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第四章
8
光的偏振　激光
立体电影出现于1922年。它能产生三维立体效果，当观众戴上立体眼镜观看时，有身临其境的感觉，亦称“3D立体电影”。 你看过立体电影吗 看立体电影为什么要戴上特制的眼镜 你能解释其中的奥秘吗
1
知道光的偏振现象，知道光是一种横波.
2
知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识解释生活中的一些常见光学现象.
重点
重难点
3
了解激光的特点和应用.
偏振及光的偏振
波
横波：各点的振动方向总与波的传播方向垂直。
纵波：各点的振动方向总与传播方向在一条直线上。
不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的。
偏振现象
偏振方向
用实验区别横波和纵波
1.狭缝对纵波的影响
如图所示，如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，在一条弹簧上传播的纵波都能自由通过狭缝。
纵波在竖直狭缝中的传播情况
纵波在水平狭缝中的传播情况
2.狭缝对横波的影响
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。
狭缝与振动方向平行
狭缝与振动方向垂直
偏振现象：横波独有的现象
光的干涉
光的衍射
光的干涉、衍射现象都说明光是一种波。
光波是横波还是纵波呢？
横波能够发生偏振现象而纵波不能发生偏振现象， 因此我们要判断一列波是横波还是纵波，只要看它能否发生偏振现象就可以。
观察光的偏振现象
偏振片：一种由高分子薄膜制成的光学器件，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。
观察光源(或阳光)通过偏振片后透射光的强度变化
(1)让阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧观察，透射光的强度有什么变化？如果以光的传播方向为轴旋转偏振片P，透射光的强度又如何变化？
可以看到偏振片是透明的，只是透射光暗了一些；继续旋转偏振片P，透射光的强度不发生变化.
自然光
偏振片P
动态展示
.
.
.
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.
.
.
乙
当偏振片Q的透振方向与偏振片P的透振方向平行时，透射强度与只有偏振片P时的强度一样.
丙
继续旋转偏振片Q，亮度变暗，当偏振片Q的透振方向与偏振片P的透振方向垂直时，亮度最暗.
说明了光是横波
(2)在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，观察通过两块偏振片的透射光的强度有什么变化？
动态展示
偏振及光的偏振
1.偏振现象：不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这种现象称为“偏振现象”，横波的振动方向称为“偏振方向”.
2.光的偏振
(1)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，沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”.
(2)自然光和偏振光
①自然光：太阳以及日光灯、发光二极管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，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同.这种光是“自然光”.
自然光表示法
x
y
z
x
y
沿 z 轴传播的自然光
②偏振光：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫作偏振光.
(3)光的偏振现象说明光是一种横波.
自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光。入射角变化时偏振的程度也有变化。
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。
振动垂直于纸面
振动在纸面内
导练
1.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.M、P间为偏振光
B.P、Q间为自然光
C.P、Q间的光线亮度逐渐变暗
D.光屏N上光的亮度逐渐变暗
√
M、P间为自然光，经过偏振片P后变为偏振光，因此P、Q与Q、N间为偏振光，A、B错误；
由于自然光沿着各个方向振动的光
波的强度都相同，因此在偏振片P
旋转过程中，P、Q间的光线亮度不变，C错误；
当偏振片P与偏振片Q垂直时，光屏N上亮度最暗，则旋转过程中光屏N上光的亮度逐渐变暗，D正确.
2.(多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)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
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°角的方向振动的光
√
√
√
偏振片只让沿某一方向振动的光顺利通过，当偏振片的透振方向与光的振动方向的夹角不为90°时，有光透过偏振片，但透射光的强度变弱.太阳光是自然光，光波可沿垂直于光传播方向的任意方向振动，所以在P的另一侧能观察到透射光；沿竖直方向振动的光，振动方向与偏振片的透振方向相同，也可看到透射光；沿水平方向振动的光，其振动方向与偏振片的透振方向垂直，所以看不到透射光；沿与竖直方向成45°角的方向振动的光，其振动方向与透振方向不
垂直，仍可看到透射光，故选项A、B、D正确，
C错误.
偏振现象的应用
1.摄影技术中的应用： 摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面的反射 光的干扰，景象会不清楚.如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，转动滤光片，让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰.
偏振现象的应用
无偏振镜
有偏振镜
未使用偏振镜前
使用偏振镜后
2.偏振片在汽车挡风玻璃上的应用：汽车夜间行驶与对面的车辆相遇时，如遇远光灯引发炫目，极易引起车祸.如果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°，可避免远光灯引发炫目，保证行车安全.
未装偏振照明灯的情景
安装偏振照明灯的情景
3.立体电影：在每架放映机前装有一块偏振片，其透振方向互相垂直.观众所戴的偏振眼镜的两只镜片透振方向互相垂直，且左眼镜片与左放映机前偏振片的透振方向一致，右眼镜片与右边放映机前偏振片的透振方向一致.这样，左眼只能看到左边放映机放映出的画面，右眼只能看到右边放映机放映出的画面，两眼看到的画面略有差别，因而产生立体感.
偏振现象的其它应用
液晶显示
平板玻璃、电极、取向膜
偏振片
偏振片
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。
昆虫对偏振光的应用：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、三只单眼、两只复眼，每只复眼包含有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，所以蜜蜂可准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。
导练
3.下列说法正确的是
A.立体电影利用了光的干涉现象
B.为了增加光的透射率，照相机镜头表面的镀膜利用了光的偏振现象
C.茶色眼镜利用了光的偏振现象
D.拍摄日落时分水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片可减弱
　水面反射光的影响，利用了光的偏振现象
√
放映立体电影的时候用双镜头放映机，两个镜头前放有偏振方向不同的偏振片，观众戴的眼镜上也有相对应方向的偏振片，这样每只眼睛就只能看到一个镜头所投影的图像，利用了光的偏振现象，A错误；
为了增加光的透射率，照相机镜头表面的镀膜利用了光的薄膜干涉现象，B错误；
茶色眼镜利用了金属化合物在玻璃中变化，从而形成色彩，C错误；
拍摄日落时分水面下的景物时，为减小反射光的影响，在照相机镜头前装一个偏振片，利用了光的偏振现象，D正确.
4.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.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是竖直的
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°
√
若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光经物体反射后将不能透过前窗玻璃，A错误；
若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼，B错误；
若前窗玻璃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进本车车窗内，却可以透进对面车的车窗内，C错误；
若前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°，则车灯发出的光经物体反射后可以透进本车车窗内，且不可以透进对面车的车窗内，D正确.
激光的特点及其应用
美丽的激光秀
激光的发展史
(1)普通光源
光是从物质的原子中发射出来的，普通光源发出的自然光是许多频率、相位、偏振以及传播方向各不相同的光的杂乱无章的混合.这导致两个独立的普通光源发出的光不会发生干涉.
(2)激光的产生
激光是原子受激辐射产生的光，发出的光的相位差、频率、振动方向均相同，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.
1.普通光源与激光
(1)相干性好：激光具有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性.容易产生干涉现象.
应用：光纤通信、激光全息技术
激光是最好的相干光：用激光器做光源观察光的干涉和衍射现象，都能取得较好的效果。
2.激光的特点及应用
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讯容量。
激光全息技术
(2)激光的平行度非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度.
应用：激光测距、测速，信息存储和阅读，为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引.
卫星激光测距仪
手持式雷达测速仪
光盘(VCD 、DVD)刻录和读取
(3)亮度高：它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.所谓亮度，是指垂直于光线平面内单位面积上的发光功率.
应用：用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，激发核聚变等.
激光切割
激光枪
反卫星武器
激光控制核聚变
1964年，王淦昌院士就提出了激光核聚变的初步理论。
1986年，我国激光核聚变实验装置“神光”研制成功。
激光理疗、组织焊接、激光刀切割以及激光美容等。
导练
5.(2021·山东泰安期中)关于激光，下列说法正确的是
A.激光的相干性好，因此可以用在雷达上进行精确的测距
B.激光的相干性好，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.激光亮度高，可在医学上作光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜
√
激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故A错误；
激光相干性好，但频率不相同的两束激光不会发生干涉，故B错误；
激光是人造光，也是偏振光，故C错误；
激光亮度高、能量集中，可以用在医学上作光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确.
光的
偏振 激光
目标一：偏振及光的偏振
1．振动中的偏振现象
2．光的偏振
目标三：激光的特点及应用
1．相干性好
2．平行度好
横波所特有
目标二：偏振现象的应用
光纤通信等
精确的测距等
用激光束切割、焊接等
摄影技术、汽车挡风玻璃、立体电影
3．亮度高
激光的发展史
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础.
1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器.
1965年，第一台可产生大功率激光的器件 —— 二氧化碳激光器诞生.
1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功.
梅曼（Theodore Harold Maiman1927-2007）
1960年，美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了激光。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且还导致整个一门新兴产业出现。
全息照相
如图所示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。
激光全息图－根
彩色全息苹果图

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