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6　光的偏振　激光
课后·训练提升
基础巩固
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
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.相干性好 D.波动性好
答案C
2.利用激光束来切割各种物质,是利用激光的(　　)
A.相干性好的特点
B.方向性好、平行度高的特点
C.亮度高的特点
D.单色性好的特点
答案C
3.激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用广泛。下列关于激光的叙述正确的是 (　　)
A.激光是纵波
B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C.激光也是自然界的产物
D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
答案D
解析激光属于电磁波,电磁波为横波,选项A错误。频率相同的激光在不同介质中频率不变,但波速不同,由v=λf可知波长也不同,选项B错误。激光是原子受激辐射产生的光,自然界中的发光体不能发出激光,选项C错误。利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离,选项D正确。
4.关于自然光和偏振光,以下说法正确的是(　　)
A.自然光包含着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的强度可以不相同
B.偏振光是在垂直于传播方向上,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还原为自然光
D.晚上月亮光是自然光
答案B
解析光源发出的光,沿着各个方向振动的光的强度都相同的光,叫作自然光。沿某个特定方向振动的光叫作偏振光,故选项A错误,B正确。偏振光不能通过偏振片还原为自然光,选项C错误。月亮光是偏振光,选项D错误。
5.关于光的偏振现象,下列说法正确的是(　　)
A.光的偏振现象说明光是纵波
B.拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使影像更清晰
C.一束自然光通过某偏振片时,只有振动方向与该偏振片透振方向垂直的光波才能通过
D.一束自然光入射到两种介质的分界面上,只有当反射光与折射光线之间夹角恰好是90°时,反射光是偏振光
答案B
解析光的偏振现象说明光是横波,故选项A错误。拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰,这是利用光的偏振现象,故选项B正确。振动方向和透振方向垂直的光不能通过偏振片,故选项C错误。反射光是偏振光,与折射光、反射光之间的夹角是否等于90°无关,故选项D错误。
6.如图所示,两光屏间放有两个透振方向相互平行的偏振片,现让太阳光沿轴线通过光屏M上的小孔照射到偏振片P上,再通过偏振片Q。现以光的传播方向为轴使偏振片P由图示位置旋转90°,下列说法正确的是(　　)
A.MN间为偏振光 B.PQ间为自然光
C.PQ间的光逐渐变暗 D.光屏N上的光逐渐变暗
答案D
解析MP间为自然光,PN间为偏振光,故选项A、B错误;PQ间亮度不变,光屏上亮度逐渐变暗,故选项C错误,D正确。
7.在杨氏双缝干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片,若两个偏振片的透振方向互相垂直,则(　　)
A.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度减小
B.光屏上仍有干涉条纹,但亮条纹的亮度增大
C.干涉条纹消失,但仍有光射到光屏上
D.干涉条纹消失,光屏上一片黑暗
答案C
解析因两偏振片的透振方向互相垂直,所以经双缝和偏振片透过去的两列光的振动方向不相同,因此不满足相干条件,不发生干涉,故没有条纹出现,选项A、B错误。但仍有光透过去,所以仍有光射在屏上,只是一般的叠加,选项C正确,D错误。
8.夜晚,汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼,严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃,使射出的灯光变为偏振光;同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃,其透振方向正好与对面汽车发出的灯光的振动方向垂直,但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置,如下措施可行的是(　　)
A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是水平的
B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是竖直的
C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
答案D
解析此题要求自己车灯发出的光经反射后仍能进入自己眼中,而对面车灯发出的光不能进入自己的眼中。若前窗的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平,从车灯发出的光照射到物体上反射回的光线将不能透过窗玻璃,司机面前将是一片漆黑,选项A错误;若前窗玻璃与车灯玻璃透振方向均竖直,则对面车灯的光仍能照射得司机睁不开眼,选项B错误;若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°,则车灯发出的光经物体反射后无法透射进本车窗内,却可以透射进对面车内,选项C错误,D正确。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
9.关于光的偏振现象及应用,下列说法正确的是(　　)
A.全息照相利用了光的偏振现象
B.在照相机镜头前加一个增透膜,可以增加透射光强度,这是利用了光的偏振现象
C.拍摄玻璃橱窗内的物品时,在镜头前加一个偏振片可以减少反射光的强度
D.观看3D电影时戴上特制的眼镜会产生立体感觉,这是利用了光的偏振现象
答案CD
解析全息照相的拍摄利用了光的干涉原理,故选项A错误。照相机镜头前加一个增透膜,可以增加透射光强度,这是利用了光的干涉现象,故选项B错误。拍摄玻璃橱窗内的物品时,往往在镜头前加一个偏振片,让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直,从而减弱反射光的强度,故选项C正确。戴上特制的眼镜观看3D电影会产生立体视觉,是利用光的偏振现象,在两只眼睛中产生视觉差,故选项D正确。
能力提升
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
1.如图所示,灯泡S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮。下列措施可以使人在P处看到光亮的是(　　)
A.以过S和P的直线为轴将A转过60°
B.以过S和P的直线为轴将B转过180°
C.平移偏振片A、B使其互换位置
D.将光源S由灯泡更换为太阳光
答案A
解析自然光沿各个方向的振动是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只沿着某一特定方向振动的光。从灯泡直接发出的光为自然光,此时看不到光亮,则两偏振片透振方向相互垂直,以过S和P的直线为轴将A转过60°,则两偏振片透振方向不再相互垂直,则可看见光亮,故选项A正确。以过S和P的直线为轴将B转过180°,两偏振片透振方向仍相互垂直,仍看不见光亮,故选项B错误。平移偏振片A、B使其互换位置,两偏振片透振方向仍相互垂直,仍看不见光亮,故选项C错误。将光源S由灯泡更换为太阳光,仍为自然光,两偏振片透振方向仍相互垂直,仍看不见光亮,故选项D错误。
2.偏振光通过不加电压的液晶时,光的偏振方向会被液晶旋转,这种性质叫液晶的旋光性。用人工方法也可以产生旋光效应,其中最重要的是磁致旋光效应。当偏振光沿着(或逆着)磁场方向透过样品时,偏振方向会旋转一个角度α。实验表明,磁致旋光效应有如下规律:①对于给定的介质,偏振方向转过的角度α与样品的长度l和磁感应强度B的乘积成正比,即α=klB,k为比例系数。②偏振光沿着磁场方向通过样品,逆着光的传播方向看,偏振方向顺时针转过一个角度;逆着磁场方向通过样品,逆着光的传播方向看,偏振方向逆时针转过一个角度。利用磁致旋光的这一特点可以制成光隔离器,即只允许光从一个方向通过而不能从反方向通过。现使一束激光(偏振光)通过一偏振片(偏振方向与透振方向平行),沿着磁场方向通过某一样品后垂直射到一玻璃砖,会有部分光反射,如图所示。为了消除反射光对前面装置的影响,那么所加磁场至少多大[已知该种样品的k=15°/(cm·T),样品的长度l为3 cm,玻璃砖反射不改变偏振方向](　　)
A.0.5 T B.1 T C.1.5 T D.2 T
答案B
解析向右传播,通过样品后,从左往右看,激光偏振方向逆时针转过klB角度,通过玻璃砖反射回来,向左传播通过样品后,偏振方向继续逆时针转过klB角度,所以总共转过2klB角度。为了不能透过偏振片,那么2klB至少是90°,所以B=1T。故选项B正确,A、C、D错误。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
3.下图是一种利用温度敏感光纤测量物体温度的装置,检偏器的透振方向与起偏器的相同。一束偏振光射入光纤,由于温度的变化,光纤的长度、芯径、折射率发生变化,从而使偏振光的偏振方向发生变化,光接收器接收的光照强度就会变化。关于这种温度计的工作原理,正确的说法是 (　　)
A.到达检偏器的光的偏振方向变化越大,光接收器所接收的光照强度就会越小,表示温度变化越大
B.到达检偏器的光的偏振方向变化越小,光接收器所接收的光照强度就会越小,表示温度变化越小
C.到达检偏器的光的偏振方向变化越小,光接收器所接收的光照强度就会越大,表示温度变化越小
D.到达检偏器的光的偏振方向变化越大,光接收器所接收的光照强度就会越大,表示温度变化越大
答案AC
解析温度变化越大,光纤的各个物理参量变化越大,光的偏振方向变化越大,光接收器接收的光照强度会越小,故选项A、C正确,B、D错误。
4.下图是立体电影的工作原理图,观众戴上一副特殊的眼镜就能看到由立体电影放出的立体图像。关于立体电影,以下说法正确的是(　　)
A.观众戴上特制眼镜是为了防止伤害眼睛
B.这副眼镜其实就是一对偏振方向互相垂直的偏振片
C.戴上特制眼镜的观众若只用一只眼睛看,则银幕上只是一片光亮而无图像
D.产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时,在视网膜上形成的像并不完全相同
答案BD
解析放立体电影时有左右两架放映机同时工作,如题图所示,在每架放映机前装有一块偏振镜子,其偏振方向互相垂直,因此从放映机前偏振镜射出的两束偏振光的偏振方向互相垂直,这两束偏振光经屏幕反射其偏振方向不改变,观众眼睛所戴的偏振眼镜的两只镜片偏振方向互相垂直,且左眼镜片跟左边放映机前偏振镜的偏振方向一致,这样,左眼只能看到左边放映机映出的画面,右眼只能看到右边放映机映出的画面,两眼看到的画面略有差别,因而产生立体感。因此选项B、D正确。
三、非选择题
5.一束光由真空入射到平面玻璃上,当其折射角为30°时,反射光恰好发生完全偏振(反射光线与折射光线垂直),由此可以计算出玻璃的折射率是多少 此时的入射角称为起偏角,也叫布儒斯特角,试求折射率为n的介质的布儒斯特角的通用表达式。
答案　θ1=arctan n
解析光由空气进入玻璃,光路图如图所示,根据折射定律可得n=,而θ1+θ2=90°
所以n=
由题意知θ2=30°
n=
所求的布儒斯特角为θ1,所以由n==tanθ1
可得表达式为θ1=arctann(共40张PPT)
6　光的偏振　激光
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道什么是光的偏振现象,形成正确的物理观念,知道偏振是横波特有的性质。
2.知道自然光和偏振光的区别,知道偏振现象的一些应用,培养分析解决实际问题的能力。
3.了解激光的特性和应用,应用激光观察全息照片,培养科学素养。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、光的偏振　偏振现象的应用
1.偏振现象:横波只沿某一特定的方向振动的现象称偏振现象。
2.自然光与偏振光。
(1)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的强度都相同。这种光是自然光。
(2)偏振光:光在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动。这种光叫作偏振光。
3.偏振现象的应用。
(1)摄影技术中的应用。
由于水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,就可以减弱反射光而使景像清晰。
(2)偏振片在汽车挡风玻璃上的应用。
在夜间行车时,迎面开来的车灯眩光常常使司机看不清路面,容易发生事故。如果在每辆车灯玻璃上和司机座位前面的挡风玻璃上安装一块偏振片,并使它们的透振方向跟水平方向成45°角,就可以解决这一问题。
微判断1 1.自然光是偏振光。(　　)
2.立体电影利用了光的偏振原理。(　　)
3.自然光是在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光。(　　)
4.光的偏振表明光是一种横波。(　　)
5.自然光与偏振光之间可以相互转化。(　　)
×
√
×
√
×
微训练1 如图所示,让自然光照到P偏振片上,当P、Q两偏振片的透振方向间的夹角为以下哪些度数时,透射光的强度最弱(　　)
A.0°　　　　B.30°　　　　C.60°　　　　D.90°
答案:D
解析:两偏振片透振方向相同时透过的偏振光最强,两偏振片透振方向垂直时几乎没有偏振光透过。
二、激光的特点及其应用
1.激光的产生。
激光是原子受激辐射产生的光,传播方向、频率、偏振方向、相位差均相同,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。
2.激光的特点及应用。
微判断2 1.激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点。(　　)
2.激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好。
(　　)
3.激光打孔是应用了激光相干性好的特点。(　　)
√
×
×
微训练2 (多选)关于激光,下列说法正确的是(　　)
A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光
B.自然界中某些天然物体也可以发出激光
C.激光可以像刀子一样切除肿瘤
D.由于激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
答案:AC
解析:激光是用人工方法激发出的一种特殊的光,故选项A正确,B错误;激光具有方向性好、亮度高、强度大等特点,可以像刀子一样切除肿瘤,故选项C正确;激光是一种波,只要是波就能发生衍射现象,故选项D错误。
课堂·重难突破
一 偏振光的理解及应用
重难归纳
1.自然光和偏振光的比较。
比较项 自然光 偏振光
成因 从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光 自然光通过偏振片后就变成了偏振光,反射光、折射光均为偏振光
振动 方向 在垂直于传播方向的平面内,沿着各个方向振动 在垂直于传播方向的平面内,并且只有一个振动方向
比较项 自然光 偏振光
经偏振 片后现 象比较
通过偏振片后,自然光就变成了偏振光,转动偏振片,偏振光的亮度不变,但偏振方向随之变化 偏振光经偏振片后,若偏振方向与透振方向平行,屏亮;若垂直,则屏暗;若介于两者之间,则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗
2.偏振光的产生方式。
(1)自然光在玻璃、水面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,入射角变化时偏振的程度也会变化。自然光射到两种介质的分界面上,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。
(2)自然光经过偏振片(起偏振器)后能形成偏振光。偏振光可以用另一个偏振片(检偏振器)检验。
为什么戴上偏振片眼镜时,可以清楚地看到水中的物体
提示:由于水面反射的光对人眼产生干扰,使人不能清楚地看到水下的物体,从水面反射的光中包含有很多偏振光,偏振片眼镜可不让这些偏振光进入眼睛,则水中的物体可以比较清楚地被看到。
典例剖析
(多选)如图所示,S处的小灯泡发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮,则(　　)
A.图中a光为偏振光
B.图中b光为偏振光
C.以SP为轴将B转过180°后,在P处将看到光亮
D.以SP为轴将B转过90°后,在P处将看到光亮
答案:BD
解析:小灯泡直接发出的光为自然光,故选项A错误;自然光通过A偏振片后,即变为偏振光,故选项B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,因P点无光亮,则B偏振片的透振方向沿水平方向,将B转过180°后P处仍无光亮,若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,故选项C错误,D正确。
特别提醒
1.偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射和折射光线,尤其是二者互相垂直时,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直。
2.只有横波才能发生偏振现象,光是横波。
学以致用
(多选)电子表的显示屏利用了液晶的旋光性,当液晶上不加电压时,偏振光通过液晶时偏振方向会旋转90°,这就是液晶的旋光性;如果在液晶上加上电压,则旋光性消失。有一种电子表的显示屏是透明的,而在显示数字的笔画处不透光,则关于该显示屏,下列说法正确的是(　　)
A.上下两个偏振片的透振方向相互垂直
B.上下两个偏振片的透振方向相互平行
C.笔画处为透明电极,因此加上电压时变为不透明的
D.笔画处没有电极,其余部分为透明电极
答案:AC
解析:假设光从下向上传播,光线通过下偏振片时成为偏振光,如果不加电压,偏振光通过液晶时偏振方向旋转90°,此时光线能透过上偏振片,可知上偏振片的透振方向应与此时偏振光的偏振方向相同,即与下偏振片的透振方向垂直,选项A正确,B错误;组成数字的笔画处有时透明,有时不透明,可知笔画处为透明电极,当加上电压时液晶旋光性消失,光线不能透过,选项C正确,D错误。
二 激光的特性及应用
重难归纳
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。所以,现在我们做双缝干涉实验时,无须在双缝前放一个单缝,而是用激光直接照射双缝,就能得到既明亮又清晰的干涉条纹。利用相干光易于调制的特点传输信息,所能传递的信息密度极高,
一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视,全国人民同时通话还用不完它的通信容量,而光纤通信就必须借助激光技术才能发展。
2.平行度非常好。
与普通光相比,传播相同距离的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。
3.激光的亮度非常高。
激光不能直接照射眼睛,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。
5.全息照相。
下图为拍摄全息照片的基本光路。同一束激光被分为两部分,一部分直接照射到底片上(称为参考光),另一部分通过被拍摄物反射后再到达底片(称为物光)。参考光和物光在底片上相遇时会发生干涉,形成复杂的干涉条纹。底片上某点的明暗程度反映了两束光叠加后到达这点时光波的强弱。全息照片的拍摄利用了光的干涉原理,要求参考光和物光有很高的相干性。
利用激光测量地球到月球的距离,应用了激光哪方面的性质
提示:应用了激光平行度非常好的性质。
典例剖析
关于激光的应用问题,下列说法正确的是(　　)
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C.医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.激光测距雷达利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
答案:C
解析:由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性,选项A错误;计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好,选项B错误;医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点,选项C正确;激光测距利用的是激光的平行度和方向性好的特点,选项D错误。
规律总结
激光的特点及其应用
特点 作用 应用实例
高度的 相干性 可进行调制、传递信息 光纤通信、全息照相
平行度 非常好 传播很远距离仍能保持一定强度,可精确测距、测速 激光雷达
可会聚于很小的一点,记录信息密度高 DVD机、CD唱机、计算机的光驱
亮度 很高 可在很小空间、短时间内集中很大能量 激光切割、焊接、打孔、医疗手术
学以致用
下列应用激光的事例错误的是(　　)
A.利用激光进行长距离的精确测量
B.利用激光进行通信
C.利用激光进行室内照明
D.利用激光加工坚硬的材料
答案:C
解析:激光的定向性好、精准度高,可以进行长距离测距,故选项A不符合题意。激光能够传递声音、图像等信息,因此可以利用激光进行通信,故选项B不符合题意。激光的亮度很高,不能用于室内照明,会刺伤人的眼睛;可以用来切割、加工较硬的材料,故选项C符合题意,D不符合题意。
随 堂 训 练
1.下列光现象中应用了光的偏振现象的是(　　)
A.全息照相
B.立体电影
C.医用纤维式内窥镜
D.增透膜
答案:B
解析:全息照相利用激光的相干性好的特点,与光的干涉有关,故选项A错误。偏振片式立体电影技术的基本原理是光的偏振,故选项B正确。医用纤维式内窥镜利用了光的全反射,故选项C错误。增透膜利用光的薄膜干涉,故选项D错误。
2.关于偏振现象,下列说法正确的是(　　)
A.所有单色光都是偏振光
B.一切光和波都能发生偏振现象
C.偏振现象是横波特有的现象
D.光的振动方向与偏振片的透振方向平行时,光完全不能通过偏振片
答案:C
解析:自然光中的单色光不是偏振光,选项A错误。只有横波才能发生偏振现象,纵波不能发生偏振现象,因此偏振现象是横波特有的现象,选项B错误,C正确。光的振动方向与偏振片的透振方向垂直时,光完全不能通过偏振片,选项D错误。
3.关于激光,下列说法正确的是(　　)
A.利用激光的相干性,可以用在雷达上进行精确的测距
B.激光相干性好,任何两束激光都能发生干涉
C.激光是人工制造的,不是偏振光
D.利用激光亮度高,可在医学上做光刀切除肿瘤,或“焊接”剥落的视网膜
答案:D
解析:利用激光平行度好,可以用在雷达上进行精确的测距,故选项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涉,故选项B错误。激光是人造光,也是偏振光,故选项C错误。利用激光强度大、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,故选项D正确。

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