【本讲教育信息】

一. 教学内容：

1. 光的衍射

2. 光的偏振

3. 全反射

4. 激光

二. 知识归纳、总结：

（一）光的衍射

1. 衍射现象

波能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象。

2. 产生明显衍射现象的条件

障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多。

3. 三种不同的衍射现象

（1）单缝衍射

如图所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播，而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象。

特别强调：衍射是波特有的一种现象，只是有的明显，有的不明显而已，闻其声不见其人就是这个原因。

（2）圆孔衍射

如图所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图中甲所示的情形，无衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现图中乙所示的衍射图样，出现亮、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也能使光发生衍射，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。

4. 衍射现象的分析

（1）用单色光照射狭缝，在狭缝较宽时，屏上出现一段亮条纹，且缝越窄，亮条纹也越窄，因为此时狭缝宽度比波长大很多，光是沿直线传播的；当狭缝很窄时，屏中央出现一条比狭缝宽度大很多的亮条纹，两侧出现明暗相间，但间距和亮度不等的条纹；当狭缝更窄时，中央亮条纹更宽，两侧的亮条纹离中央亮条纹更远，产生了明显的衍射现象。

（2）用单色光照射小孔，随着圆孔的减小，屏上先后出现的是：

圆形亮斑→光源倒立的像（小孔成像）→明暗相间的圆环（衍射图样）

（3）衍射条纹的产生，实质上是光波发生干涉的结果，即相干波叠加的结果，当光源发出的光照射到小孔或障碍物上时，小孔处可看作有许多点光源，障碍物的边缘也可看成有许多点光源（惠更斯原理）。这些点光源是相干光源，发出的光相干涉，在光屏上形成亮暗相间的条纹。

5. 光的干涉和光的衍射的比较

（1）双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果，只是干涉条纹是有限的几束光的叠加，而衍射条纹可认为是极多且复杂的相干光的叠加。

（2）单缝衍射时，照射光的波长越长，中央亮纹越宽，衍射和干涉都能使白光分色，且中央白光的边缘均呈红色。

（3）干涉和衍射的图样有相似之处，都是亮暗相间的条纹，只是干涉条纹中各条纹宽度和亮纹亮度基本相同，衍射条纹中各条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮。

（二）光的偏振

1. 偏振现象

机械波是横波时，当质点的振动方向与狭缝平行时，机械波能透过狭缝传播，反之，则不能传播。

对纵波而言，不管什么情况，纵波总能透过狭缝而传播。

2. 自然光和偏振光

（1）自然光

从普通光源直接发出的天然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向，这种沿着各个方向振动的光波的强度都相同的光叫自然光。

如图所示，普通光源S发出的光经过偏振片时，后面的光屏是明亮的，说明光透过了偏振片；若转动偏振片，光屏上亮度不变，说明透过光的强度不变，由此可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同。

（2）偏振光

只有一个振动方向的光叫偏振光，如经过偏振片后的自然光，若偏振光再经过一个偏振片后，情况会怎样呢？如图所示，当两偏振片的“狭缝”平行时，光屏上仍有亮光，当两偏振片的“狭缝”相互垂直时，透射光的强度几乎为零，光屏上是暗的，如图所示。

结论：由以上现象可知：光是一种横波。

（3）偏振光的另一种产生方式

自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。

3. 偏振光的作用

（1）光的偏振现象有很多应用，如在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景象不清楚，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，就可以减弱反射光而使景象清晰。

（2）夜晚行车时，对方照射过来的光很强，若加一个偏振片，可减弱对眼睛的照射。

（3）立体电影也是利用了光的偏振原理。

（三）全反射

1. 光疏介质和光密介质

任何介质的绝对折射率都大于1，折射率越大，光在其中传播的速度就越小，两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质。

2. 绝对折射率和相对折射率

（1）定义：光从介质1射入介质2时，入射角i与折射角r的正弦之比叫做介质2对介质1的相对折射率，通常用n₂₁表示，若介质1是真空，则介质2相对真空的折射率叫该介质的绝对折射率，通常用n表示。

（2）规律：n₂₁=

故n₂₁=

3. 全反射

光由光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射角会增大到90°此时折射光将怎样传播呢？实验证明，当折射角达到90°时，折射光全部消失，入射光全部被反射回原介质；当入射角再增大时，入射光仍被界面全部反射回原介质，这种现象叫做全反射。

（1）临界角的定义：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C表示。

（2）临界角C的表示式：由折射定律知，光由某介质射向真空（或空气）时，若刚好发生全反射，则n=.

4. 全反射棱镜

定义：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。

（四）激光

（1）激光是人工产生的相干光

激光的频率单一，相干性非常好，颜色特别纯，用激光做衍射、干涉实验，效果特别好，激光可以像无线电波那样调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。

（2）激光束的平行度和方向性非常好

利用激光的这一特点，可以根据发射与返回的时间间隔，测量超远距离。

还可以利用激光平行度好的特点刻制光盘，这种光盘所记录的信息密度高。

（3）激光的强度大，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，可使被照射物体在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温。

激光在医疗上可以充当手术刀切除肿瘤，“焊接”剥落的视网膜；还可以充当武器给对方致命一击。

【典型例题】

例1. 关于光的衍射现象，下面说法正确的是（）

A. 红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

B. 白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

C. 光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射

D. 光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，不存在光的衍射

解析：单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹。白光的衍射图样是彩色条纹。光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现亮点，是衍射现象。光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在光的衍射现象。

例2. 对于光的衍射的定性分析，下列说法中正确的是（）

A. 只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比甚至比光的波长还要小的时候，才能明显地产生衍射现象

B. 光的衍射现象是光波相互叠加的结果

C. 光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论

D. 光的衍射现象说明了光具有波动性

解析：光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像现象，孔不能太小，可见光沿直线传播的规律只是近似的，只有在光波波长比障碍物小得多的情况下，光才可以看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播并不矛盾，它们是在不同条件下出现的两种光现象。

答案：ABD

例3. 分析以下现象产生的原因

（1）通过盛水的玻璃杯，在适当的角度可以得到彩色光。

（2）菜汤上的油花呈现彩色。

（3）隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色光芒。

（4）光线照在花布中，可以看见花布上的图样。

解析：（1）白光通过盛水的玻璃杯发生折射，产生色散，在适当的角度，各色光分离较大，可看到彩色光。

（2）光经过菜汤上油膜的前后两个表面发生反射，两列反射光相互叠加，产生干涉条纹，因此菜汤上的油花呈现彩色。

（3）远处灯发出的光经过帐幔的缝隙产生衍射，因此可见灯周围辐射彩色的光芒。

（4）光线照在花布上看见花布的图样，是由于光的反射与吸收的结果，花布是由各种颜色的花纹组成的，当白光照在花布上时红色花纹反射红光，吸收其他颜色的光，这样我们在该位置只看到红色，同理可以看到各种花纹反射的颜色，这样我们可以看到花布的图样。

例4. 在图中，A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像，其中图A是光的____________（填“干涉”或“衍射”）图像，由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径__________（填“大于”或“小于”）图B所对应的圆孔的孔径。

解析：A中出现明暗相间的条纹，是衍射现象，B中出现圆形亮斑。只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象。图A是光的衍射图样，由于波的波长很短，所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小。图B的形成可以用光的直线传播解释。

例5. 两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过，如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象（）

A. 透过偏振片的光强先增强，然后又减少到零

B. 透过的光强先增强，然后减小到非零的最小值

C. 透过的光强在整个过程中都增强

D. 透过的光强先增强，再减弱，然后又增强

解析：起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过；偏振方向平行时，光强达到最大，当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，然后又减小到零。

答案：A

例6. 如图为一直角棱镜的横截面，∠bac=90°，∠abc=60°，一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜，已知棱镜材料的折射率，若不考虑原入射光在bc面上的反射光，则有光线（）

A. 从ab面射出

B. 从ac面射出

C. 从bc面射出，且与bc面斜交

D. 从bc面射出，且与bc面垂直

解析：依题作出光在棱镜中的光路图，如图所示，显然,光在ab面上的入射角i=60°，大于光在该棱镜中的全反射临界角C=arcsin=45°，则光在ab面上发生全反射，接着以i′=30°的入射角射到ac界面上，因i′＜45°，光在ac面上不发生全反射而进行部分反射和折射，其反射角i′=30°，反线光正好与bc面垂直，故B、D两项正确。