第3节 光的衍射与偏振
第4节 激 光
1.认识光的衍射现象和偏振现象，知道光波是一种横波. 2.知道光产生明显衍射的
条件及衍射图样与波长、缝宽的定性关系.(重点＋难点) 3.了解激光的特性及其应用.
一、光的衍射 1.单缝衍射现象
(1)当单缝(或圆孔)较宽(大)时，光沿着直线方向通过单缝(或圆孔)，在光屏上可以看到一条跟单缝(或圆孔)宽度(大小)相当的亮线(或亮斑).
(2)把单缝(或圆孔)调窄(小)些，可以看到屏上亮线(或亮斑)也随之减小.
(3)当单缝(或圆孔)调到很窄(小)时，光通过单缝(或圆孔)后就明显地偏离了直线传播方向，到达屏上以后，不再是一条很窄的亮线(或一个很小的亮斑)，而是照到了相当宽(大)的地方，并且出现了明暗相间的条纹；再调小单缝(或圆孔)，条纹也随之变得清晰、细小.
2.光的衍射
按照直线传播的要求应该属于阴影的区域也会出现亮条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象.
3.衍射图像：衍射时产生的明暗条纹或光环. 二、光的偏振
1.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光的偏振现象说明光是横波.
2.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，只有沿这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做透振方向.
3.线偏振光：光的振动方向限在一个平面内的光.
4.自然光：通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成.
三、激光的特性及其应用
1.激光的特性体现在以下几个方面：强度大、方向性好、单色性好、相干性好、覆盖波段宽而且可调谐.
2.激光的应用体现在以下几方面：激光加工、激光全息照相、激光检测、激光通信、激光医学、激光照排、光盘.
将两支笔捏紧，平行对着日光灯看到什么现象？ 提示： 看到彩色条纹.
对衍射现象及图像特征的认识
1.衍射现象
当单色光通过很窄的缝或者很小的孔时，光离开了直线路径，绕到障碍物的阴影里，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所对应照明的区域，形成明暗相间的条纹或光环，这就是光的衍射现象.
2.产生明显衍射的条件
障碍物的尺寸跟波长相近或比光的波长还小时，能产生明显的衍射.对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显.
3.常见三种衍射图像的比较 (1)单缝衍射图样的特点 ①中央条纹亮而宽.
②两侧亮纹具有对称性，亮纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱.
③波长一定时，单缝较窄的中央条纹较宽，各条纹间距较宽；单缝宽度不变时，光波波长较长的中央条纹较宽，各条纹间距较宽.
④白光的单缝衍射条纹是中央为白色亮纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮纹的条纹内侧为紫色.
(2)圆孔衍射图样的特点
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.
②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，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大.
③同一种单色光，圆孔越小，中央亮斑半径越大，同时亮度越弱.
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. (3)障碍物的衍射特点
各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清.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.形成泊松亮斑时，圆形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，亮环或暗环间距随半径的增大而减小.
4.单缝衍射与双缝干涉的比较
产生条件 条纹宽度 条纹间距 亮度 相同点 单缝衍射 狭缝非常小 条纹宽度不等，中间最宽 条纹间距不等 中央条纹最亮，两边最暗 双缝干涉 频率相同，相位差恒定 条纹宽度相等 条纹间距相等 清晰条纹，亮度基本相等 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 单缝越小，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以条纹的亮度降低；圆
孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度减弱.
在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下图中四幅图片中属于
光的单缝衍射图样的是( )
A．a、c C．a、d
B．b、c D．b、d
[解析] a图中是等间距的光的干涉图样，b图是单色光的单缝衍射图样，c图是水波的衍射图样，d图是白光的单缝衍射图样，可见D正确.
[答案] D
【通关练习】
1.关于光的衍射现象，下列说法正确的有( )
A．只有当光的波长等于障碍物或小孔的尺寸时，才会产生光的衍射现象 B．当光的波长大于障碍物尺寸时，完全不产生衍射现象 C．发生小孔衍射时，若减小小孔直径，条纹变亮 D．发生小孔衍射时，若略微增大小孔直径，条纹变亮
解析：选D．对A、B选项，没有很好地理解衍射的条件.光离开直线传播的路线进入障碍物的几何阴影里去的现象叫做光的衍射.任何障碍物都可以使光产生衍射，但当障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或小于光的波长时，将产生明显的衍射现象.现象明显了，才容易被观察到，所以衍射并不要求波长与障碍物或孔的尺寸一定相等.对选项C，没有正确理解产生明显衍射现象与衍射条纹亮度的关系，认为衍射越明显就是衍射条纹越亮，犯了想当然的错误.当发生小孔衍射时，孔径越小，衍射越明显(屏上衍射图样分布的范围越大).但由于通过孔的光
的能量少.故而图样将变暗.
2.某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚之间形成的狭缝观察光的衍射. (1)若某次观察光的衍射时游标卡尺的示数如图所示，则卡尺两测脚间的狭缝宽度为________.
(2)在利用游标卡尺两脚之间形成的狭缝观察光的衍射总结出的以下几点中，正确的是________.
A．若狭缝与灯丝平行，则衍射条纹与狭缝平行
B．衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关，狭缝越窄，衍射条纹越窄 C．衍射条纹的间距与光的波长有关，光的波长越长，衍射条纹越宽 D．衍射条纹的间距与光的频率有关，光的频率越大，衍射条纹越宽 1
解析：(1)卡尺游标尺为20分度，其精度为 mm＝0.05 mm.
20读数＝固定刻度＋可动刻度＝0＋5×0.05 mm＝0.25 mm.
(2)观察光的衍射现象时，狭缝必须与灯丝平行，而衍射条纹与狭缝平行，A正确；衍射现象明显与否与缝宽和光波长有关.狭缝越窄，光波长越长，现象越明显，故B错误，C正确；由c＝λν知，频率越高则光波长越短，衍射现象越不明显，故D错误.
答案：(1)0.25 mm (2)AC
对偏振光的理解
1.自然光与偏振光的比较
光的来源 自然光 直接从光源发出的光 偏振光 自然光通过起偏器后的光或由某种介质反射或折射的光 不 同 点 在垂直于光的传播方向的平面内，在垂直于光的传播方向的平光的振动方向 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 相同点 面内，光振动沿某个特定方向(与起偏器透振方向一致) 不管是自然光还是偏振光，传播方向与振动方向一定垂直 2.获得偏振光的方法 (1)让自然光通过一块偏振片(起偏器).
(2)自然光射到两种介质的交界面上，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.
3.光的偏振的应用
(1)在摄影镜头前加上偏振镜消除反光. (2)汽车前灯和前窗玻璃用偏振玻璃防止强光. (3)利用偏振光的旋光特性测量相关物理量. (4)利用光的偏振制成液晶显示器. (5)使用偏振片观看立体电影.
(1)光的偏振现象表明光是一种横波.
(2)平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外，绝大部分是偏振光.
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] 白炽灯光包含各方向的光，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；白炽灯经偏振片P后为偏振光，当Q旋转时，只有与P的偏振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光强有变化，选项C正确.
[答案] C
(多选)如图所示，一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发
亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)( )
解析：选ABD．自然光通过起偏器后变为偏振光，能照亮光屏，A、B正确；偏振光经过偏振片时，若偏振方向相互垂直，则无光通过，光屏上无亮光，C错误，D正确.
激光能量问题
一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲，
若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10
(1)则每列光脉冲的长度是多少？
(2)用红宝石激光照射皮肤色斑，每1 cm2吸收能量达到60 J以后，色斑便逐渐消失，一颗色斑的面积为50 mm2，则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
[思路点拨] 激光的传播速度为光速c，激光亮度非常高，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，这样可达到消除色斑的目的，由能量守恒便可求解.
[解析] (1)一个光脉冲长度Δl＝c·Δt＝3.0×108×1.0×10－11 m＝3.0×10－3 m. (2)一个光脉冲所携带的能量ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11 J＝0.1 J. 消除面积为S＝50 mm2的色斑需要光脉冲数为n，则 E·S60×50×10－
n＝＝＝300(个).
ΔE0.1[答案] (1)3.0×103 m (2)300个
激光器发射的激光波长属于可见光中红光波段，每列光脉冲的长度远大于光的波长，抓住能量的转化和守恒是解题关键.
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s，波长为694.3 nm，发射功率为1.0×1010 .
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