资源简介

第5节　激光与全息照相
[定位·学习目标]　1.了解激光的特点和应用。2.了解全息照相的原理。
探究新知
知识点一　激光及其特性
1.1960年5月15日,美国物理学家梅曼发现了激光。
2.激光产生:激光是原子受激辐射产生的光。
3.激光的特点及应用
特点 应用
单色性好,激光发射的各个光子频率相同 激光音乐喷泉、舞台灯光等
相干性好,受激辐射的光子在相位上一致 光纤通信、激光全息照相等
方向性好,激光束的发散角很小,几乎是一条平行的光束 条形码扫描、DVD播放音乐、测量距离、跟踪目标、制导炸弹等
亮度高,激光的亮度可比普通光源高出上千倍,可产生上亿摄氏度的高温 激光打孔、切割、焊接、激光手术、热核聚变、显示电子流动轨迹等
知识点二　全息照相
1.1948年,英国物理学家伽柏提出了全息照相的设想。
2.全息照片的拍摄应用了光的干涉原理,这就要求参考光和物光有很高的相干性,激光符合这个要求。
新知检测
1.思考判断[正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)激光是原子受激辐射产生的光。(　√　)
(2)激光是相干光,可以像无线电波一样被调制,传递信息。(　√　)
(3)全息照相利用了激光的衍射原理。(　×　)
(4)激光可做“光刀”来切开皮肤,是利用了激光的相干性好。(　×　)
(5)用激光做双缝干涉实验,是应用了激光具有高度的相干性的特点。(　√　)
2.思维探究
(1)激光是自然界中的一种光吗
(2)纳米科技是人类认识自然的一个新层次,激光束宽度可聚集到纳米范围,1纳米等于多少米
【答案】 (1)激光是一种特殊的人工产生的光,自然界中的发光体不能发出激光,是自然界中没有的一种光。
(2)1 nm=10-9 m。
要点　激光的特点及其应用
情境探究
激光作为一种人造光源,在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,
如激光干涉仪、激光测距、激光炮(如图所示)等。激光的应用如此广泛,激光到底具有
哪些特性
【答案】 单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。
要点归纳
1.激光的产生
激光是原子受激辐射产生的光,传播的方向、频率、偏振方向均相同,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的光。
2.激光的特点及应用
(1)单色性好。由于某种激光发射的各个光子的频率相同,只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内,因此激光是很好的单色光源,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度,为精密仪器的测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
(2)相干性好。所谓相干性好,是指容易产生干涉现象。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。由于激光是相干光,所以它具有易于调制的特点,可用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。
(3)方向性非常好。与普通光相比,传播相同的距离激光束的扩散程度小,光线仍能保持一定的强度,保持它的高能量,利用这一点可以精确测距。现在利用激光测量地月距离精确度可以达到厘米级别。激光还被用来读取DVD、CD光盘等记录的信息。
(4)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,如果把强大的激光束会聚起来,可使物体被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温。因此,可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔,医学上用激光做“光刀”,也可“焊接”剥落的视网膜,利用激光产生的高温引起核聚变等。
[例题] (双选)下列关于激光的说法正确的是(　　)
A.激光是一种人工产生的相干光,它不能像无线电波一样被调制并用来传递信息
B.激光可以用来精确的测距,这是利用了激光的单色性好的特点
C.医学上用激光做“光刀”切开皮肤以及“焊接”剥落的视网膜,利用了激光亮度高的特点
D.全息照相技术不仅记录了光波的强弱信息,还记录了光波的相位信息
【答案】 CD
【解析】 激光是一种人工产生的频率单一的光源,通常用作相干光,传递信息操作简单容易,故A错误;激光测距是利用激光测量很远目标的距离,是因为激光具有平行度好,方向性好的特点,故B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C正确;全息相片的拍摄利用了光的干涉原理,全息照相技术不仅记录了光波的强弱信息,还记录了光波的相位信息,故D正确。
[针对训练] (双选)下列说法正确的是(　　)
A.激光可用于测距
B.激光能量十分集中,只可用于加工金属材料
C.外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D.由于激光的方向性好,故不能发生衍射现象
【答案】 AC
【解析】 激光方向性好,即使在传播了很远的距离之后,它仍保持一定的强度,此特点可用于激光测距,A正确;激光的亮度高,能量十分集中,可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等,B错误;由于激光亮度高,能量大,在切割皮肤等的同时,也能杀灭细菌,C正确;激光是一种电磁波,能发生衍射现象,D错误。
模型·方法·结论·拓展
激光测距的原理和方法
1.测距依据
由于激光是非常好的平行光,用它测量距离可以达到很高的精度。
2.测距原理
激光测距的原理与无线电雷达相同,对准目标发出一个极短时间的激光脉冲,测出激光从发射到反射回发射点经过的时间t,就可以按公式s=ct求出从发射点到被测目标的距离s。
3.测距优势
由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。
[示例] 某种激光雷达测距软件可以同时显示两列波形,当激光器发射激光时,在电脑液晶显示器上显示一个正的波形,而接收器接收到反射回来的光波时又会显示一个负的波形。某次实际测量时显示器上显示的图像如图所示,已知激光器每秒发射激光脉冲数为N=7.5×103,被测物与测量者之间的距离小于10 km,则由图求出被测物与测量者之间的距离为多少
【答案】 5 km
【解析】 发射相邻两个激光脉冲的时间间隔为Δt1==×10-4 s,
由题图可看出从发射激光到接收到反射光波所需的时间为
Δt2=(n+)Δt1=×10-4 s(n=0,1,2,…),
则被测物与测量者之间的距离为d==×104 m(n=0,1,2,…),
由于d<10 km,
所以n只能取0,可得d=5 km。
科学·技术·社会·环境
　激光的应用
　　激光可应用于切割、焊接、打孔、雕刻、医疗、美容、检测、测量等方面。
(1)激光切割在汽车工业上的应用:某公司研发出可以让高性能激光束高速移动的装置用于切割钢板,能够每天提供上万高质量的钢板设备,该系统比普通激光切割机快十倍,满足了汽车批量生产的需要。
(2)化工企业大量使用各种储罐,如何监测储罐是否有变形,会不会泄漏 常规的固定点位测量,可能出现测量的点没有发生变形,但没测量到的地方已经变形了,而三维激光扫描则可保证不管罐体哪里变形都能发现。
(3)激光指示器,又称为激光笔、指星笔等,是把可见激光设计成便携、手易握、激光模组
(二极管)加工成的笔形发射器。常见的激光指示器有红光、绿光和蓝紫光等。通常汇报、教学、导赏人员都会使用它来投映一个光点或一条光线指向物体,但它可能会破坏或影响导览物的场所,例如艺术馆(有些画作怕光)、动物园等都不宜使用。
[示例] 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方向性非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中进行传递信息
B.计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息,是应用了激光有相干性的特点来进行的
C.医学中用激光做“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激光的相干性强,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方向性好,B错误;医疗中的激光“光刀”利用了激光的高亮度的特点,C正确;激光测距利用的是激光的方向性好,D错误。
1.(双选)关于激光与自然光,下列说法正确的是(　　)
A.激光的频率单一,而自然光是含有各种色光频率的光,所以激光的相干性好
B.自然光是由物质的原子发射出来的,而激光是人工产生的,所以激光不是由物质的原子发射出来的
C.激光和自然光都具有相同的本质,它们都是由原子的跃迁产生的
D.光的强弱是激光与普通光的根本区别
【答案】 AC
【解析】 激光的频率单一,相干性很好,自然光中含有各种频率的光,故A正确;激光和自然光都是由原子的跃迁产生的,它们的根本区别是激光相干性好,与光的强弱无关,故B、D错误,C正确。
2.下列说法正确的是(　　)
A.全息照相利用了激光的衍射成像
B.激光测距是利用了激光的平行性好
C.用激光“焊接”剥落的视网膜利用了激光的相干性好
D.激光刻录利用了激光的亮度高
【答案】 B
【解析】 全息照相利用了激光相干性好的特性,故A错误;激光测距是利用了激光的方向性好,故B正确;用激光“焊接”剥落的视网膜利用了激光的能量较高、沿直线传播的特点,故C错误;激光刻录利用了激光的方向性好,故D错误。
3.激光火箭的体积小,却可以装载更大、更重的卫星或飞船,激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供,通过一套装置,像手电筒一样,让激光束射入火箭发动机的燃烧室,使推进剂受热而急剧膨胀,于是形成一股高温高压的燃气流,以极高的速度喷出,产生巨大的推力,把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)
①单色性好　　　　②方向性好
③高能量　　　　　④相干性好
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
【答案】 B
【解析】 由于激光站与火箭相距较远,必须要求激光具有很好的方向性,使推进剂受热而急剧膨胀是利用激光的高能量特点,故B正确。
4.在激光的伤害中,以机体中眼睛的伤害最为严重。激光聚于感光细胞时,产生过量热量而引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤,一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。激光对眼睛的危害如此之大的主要原因是(　　)
A.单色性好 B.高能量
C.相干性好 D.方向性好
【答案】 B
【解析】 由题意可知,激光聚于感光细胞时产生过量热量而引起的蛋白质凝固变性是造成眼失明的原因,说明引起这一现象的主要原因是激光的高能量性,故B正确。
5.(双选)激光被誉为“神奇的光”。关于激光的应用,下列说法正确的是(　　)
A.激光用来控制核聚变,是因为它的方向性好,光源的能量能集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度
B.由于激光是相干光,所以它能像无线电波那样被调制,用来传递信息
C.用激光拦截导弹,摧毁卫星,是因为激光在大气中传播不受大气的影响
D.能利用激光测量地面到月球表面的距离,是因为激光通过地球大气不会发生折射
【答案】 AB
【解析】 激光用来控制核聚变,是因为它的方向性好,光源的能量能集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度,故A正确;由于激光是相干光,所以它能像无线电波那样被调制,用来传递信息,故B正确;用激光拦截导弹,摧毁卫星,是因为激光方向性好、能量高,故C错误;能利用激光测量地面到月球表面的距离,是因为激光方向性好,故D错误。
课时作业
1.下列说法正确的是(　　)
A.激光是自然光被放大而产生的
B.激光是原子受激辐射而得到的光
C.激光的能量一定大于其他光的能量
D.激光的传播速度比普通光大
【答案】 B
【解析】 激光是由人工产生的光,它是由于原子受到激发而产生的,它具有方向性好、
相干性强和亮度高的特点,其传播速度仍然是光速,故B正确。
2.(双选)对于激光的认识,以下说法正确的是(　　)
A.普通光源发出的光都是激光
B.激光是自然界普遍存在的一种光
C.激光的频率、偏振方向几乎相同
D.激光是横波
【答案】 CD
【解析】 激光是通过某些装置而激发出的自然界中没有的光,与普通光相比,激光相干性好,频率和偏振方向几乎相同,但激光仍具有光的特性,所以激光是横波。综上所述可知A、B错误,C、D正确。
3.让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音和图像,这是利用激光的(　　)
A.方向性好,可以会聚到很小的一点上
B.相干性好,可以很容易形成干涉图样
C.亮度高,可以在很短时间内集中很大的能量
D.波长短,很容易发生明显的衍射现象
【答案】 A
【解析】 由于激光的方向性好,故计算机内的“激光头”可以读出光盘上记录的信息,故A正确;激光的相干性好,可以很容易形成干涉图样,但与处理数据无关,故B错误;激光具有亮度高的特点,可以在很短时间内集中很大的能量,但与本题无关,故C错误;激光波长短,不容易发生明显的衍射现象,故D错误。
4.如图所示,便携式激光清障仪用激光修剪树枝上方的树枝,树枝经过激光照射后断裂。下列关于激光说法不正确的是(　　)
A.激光是频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光波
B.激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点
C.激光测距利用了激光相干性好的特点
D.光纤通信是利用了激光能被调制,可以用来传递信息的特点
【答案】 C
【解析】 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,故A说法正确;激光修剪树枝是利用激光亮度高、能量大的特点,故B说法正确;激光测距是应用了激光平行度好的特点,故C说法不正确;光纤通信是应用激光相干性高的特点对信号来进行调制,使其在光导纤维中传递信息,故D说法正确。
5.2023年诺贝尔物理学奖授予了三位杰出的科学家,以表彰他们在阿秒激光技术领域的卓越贡献。下列关于激光的说法正确的是(　　)
A.激光具有良好的单色性,光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物
B.激光是由自然界中某种物质直接发光产生的
C.激光束很容易给坚硬的材料打孔,是因为激光的平行度好
D.激光能够比较精确地测量地球与月球之间的距离,是因为激光的亮度高
【答案】 A
【解析】 激光具有良好的单色性,光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物,故A正确;激光是人造光,自然界中无法直接产生,故B错误;激光束很容易给坚硬的材料打孔,是因为激光的亮度高,故C错误;激光能够比较精确地测量地球与月球之间的距离,是因为激光的平行度好,故D错误。
6.激光散斑测速是一种测速技术,它应用了光的干涉原理,利用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,已知“散斑对”的间距d与待测物体的速度v、二次曝光的时间间隔Δt之间满足关系式d=KvΔt,其中K为常数。实验中可以测得二次曝光的时间间隔Δt和“散斑对”到屏的距离L及相邻两条亮条纹的间距Δx。若所用激光的波长为λ,则利用该实验确定物体速度的表达式是(　　)
A.v= B.v=
C.v= D.v=
【答案】 C
【解析】 依题意,双缝间距d=KvΔt,由Δx=,解得v=,选项C正确。
7.应用激光方向性好的特性,可以精确地测量距离。对准目标发射一个极短的激光脉冲,测量发射脉冲与收到反射脉冲的时间间隔,就可求出激光器到目标的距离。若在地球上向月球发射一个激光脉冲,测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s,则月球到地球的距离大约是多少千米
【答案】 3.84×105 km
【解析】 真空中的光速c=3.0×108 m/s,从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t=2.56 s,月球与地球间距离为s=ct=×3.0×108×2.56 m=3.84×108 m=3.84×105 km。
光的干涉、衍射和偏振　检测试题
一、单项选择题:本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.如图所示为通过3D眼镜看电脑显示屏的照片,通过右侧镜片可看见屏幕上的内容,而通过左侧镜片则看到一片黑,其原因是(　　)
A.左侧镜片上涂有增反膜
B.右侧镜片上涂有增透膜
C.光通过左侧镜片时发生了全反射
D.左侧镜片的偏振方向与屏幕发出光的振动方向垂直
【答案】 D
【解析】 3D眼镜的2个镜片是两个透振方向互相垂直的偏振片,由于题图中电脑显示屏发出的偏振光的振动方向与左侧眼镜镜片的偏振方向垂直,所以没有光穿过左侧眼镜,故看到一片黑,并不是左侧镜片上涂有增反膜或增透膜,也不是光通过左侧镜片时发生了全反射,故A、B、C错误,D正确。
2.关于光现象,下列说法正确的是(　　)
A.为了增加光的透射,通常在摄像机的镜头表面镀一层特定厚度的薄膜,这是利用了光的干涉
B.光照射到不透明圆盘后,在圆盘阴影中心出现一个亮斑,这是光的偏振现象
C.在观看立体电影时,观众要戴上特制的眼镜,银幕上的图像才清晰,这副眼镜利用了光的全反射
D.用光导纤维传输载有声音、图像以及各种数字信号的信息,这是利用了光的衍射
【答案】 A
【解析】 为了增加光的透射,通常在摄像机的镜头表面镀一层特定厚度的薄膜,这是薄膜干涉现象,利用了光的干涉,故A正确;光照射到不透明圆盘后,在圆盘阴影中心出现一个亮斑,这是光的衍射现象,故B错误;在观看立体电影时,观众要戴上特制的眼镜,银幕上的图像才清晰,这副眼镜利用了光的偏振原理,故C错误;用光导纤维传输载有声音、图像以及各种数字信号的信息,这是利用了光的全反射,故D错误。
3.对如图所示的图片、示意图或实验装置图,下列判断正确的是(　　)
A.图甲是小孔衍射的图样,也被称为“泊松亮斑”
B.图乙是利用薄膜干涉来检测玻璃板的平整程度,它是由于光在被检测玻璃板的上下表面反射后叠加的结果
C.图丙是双缝干涉原理图,若P到S1、S2的路程差是光的半波长的偶数倍,则P处是亮条纹
D.图丁是薄膜干涉现象的实验装置图,在肥皂膜上,出现竖直干涉条纹
【答案】 C
【解析】 题图甲是小孔衍射的图样,而“泊松亮斑”是圆板衍射,故A错误;题图乙是薄膜干涉的应用,用来检测平面的平整程度,它是由于光在被检测玻璃板的上表面和标准样板的下表面反射后叠加的结果,故B错误;题图丙是双缝干涉原理图,若P到S1、S2的路程差是光的半波长的偶数倍,两列光波的波峰与波峰或波谷与波谷在P点相遇,振动加强,P处形成亮条纹,故C正确;题图丁是薄膜干涉现象的实验装置图,在肥皂膜上,出现水平干涉条纹,故D错误。
4.如图所示,用频率为f的单色光垂直照射双缝,O点出现中央亮条纹,光屏上的P点到双缝的距离之差r2-r1=,已知真空中的光速为c,从O点向上数,P点应出现(　　)
A.第一条亮条纹 B.第三条亮条纹
C.第二条暗条纹 D.第四条暗条纹
【答案】 C
【解析】 由题意可知单色光的波长为λ=,则有r2-r1==3×,可知P点应出现第二条暗条纹,故选C。
二、双项选择题:本题共4小题,每小题6分,共 24分。全部选对的得 6分,选对但不全的得 3分,有选错的得0分。
5.激光的诞生是一件大事,它使得人类获得了极其理想的、自然界中不存在的光源。下列激光的特性及其应用,正确的是(　　)
A.医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的高度相干性
B.激光的相干性好,所以实验中任何两束激光都能发生干涉
C.激光能够比较精确地测量地球到月球的距离,是利用激光的方向性好
D.激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高
【答案】 CD
【解析】 医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的能量高,故A错误;激光的相干性好,但只有频率相同、振动步调一致的两束激光才会发生干涉,故B错误;激光方向集中,可比较精确地测量月球到地球的距离,故C正确;激光的其中一个特点是亮度高,把激光束会聚起来照射到物体上,可以使物体的被照部分在极短时间内熔化,所以很容易在坚硬的材料上打孔,故D正确。
6.某同学用光传感器研究光的波动现象,实验装置如图甲所示,某次实验中,得到了如图乙所示的光强分布图,则下列说法正确的是(　　)
A.该同学观察到的是光的干涉图样
B.该同学观察到的是光的衍射图样
C.若仅减小激光器和中间缝屏的距离,则观察到条纹的宽度将变小
D.若换用光强更大、频率更低的激光,则观察到条纹的宽度将变大
【答案】 BD
【解析】 由题图乙可知,条纹中间宽、两边窄,是衍射条纹,故A错误,B正确;单缝衍射形成的条纹间距与单缝宽度和缝到屏的距离以及光的波长有关,与激光器到缝屏的距离无关,故仅减小激光器和中间缝屏的距离,观察到条纹间距将不变,若激光的频率降低,其波长增大,所以条纹宽度会变大,故C错误,D正确。
7.下列有关下图所示的光现象的说法正确的是(　　)
A.图甲中,照相机镜头表面涂上增透膜,以增强透射光的强度,利用了光的全反射原理
B.图乙中,电影院放映3D影片,佩戴立体眼镜形成立体效果,利用了光的偏振原理
C.图丙中,光导纤维内窥镜应用了光的全反射原理
D.图丁中,用激光水平仪来贴瓷砖,利用了激光亮度高的特点
【答案】 BC
【解析】 照相机镜头表面涂上增透膜,以增强透射光的强度,应用了光的干涉现象,将反射光线削弱,故A错误;电影院放映3D影片,佩戴立体眼镜,形成立体效果,利用了光的偏振原理,故B正确;光导纤维内窥镜利用光的全反射,从而能清楚看到身体内的病变位置,故C正确;用激光水平仪来贴瓷砖,利用了激光平行度好的特点,故D错误。
8.用图甲所示空气薄膜干涉装置来检查玻璃平面的平整程度。A为标准平板玻璃,B为被检查平板玻璃,在A、B右端夹入薄纸片,C为入射的红光,图乙是俯视图甲观察到的干涉条纹。下列选项正确的是(　　)
A.当把C换为蓝光时,条纹间距变大
B.图乙中条纹弯曲处对应着被检查平面处凹陷
C.将薄纸片向右移动少许,从上往下可以观察到干涉条纹变稀疏
D.图乙所示的条纹是由A的下表面反射光和A的上表面反射光发生干涉形成的
【答案】 BC
【解析】 当把C换为蓝光时,蓝光的波长小于红光的波长,可知条纹间距变小,选项A错误;题图乙中弯曲的条纹对应的被检查平面右边的空气膜厚度与未弯处平面的空气膜厚度相同,可知,对应的位置是凹陷的,故B正确;相邻亮条纹之间空气膜的厚度差等于半个波长,将薄纸片向右移动少许,空气膜的劈角变小,空气膜厚度差等于半个波长的位置距离变大,所以相邻亮条纹间距应变大,观察到干涉条纹变稀疏,故C正确;题图乙所示的条纹是由A的下表面反射光和B的上表面反射光发生干涉形成的,选项D错误。
三、非选择题:本题共8小题,共60分。
9.(3分)抽制细丝时可用激光监控其粗细,如图所示。激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝时产生的条纹规律相同,则这是利用　　　 　　　现象,其中央条纹为　　　 　(选填“亮”或“暗”)条纹;如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变　　　　　　(选填“细”或“粗”)了。
【答案】 光的衍射　亮　细
【解析】 由“激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝时产生的规律相同”可知,这是利用了光的衍射现象,中央条纹为亮条纹,当抽制的丝变细时(相当于狭缝变窄)条纹间距变宽。
10.(3分)如图所示,P是一偏振片(其上箭头方向表示透振方向),用沿竖直方向振动的光照射P时,另一侧　　　　(选填“能”或“不能”)观察到透射光;若改用沿水平方向振动的光照射,则　　　　(选填“能”或“不能”)观察到透射光;若改用自然光照射,则　　　　(选填“能”或“不能”)观察到透射光。
【答案】 能　不能　能
【解析】 沿竖直方向振动的光能通过偏振片;沿水平方向振动的光不能通过偏振片;太阳光包含垂直传播方向各方向振动的光。
11.(3分)如图所示装置可以发生光的干涉现象,S为单色光源,M为宽度一定的单面镜。
S发出的光通过单面镜反射在光屏上,与S直接发出的光在光屏上发生干涉。若光源S到单面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L,光的波长为λ,则相邻两条亮条纹的中心间距Δx=　　　　;若将平面镜M右移一些,亮条纹数量　　　　;若将平面镜M左移一些,相邻亮条纹间距　　　　。
【答案】 λ　减小　不变
【解析】 从光源直接发出的光和被平面镜反射的光实际上是同一列光,故是相干光,该干涉现象可以看作双缝干涉,如图所示,
S和S′相当于双缝,而光源S到光屏的距离可以看作双缝到光屏距离L,根据双缝干涉的相邻亮条纹之间的距离公式可得Δx=λ;若将平面镜M右移一些,从S发出的射到光屏的光的范围减小,则亮条纹数量减小;若将平面镜M左移一些,S与S′之间的距离不变,L不变,则相邻亮条纹间距不变。
12.(6分)在观察光的干涉现象的实验中,将两片刀片合在一起,在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝;按如图所示的方法,让激光束通过自制的双缝。
(1)保持双缝到光屏的距离不变,换用不同间隙的双缝,双缝的间隙越小,屏上明暗相间的条纹间距　　　　(选填“越大”或“越小”)。
(2)保持双缝的间隙不变,光屏到双缝的距离越大,屏上明暗相间的条纹间距　　　　(选填“越大”或“越小”)。
(3)在双缝间的距离和双缝与屏的距离都不变的条件下,用不同颜色的光做实验,发现用蓝光做实验时在屏上明暗相间的条纹间距比用红光做实验时　　　(选填“大”或“小”)。
(4)实验观察到光屏上呈现明暗相间的条纹,试运用波动理论对亮条纹的形成予以解释:
。
【答案】 (1)越大　(2)越大　(3)小　(4)见解析
【解析】 (1)由Δy=λ知,双缝间隙d越小,Δy越大。
(2)由Δy=λ知,l越大,Δy越大。
(3)由于蓝光波长小于红光波长,由(2)问分析可知蓝光的条纹间距小于红光的条纹间距。
(4)同一色光透过双缝形成相干光源,在光屏相遇,有的区域光振动加强,有的区域光振动减弱,光振动加强区域呈现亮条纹。
13.(6分)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,实验装置如图甲所示。
(1)以线状白炽灯为光源,对实验装置进行调节并观察实验现象。下列说法正确的是
　　 　　。
A.单缝和双缝必须垂直放置
B.干涉条纹与双缝平行
C.干涉条纹疏密程度与双缝间距无关
D.干涉条纹间距与光的波长无关
(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条刻度线时,手轮上的螺旋测微器的示数如图乙所示,该读数为　　　　　mm。
(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,如图丙所示,则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时,测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值。
【答案】 (1)B　(2)0.703　(3)大于
【解析】 (1)为使屏上的干涉条纹清晰,灯丝、单缝及双缝必须平行放置,故A错误;干涉条纹与双缝平行,故B正确;由干涉条纹间距公式Δx=λ可知,干涉条纹疏密程度与光的波长、双缝到屏的距离以及双缝的间距有关,故C、D错误。
(2)由题图乙所示可知,该读数为0.5 mm+20.3×0.01 mm=0.703 mm。
(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,由几何关系可知,条纹间距的测量值大于实际值。
14.(11分)如图所示,在某次双缝干涉实验中,Q处是中央亮条纹P往上数的第一条亮纹,已知从S1和S2发来的两束相干光到Q处的路程差是 9×10-7 m,则实验所用的单色光的频率是多少 第二条暗纹到两双缝的路程差为多少
【答案】 3.3×1014 Hz　1.35×10-6 m
【解析】 第一条亮纹到双缝的路程差应等于光波的波长,故可知该单色光的波长
λ=9×10-7 m,
由波长、波速和频率的关系可知该单色光的频率ν== Hz≈3.3×1014 Hz。
第一条暗纹到双缝的路程差等于,第二条暗纹到双缝的路程差等于λ,
即1.35×10-6 m。
15.(12分)登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射,尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射,否则将会严重地损伤视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为 n=1.5,所要消除的紫外线的频率为ν=8.1×1014 Hz。
(1)他设计的这种“增反膜”所依据的原理是什么
(2)这种“增反膜”的厚度最少是多少
【答案】 (1)见解析　
(2)1.235×10-7 m
【解析】 (1)为了减少进入眼睛的紫外线,应使入射光分别从该膜的前后两个表面反射出来形成的光叠加后加强,即依据的是薄膜干涉原理。
(2)当光程差(大小等于薄膜厚度d的2倍)等于光在薄膜中的波长λ′的整数倍,
即2d=nλ′(n=1,2,…),则出现亮条纹,因此,膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的。
紫外线在真空中的波长是λ== m≈3.7×10-7 m,
在膜中的波长是λ′== m≈2.47×10-7 m,
故膜的厚度最少是λ′=1.235×10-7 m。
16.(16分)如图所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1、S2距离之差为2.1×10-6 m,分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验。
(1)已知A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7 m,则P点是亮条纹还是暗条纹
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°,则P点是亮条纹还是暗条纹
【答案】 (1)暗条纹　(2)亮条纹
【解析】 (1)设单色光A在空气和介质中的波长分别为λ1、λ2,
根据n=可得λ1=n·λ2=6×10-7 m,
由题意可知,S1、S2到P点的路程差Δr=2.1×10-6 m,
则N1===3.5,
故用A光做实验,P点为暗条纹。
(2)根据临界角与折射率的关系sin C=得n==,
由此可知,B光在空气中的波长λB为λB=nλ介=×3.15×10-7 m=5.25×10-7 m,
所以N2==4,故用B光做实验,P点为亮条纹。(共37张PPT)
第5节　激光与全息照相
[定位·学习目标]　
1.了解激光的特点和应用。2.了解全息照相的原理。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　激光及其特性
1.1960年5月15日,美国物理学家 发现了激光。
2.激光产生:激光是 受激辐射产生的光。
梅曼
原子
特点 应用
好,激光发射的各个光子频率相同 激光音乐喷泉、舞台灯光等
好,受激辐射的光子在相位上一致 光纤通信、激光全息照相等
好,激光束的发散角很小,几乎是一条平行的光束 条形码扫描、DVD播放音乐、测量距离、跟踪目标、制导炸弹等
高,激光的亮度可比普通光源高出上千倍,可产生上亿摄氏度的高温 激光打孔、切割、焊接、激光手术、热核聚变、显示电子流动轨迹等
3.激光的特点及应用
单色性
相干性
方向性
亮度
知识点二　全息照相
1.1948年,英国物理学家 提出了全息照相的设想。
2.全息照片的拍摄应用了光的 原理,这就要求参考光和物光有很高的
性, 符合这个要求。
伽柏
干涉
相干
激光
「新知检测」
1.思考判断[正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)激光是原子受激辐射产生的光。(　　)
(2)激光是相干光,可以像无线电波一样被调制,传递信息。(　　)
(3)全息照相利用了激光的衍射原理。(　　)
(4)激光可做“光刀”来切开皮肤,是利用了激光的相干性好。(　　)
(5)用激光做双缝干涉实验,是应用了激光具有高度的相干性的特点。(　　)
×
√
√
√
×
2.思维探究
(1)激光是自然界中的一种光吗
【答案】 (1)激光是一种特殊的人工产生的光,自然界中的发光体不能发出激光,是自然界中没有的一种光。
(2)纳米科技是人类认识自然的一个新层次,激光束宽度可聚集到纳米范围,
1纳米等于多少米
【答案】 (2)1 nm=10-9 m。
突破·关键能力
要点　激光的特点及其应用
「情境探究」
激光作为一种人造光源,在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,如激光干涉仪、激光测距、激光炮(如图所示)等。激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性
【答案】 单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。
1.激光的产生
激光是原子受激辐射产生的光,传播的方向、频率、偏振方向均相同,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的光。
「要点归纳」
2.激光的特点及应用
(1)单色性好。由于某种激光发射的各个光子的频率相同,只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内,因此激光是很好的单色光源,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度,为精密仪器的测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
(2)相干性好。所谓相干性好,是指容易产生干涉现象。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。由于激光是相干光,所以它具有易于调制的特点,可用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。
(3)方向性非常好。与普通光相比,传播相同的距离激光束的扩散程度小,光线仍能保持一定的强度,保持它的高能量,利用这一点可以精确测距。现在利用激光测量地月距离精确度可以达到厘米级别。激光还被用来读取DVD、CD光盘等记录的信息。
(4)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,如果把强大的激光束会聚起来,可使物体被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温。因此,可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔,医学上用激光做“光刀”,也可“焊接”剥落的视网膜,利用激光产生的高温引起核聚变等。
[例题] (双选)下列关于激光的说法正确的是(　 　)
A.激光是一种人工产生的相干光,它不能像无线电波一样被调制并用来传递信息
B.激光可以用来精确的测距,这是利用了激光的单色性好的特点
C.医学上用激光做“光刀”切开皮肤以及“焊接”剥落的视网膜,利用了激光亮度高的特点
D.全息照相技术不仅记录了光波的强弱信息,还记录了光波的相位信息
CD
【解析】 激光是一种人工产生的频率单一的光源,通常用作相干光,传递信息操作简单容易,故A错误;激光测距是利用激光测量很远目标的距离,是因为激光具有平行度好,方向性好的特点,故B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C正确;全息相片的拍摄利用了光的干涉原理,全息照相技术不仅记录了光波的强弱信息,还记录了光波的相位信息,故D正确。
[针对训练] (双选)下列说法正确的是(　　 )
A.激光可用于测距
B.激光能量十分集中,只可用于加工金属材料
C.外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D.由于激光的方向性好,故不能发生衍射现象
AC
【解析】 激光方向性好,即使在传播了很远的距离之后,它仍保持一定的强度,此特点可用于激光测距,A正确;激光的亮度高,能量十分集中,可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等,B错误;由于激光亮度高,能量大,在切割皮肤等的同时,也能杀灭细菌,C正确;激光是一种电磁波,能发生衍射现象,D错误。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
激光测距的原理和方法
1.测距依据
由于激光是非常好的平行光,用它测量距离可以达到很高的精度。
2.测距原理
3.测距优势
由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。
[示例] 某种激光雷达测距软件可以同时显示两列波形,当激光器发射激光时,在电脑液晶显示器上显示一个正的波形,而接收器接收到反射回来的光波时又会显示一个负的波形。某次实际测量时显示器上显示的图像如图所示,已知激光器每秒发射激光脉冲数为N=7.5×103,被测物与测量者之间的距离小于10 km,则由图求出被测物与测量者之间的距离为多少
【答案】 5 km
「科学·技术·社会·环境」
激光的应用
激光可应用于切割、焊接、打孔、雕刻、医疗、美容、检测、测量等方面。
(1)激光切割在汽车工业上的应用:某公司研发出可以让高性能激光束高速移动的装置用于切割钢板,能够每天提供上万高质量的钢板设备,该系统比普通激光切割机快十倍,满足了汽车批量生产的需要。
(2)化工企业大量使用各种储罐,如何监测储罐是否有变形,会不会泄漏 常规的固定点位测量,可能出现测量的点没有发生变形,但没测量到的地方已经变形了,而三维激光扫描则可保证不管罐体哪里变形都能发现。
(3)激光指示器,又称为激光笔、指星笔等,是把可见激光设计成便携、手易握、激光模组(二极管)加工成的笔形发射器。常见的激光指示器有红光、绿光和蓝紫光等。通常汇报、教学、导赏人员都会使用它来投映一个光点或一条光线指向物体,但它可能会破坏或影响导览物的场所,例如艺术馆(有些画作怕光)、动物园等都不宜使用。
[示例] 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方向性非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中进行传递信息
B.计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息,是应用了激光有相干性的特点来进行的
C.医学中用激光做“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
C
【解析】 由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用激光的相干性强,
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方向性好,
B错误;医疗中的激光“光刀”利用了激光的高亮度的特点,C正确;激光测距利用的是激光的方向性好,D错误。
检测·学习效果
1.(双选)关于激光与自然光,下列说法正确的是(　 　)
A.激光的频率单一,而自然光是含有各种色光频率的光,所以激光的相干性好
B.自然光是由物质的原子发射出来的,而激光是人工产生的,所以激光不是由物质的原子发射出来的
C.激光和自然光都具有相同的本质,它们都是由原子的跃迁产生的
D.光的强弱是激光与普通光的根本区别
AC
【解析】 激光的频率单一,相干性很好,自然光中含有各种频率的光,故A正确;激光和自然光都是由原子的跃迁产生的,它们的根本区别是激光相干性好,与光的强弱无关,故B、D错误,C正确。
2.下列说法正确的是(　　)
A.全息照相利用了激光的衍射成像
B.激光测距是利用了激光的平行性好
C.用激光“焊接”剥落的视网膜利用了激光的相干性好
D.激光刻录利用了激光的亮度高
B
【解析】 全息照相利用了激光相干性好的特性,故A错误;激光测距是利用了激光的方向性好,故B正确;用激光“焊接”剥落的视网膜利用了激光的能量较高、沿直线传播的特点,故C错误;激光刻录利用了激光的方向性好,故D错误。
3.激光火箭的体积小,却可以装载更大、更重的卫星或飞船,激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供,通过一套装置,像手电筒一样,让激光束射入火箭发动机的燃烧室,使推进剂受热而急剧膨胀,于是形成一股高温高压的燃气流,以极高的速度喷出,产生巨大的推力,把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)
①单色性好 ②方向性好 ③高能量 ④相干性好
A.①② B.②③ C.①③ D.②④
B
【解析】 由于激光站与火箭相距较远,必须要求激光具有很好的方向性,使推进剂受热而急剧膨胀是利用激光的高能量特点,故B正确。
4.在激光的伤害中,以机体中眼睛的伤害最为严重。激光聚于感光细胞时,产生过量热量而引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤,一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。激光对眼睛的危害如此之大的主要原因是(　　)
A.单色性好 B.高能量
C.相干性好 D.方向性好
B
【解析】 由题意可知,激光聚于感光细胞时产生过量热量而引起的蛋白质凝固变性是造成眼失明的原因,说明引起这一现象的主要原因是激光的高能量性,故B正确。
5.(双选)激光被誉为“神奇的光”。关于激光的应用,下列说法正确的是(　 　)
A.激光用来控制核聚变,是因为它的方向性好,光源的能量能集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度
B.由于激光是相干光,所以它能像无线电波那样被调制,用来传递信息
C.用激光拦截导弹,摧毁卫星,是因为激光在大气中传播不受大气的影响
D.能利用激光测量地面到月球表面的距离,是因为激光通过地球大气不会发生折射
AB
【解析】 激光用来控制核聚变,是因为它的方向性好,光源的能量能集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度,故A正确;由于激光是相干光,所以它能像无线电波那样被调制,用来传递信息,故B正确;用激光拦截导弹,摧毁卫星,是因为激光方向性好、能量高,故C错误;能利用激光测量地面到月球表面的距离,是因为激光方向性好,故D错误。
感谢观看

展开更多......

收起↑