然光有什么不同。

（二）进行新课1．自然光和激光（投影）激光还有许多与自然光不同的特点，下面请同学们将自己阅读课文整理的表格展示出来。

（教师巡视，大部分同学整理得很好，选出比较全面的一组投影，如上表，老师简单讲解）师：其实，激光的应用远不止这些，而且还在迅速发展，这方面的介绍很多，下面请大家根据课前收集的材料，开展课堂交流。

2．激光的应用（分组介绍，同时教师提炼要点并板书，以调动学生的积极性。

）进行光的干涉、衍射等实验（科学实验），由于原子的发光不是无限制持续的，每一次发光与下一次发光总有一个时间间隔，只有同一光源在同一发光时间间隔内发出的光，在空间某点相遇时才会发生干涉，所以原子发光的平均时间间隔称为相干时间，在相干时间内光的行程称为相干长度，激光的相干长度可达几十千米，相干性较好。

第二组（投影资料）我们组整理的信息中，激光的另一特点是激光的亮度特高，近年研制出的强激光的亮度要比太阳亮100亿倍以上。

第3、4节光的偏振__激光与全息照相1．光的偏振说明光是横波，光的偏振应用很多，如照相机镜头前的偏振滤光片和立体电影等。

2．偏振片是一种特殊的光学元件，只能让某一方向的振动的光通过。

3．激光具有相干性高、平行度好、亮度高的特点，在生活中的各个领域，激光都有广泛的应用。

对应学生用书P55光的偏振1．自然光太阳、电灯等普通光源发出的光，在垂直于传播方向的平面内，光波可沿任何方向振动，光振动在平面内是均匀分布的。

2．偏振光自然光通过偏振片(起偏器)之后，只有振动方向与“狭缝”方向一致的光波才能通过。

自然光通过偏振片后，就能获得偏振光。

3．起偏器和检偏器(1)用于获得偏振光的偏振片叫起偏器，用于检查通过起偏器的光是不是偏振光的偏振片叫检偏器。

(2)偏振器的偏振化方向：偏振光能完全通过的方向。

4．偏振现象的应用(1)在照相机镜头前装一偏振片，并适当旋转偏振镜片，能够阻挡偏振光，消除或减弱光滑物体表面的反光或亮斑。

(2)利用偏振光通过受力的塑料或玻璃时，偏振化方向会发生变化，这一现象可以检查应力的分布情况以及用于地震预报。

(3)立体电影，液晶显示器，汽车挡风玻璃等。

[跟随名师·解疑难]1．偏振现象对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫做横波的偏振，偏振是横波特有的现象。

2．自然光和偏振光的比较自然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强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与起偏器的偏振化方向一致)[特别提醒](1)我们平时所看到的光，除直接从光源射来的光，其他多为偏振光。

(2)自然光经镜面反射后的反射光是偏振光。

(3)只有横波才能发生偏振现象，光是横波。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)对于光的偏振，以下认识正确的是( )A．振动方向在平行于传播方向的平面上，只沿特定方向振动的光是偏振光B．从电灯等光源直接发出的光本身就是偏振光C．通过偏振片去看电灯发出的光，看到透射光亮度无变化，说明透射光不是偏振光D．光的偏振现象使人们认识到光是一种横波解析：选D 由自然光和偏振光的关系可知A错误；平时我们看到的光，除直接从光源射来的光以外，几乎都是偏振光，所以B错误；透过偏振片后的光一定是偏振光，所以C 错误；横波只沿某一特定方向振动，所以D正确。

第4节激光与全息照相课堂互动三点剖析一、激光及其特性1.相干性好.所谓相干性好，是指容易产生干涉现象，普通光源发出的光（即使是所谓的单色光）频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件.2.平行度非常好，与普通光相比，传播相同的距离激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距，现在利用激光测量地月距离精确度已达到1米.3.激光的亮度非常高.它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.4.激光单色性很好，激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.【例1】在演示双缝干涉的实验时，常用激光作光源，这主要是应用激光的什么特性（ ) A.亮度高 B.平行性好 C.单色性好 D.波动性好解析：频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光.故本题的答案是C.答案：C二、激光与全息照相全息照相是应用光的干涉来实现的.作为光源的激光被分成两部分：一部分通过凹透镜发散后射到照相胶片上；另一部分射向一个平面镜，经反射后通过另一凹透镜射向被拍照的物体.该物体把光线反射到照相胶片上，并与第一束光发生干涉，两束光干涉的结果就在照相胶片上记录了被拍摄物体的三维图像信息，这就是全息照片.【例2】关于激光所具有的特点，下列说法中正确的是（）A.激光相干性好B.激光平行度好C.激光亮度高D.激光易色散解析：由于激光可以看作是频率稳定的光，频率决定颜色，即激光可看作是单色，不能发生色散，故D错.而A、B、C选项均为激光的特点.答案：ABC各个击破类题演练1一台激光器，它的功率为P，如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ，则这束单色光的频率是__________，它在时间t内辐射的光能为__________，如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v，那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为_____________.解析：根据v=λf可得这束单色光的频率f=c/λ；激光器在时间t内所做的功W=Pt转化为光能；这束单色光对该介质的折射率n=c/v，设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C，则sinC=1/n=v/c,所以C=arcsin（v/c).答案：c/λ Pt arcsin（v/c)变式提升11969年7月，美国“阿波罗号”宇宙飞船的登月舱在登上月球的科学考察活动中，在月球上安放了一台激光反射器，成功地解决了用激光测量月地间距离问题.据你所知，用激光测量月地距离的原理是什么？解答：激光反射器由三块相互垂直的平面镜组成，能把射来的激光按原方向反射回去.由于激光的方向性好，因而可从地球上向月球上的激光反射器发射激光脉冲，只需测量发射脉冲和收到回波的时间间隔Δt，则测量月地距离为.类题演练2以下说法正确的是（）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亮度高的特点C.激光写、读利用了激光亮度高的特点D.激光加工、激光手术和激光武器都利用了激光亮度高的特点解析：利用激光的相干性进行信息的传递.例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；利用激光的高亮度进行激光切割和焊接.答案：ABD变式提升22001年国家最高科学技术奖授予中科院院士王选，表彰他在激光排版上的重大科技贡献.激光是一种电磁波，某种排版系统中激光频率为4×1014 Hz，则该激光的波长为（）A.0.25 μmB.0.50 μmC.0.75 μmD.1.33×106 m 解析:根据公式v=λf可以有λ=m=0.75×10-6m=0.75 μm .答案：C中国书法艺术说课教案今天我要说课的题目是中国书法艺术，下面我将从教材分析、教学方法、教学过程、课堂评价四个方面对这堂课进行设计。

第4节光的偏振第5节激光与全息照相[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道光的偏振现象和激光的特点．科学思维能区分偏振光和自然光，理解激光的特点及应用．科学探究能够与他人合作，探究激光的特点．科学态度与责任感受偏振光和激光在日常生活中的应用，激发学习科学的热情．知识点一光的偏振1．偏振现象(1)偏振：横波只沿着某一个特定的方向振动的现象．(2)偏振片和透振方向偏振片是只让某一方向振动的光通过的一种光学元件．通常把这个透光方向称为偏振片的透振方向．(3)光的偏振现象说明，光是一种横波．(4)自然光在垂直于传播方向的平面内，光波可沿任何方向振动，光振动在平面内的分布是大致均匀的，这样的光称为自然光．(5)偏振光让自然光通过偏振片，就能获得偏振光．(6)起偏器和检偏器用于获得偏振光的偏振片叫起偏器，用于检查通过起偏器的光是不是偏振光的偏振片叫检偏器．2．偏振现象在生产生活中的应用偏振现象的主要应用有偏振镜、立体电影、地震预报等．只有横波才存在偏振现象，纵波不存在偏振现象．1：思考辨析(正确的打“√〞，错误的打“×〞)(1)自然光是偏振光．(×)(2)光的偏振现象说明光是横波．(√)(3)自然光通过偏振片可以获得偏振光．(√)2：填空立体电影应用了光的偏振现象．知识点二激光与全息照相1．激光及其特性(1)激光器产生激光的装置．(2)激光及特性激光是原子受激辐射产生的光，激光光束中所有光子的频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致，所以激光具有单色性好、相干性好、方向性强、亮度高等特点．2．激光的应用(1)激光音乐喷泉(2)激光扫描条形码(3)激光测量(4)激光治疗3．全息照相全息照相是应用光的干预实现的．作为光源的激光被分成两局部：一局部通过凹透镜发散后射至胶片上；另一局部射向一个平面镜，经反射后通过另一个凹透镜发散后射向被拍摄的物体．该物体把光反射到胶片上，并与第一束光发生干预，两束光干预的结果就在胶片上记录下被拍摄物体的三维图像信息，这就是全息照片．自然界中是否存在激光？提示：自然界中不存在激光．3：思考辨析(正确的打“√〞，错误的打“×〞)(1)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好．(√)(2)探照灯的光束就是激光．(×)(3)全息照相是利用激光单色性好的特点，发生干预．(√)考点1 激光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，如激光干预仪、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？激光干预仪激光切割机激光炮提示：激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点．激光的特性及应用特点(与普通光相比)特点内容应用单色性好相干性好频率单一，相位差恒定，易发生干预现象，可像无线电波一样调制激光全息照相、光纤通信、光的干预方向性好激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行光，可以会聚到很小的点上测距和跟踪目标、CD唱片、计算机光盘亮度高激光能在很小的空间、很短的时间内集中很大的能量“光刀〞、激发核反响【典例1】关于激光的应用，以下说法正确的选项是( )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，能够产生明显的干预，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；利用激光光强度大、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．][跟进训练]1．激光可以用来进行精确的测距，激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置，它是利用了激光的什么特点( )A．激光具有高度的相干性B．激光的平行度非常好C．激光的亮度高D．激光的单色性好B[“激光测距雷达〞利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度好，方向性好．故B正确．]考点2 光的偏振如下图是立体电影中的图片．为什么立体电影会产生如此神奇的效果？提示：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片．1．偏振现象对于横波通过狭缝的情况，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能无阻碍地通过狭缝，而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时，横波不能通过狭缝，说明偏振是横波特有的现象．2．自然光与偏振光的区别自然光(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强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与起偏器透振方向一致)后边放上光屏，如下图，那么以下说法正确的选项是( )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[思路点拨]该题可按如下思路分析：太阳光是自然光振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．BD[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．]关于“偏振〞的几个考前须知(1)偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向〞，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．(2)偏振片上的“狭缝〞表示透振方向，而不是真实狭缝．(3)光的偏振现象说明光是一种横波．(4)自然光透过偏振片可以变成偏振光．(5)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．[跟进训练]2．关于自然光和偏振光，以下观点正确的选项是( )A．自然光能产生干预和衍射现象，而偏振光却不能B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光D．自然光和偏振光都能使感光底片感光D[振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干预、衍射，所以A错；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大局部光，都是偏振光，所以B错；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D对．] 1．(多项选择)关于自然光和偏振光，以下说法正确的选项是( )A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同B．偏振光是垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又复原为自然光D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光BD[自然光沿各振动方向的光波的强度相同，A错误；偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，B正确；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能复原为自然光，C错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D正确．]2．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A[由于反射光的干扰，景物的像常常比拟模糊，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．]3．2021年，科学家利用激光干预方法探测到由于引力波引起的干预条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，以下说法中正确的选项是( )A．激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光B．激光相干性好，任何两束激光都能发生干预C．用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环D．激光全息照片是利用光的干预记录下物体三维图像的信息D[激光是人造光，也是偏振光，故A错误；激光相干性好，只有频率相同的两束激光才会发生干预，故B错误；用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故C错误；激光全息照片是利用光的干预记录下物体三维图像的信息，故D正确．] 4．(新情境题，以“照相机、太阳镜〞为背景，考查光的偏振现象)如下图，在柏油马路和湖面上常常遇到耀眼的炫光，它使人的视觉疲劳．这些天然的炫光往往是光滑外表反射而来的镜式反射光和从外表反射的漫反射光重叠的结果，漫反射光是非偏振光，而镜式反射光一般是局部偏振光．由于它们是从水平面上反射的，光线的入射面是垂直的，所以反射光含有大量振动在水平方向的偏振光．要想消除这种炫光，只要将光线中的水平振动成分减弱些就可以了．同理，要想消除从竖直面反射来的炫光，如玻璃窗反射来的炫光，所用偏振轴应取水平方向．问题：(1)某些特定环境下照相时，常在照相机镜头前装一片偏振滤光片使影像清晰，这是利用什么原理？(2)市场上有一种太阳镜，它的镜片是偏振片，为什么不用普通的带色玻璃片而用偏振片？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？[解析](1)在某些特定环境下，如拍摄池水中的游动的鱼时，由于水面反射光的干扰，影像会不清楚，在镜头前装一片偏振片，去除反射光(反射光为偏振光)，影像就变得清晰．这是利用了光的偏振．(2)这种太阳镜是为了消除柏油马路和湖面上反射的耀眼的炫光，因此应用偏振片而不是带色的普通玻璃片．该反射光为水平方向的偏振光，故应使镜片的透振方向竖直．[答案]见解析回归本节知识，自我完成以下问题：1．什么是偏振现象？提示：如果横波只沿着某一个特定的方向振动，叫做波的偏振，只有横波才有这个特性．2．激光有什么特性？提示：单色性好、方向性强、亮度高等．3．让自然光通过一块偏振片，能否获得偏振光？提示：能．立体电影和偏振光你看到立体电影吗？你知道它的道理吗？它就是应用光的偏振现象的一个例子．在观看立体电影时，观念要戴上特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片．如果不戴这副环境，银幕上的图像就模糊不清了．这是为什么？两眼看到的情景稍有差异，大脑分析后就产生了立体感。