3. 光的衍射与偏振优质课一等奖

高邮市第一中学高二物理导学案 2019-04-18

§5.3 光的衍射与偏振

【学习目标】

1. 通过实验观察，认识光的衍射现象，知道光发生明显衍射现象的条件，从而对光的波动性有进一步的认识，知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律；

2. 通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习，培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的学习态度和科学研究品德；

3. 认识光的偏振现象，知道光是横波；

4. 知道偏振光与自然光的区别，能用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。

【学习过程】

一．光的衍射

【讨论交流1】通过光的干涉的学习，我们知道光具有波动性。光既然是一种波，那么光在传播过程中也会发生衍射现象。大家有没有见过光的衍射现象呢？为什么平时我们不易观察到光的衍射现象呢？

没有。可能是因为光波波长很短(400nm～700nm)，而平常我们遇到的障碍物或孔的尺寸比较大。

【视频1】单缝衍射实验

在不透明的屏上装有一个宽度可以调节的单缝，用氦氖激光器照射单缝，在缝后适当距离处放一光屏，如右图所示。

调节单缝宽度演示，得出下列结果。(见教材P87图5-3-2)

实验现象记录：

缝宽

屏上现象

光波衍射的物理意义

(1) 进一步证明光具有

波动

性；

(2) 光沿直线传播只是一种近似规律。

障碍物尺寸比光的波长大得多时，衍射现象

不明显

，光几乎沿直线传播；

障碍物尺寸跟光的波长小或相差不多时，衍射现象明显，光不可看为沿直线传播。

积一时之跬步，臻千里之遥程！

- 1 - 较宽

与缝等宽的亮线

较窄

明暗相间的条纹

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【讨论交流2】观察课件上的衍射图样，分析衍射规律。

入射光波长一定时，狭缝越

窄

，中央亮条纹越宽

，衍射现象越明显；狭缝宽度一定时，波长越

长

，中央亮条纹越宽，衍射现象越明显。

【注意】白光衍射时，中央是

白色

亮纹，两边是彩色条纹且外侧呈红色，内侧为紫色。

【动手实验】将两支笔紧靠在一起，形成狭缝，狭缝方向与日光灯灯管平行，透过狭缝可以看到白光的衍射现象。

【讨论交流3】红光的单缝衍射图样与红光的双缝干涉图样有什么相同之处和不同之处？ 相同处：图样都是 明暗相间 的条纹

不同处：衍射图样：中间亮纹最

宽 最 亮

，亮条纹的亮度向两边很快

减弱 ，条纹间距

不等

，向两边逐渐

减小

；

干涉图样：亮条纹的亮度向两边

减弱

较

慢

，条纹间距

相等

。

【例1】(单选)如图所示的4种明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和黄光、紫光通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分代表亮纹),那么1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是( B )

A.红、黄、蓝、紫

C.蓝、紫、红、黄

B.红、紫、蓝、黄

D.蓝、黄、红、紫

【解析】由于双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此1、3为双缝干涉条纹,2、4为单缝衍射条纹。又双缝干涉条纹的间距Δx=lλ,在l、d都不变的情况下,干涉条纹间距Δx与波长λ成正比,红光d波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距比蓝光干涉条纹间距大,即1、3分别对应红光和蓝光。而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,黄光波长比紫光波长长,则黄光的中央条纹较宽较亮,故2、4分别对应紫光和黄光。综上所述,1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄,B正确。

积一时之跬步，臻千里之遥程！

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【视频2】圆孔衍射实验

(1) 孔径较大时：在光屏上出现：

圆形亮斑

；

(2) 孔径较小时：在光屏上出现：中央是

大而亮的圆形亮斑

，周围分布着

明暗相间的同心圆环

，且越向外，圆形亮条纹的亮度越

弱

，宽度越

小

。 (见教材P87图5-3-2) 【注意】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)。

【例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，试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)。

【解析】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．

【视频3】不透明的小圆板衍射图样

---

“泊松亮斑”实验

著名数学家泊松根据物理学家菲涅耳提出的波动理论推算出．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．不透明的圆板阴影的中心应该是一个亮斑，想借此驳倒菲涅耳的波动．．．．．．．．．．．．．．．．．．理论，菲涅耳与阿拉果接受了泊松的挑战，通过多次实验，发现圆板中心确有一个亮斑。这样“泊松亮斑”实验就成了光的波动理论的精彩验证。(见教材P86图5-3-1) (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

。

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二．光的偏振

质点的振动方向和波传播方向垂直的波叫

横波

，抖动水平软绳时产生的波就是横波；质点的振动方向和波传播方向在同一条直线上的波叫

纵波

，水平悬挂的弹簧一端振动时形成的沿弹簧传播的波就是纵波。 能否用实验证明绳波是横波？

让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧(图甲)；如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播(图乙)。

如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧。

实验结论：横波具有

偏振

现象

通过光的干涉和光的衍射内容的学习，我们知道光具有波动性，那么光波究竟是横波还是纵波呢？

【观看视频1】

偏振片：由高分子薄膜制成的光学器件，它上面有一个特殊的方向(透振方向)。只有振动方向与透振方向平行的光能够完全通过偏振片；振动方向与透振方向垂直的光，完全不能通过。

实验1：让太阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧进行观察透射光的强度。旋转偏振片，观察透射光的强度是否变化。

实验现象：可以看到偏振片是透明的。以光的传播方向为轴旋转偏振片

P，透射光强度不变；

实验2：偏振片P的后面再放一个偏振片Q，观察通过两个偏振片的透射光。什么时候最亮？什么时候最暗？

实验现象：当Q和P的透振方向平行时，透射光强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱。当Q和P的透振方向垂直时，透射光强度最弱，几乎为零。

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实验现象分析：通过第一个偏振片(起偏器)的偏振光再通过第二个偏振片(检偏器)时,如果两个偏振片的透振方向平行,那么,通过第一个偏振光的振动方向跟第二个偏振片的透振方向平行,透射光的强度最大。如果两个偏振片的透振方向垂直,那么,偏振光的振动方向跟第二个偏振片的透振方向垂直,偏振光不能通过第二个偏振片,透射光的强度为零。

实验结论：光是

横波 !

自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波强度都相同。

偏振光：自然光通过偏振片之后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光才能通过．也就是说，通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动。

光的偏振现象并不罕见．除了从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光．自然光射到两种介质的界面上，如果光入射的方向合适，使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振方向互相垂直．

【注意】光波的电场强度矢量E称为光振动。光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E所引起的。

偏振现象的应用

(1) 摄影中的偏振滤光片：

在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清楚。如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以消减反射光而使景像清晰。

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(2) 消除汽车大灯产生的眩光：

汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时,为了避免双方车灯的眩目,司机都关闭大灯，只开小灯，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么,司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光经对方车反射回来的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，可以保证安全。

另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。

(3) 观看立体电影: 在拍摄时,用两个摄影机(两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛)同时拍下同一物体的两个画像；放映时把两个画像同时映在银幕上,如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画像,另一只眼睛看到另一个画像,就可以使观众感到有立体感。

为此,在放映时，每个放像机的镜头上放一个偏振片,两个偏振片的偏振方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化向相同，这样，银幕上的两个画面分别同时通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。 (4) 液晶显示

液晶具有旋光性(改变光的振动方向) 电极间不加电压：自然光→上偏振片→液晶→下偏振片→反射镜→下偏振片→液晶→上偏振片→出去→看上去液晶是透明的

电极间加电压：液晶旋光性消失,光线通不过下偏振片,打不到反射镜上,液晶看上去是不透明的,显示出电极板上的数字笔画

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如果有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向.（液晶的旋光性）

如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板．

液晶显示器就是利用这一特性,在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶,利用电场控制液晶的转动.不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度．

(5) 生物的生理机能与偏振光

人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五只眼：三只复眼、两只单眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。

【例3】(多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向(用带有箭头的实线表示)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( ABD )

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

【例4】(多选)利用旋光仪这种仪器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，这一角度称为“旋光角”,的值与糖溶液的浓度有关。将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，则下列说法中正确的是( ACD ) A.到达处O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处光的强度最大，偏振片转B过的角度等于

D.将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片A转过的角度等于

积一时之跬步，臻千里之遥程！

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