
如何拍攝美麗的自然景物
橫波與縱波的區(qū)別?什么是橫波的偏振現(xiàn)象?
實(shí)驗(yàn)一:橫波的偏振現(xiàn)象
取一根軟繩,一端固定在墻上,手持另一端上下抖動(dòng),就在軟繩上形成一列橫波.
繩波的振動(dòng)方向與狹縫的方向平行時(shí),傳播情況正常;振動(dòng)方向與狹縫方向垂直時(shí),繩波經(jīng)過(guò)狹縫后消失。這種現(xiàn)象叫做偏振現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)二:用一彈簧經(jīng)過(guò)“狹縫”,輕撥彈簧,形成一列彈簧波。旋轉(zhuǎn)狹縫方向,觀察彈簧波的情況。
無(wú)論“狹縫”如何,彈簧波均正常傳播
結(jié)論:縱波沒(méi)有波的偏振現(xiàn)象。
光到底是橫波還是縱波?
偉大的物理學(xué)家惠更斯最早提出光是縱波,托馬斯·楊認(rèn)為光是一種橫波,但在當(dāng)時(shí)他們都缺乏充足的證據(jù)證明自己的觀點(diǎn)。
托馬斯·楊認(rèn)為光是一種橫波
探究活動(dòng)1:光是橫波還是縱波
偏振片:一種由高分子薄膜制成的光學(xué)器件,每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向,只有沿著這個(gè)方向振動(dòng)的光波才能通過(guò)偏振片,這個(gè)方向叫做“透振方向”。
實(shí)驗(yàn):讓光源的光通過(guò)一片偏振片
結(jié)論:在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),光振動(dòng)沿任意方向振動(dòng)的強(qiáng)度相同.
現(xiàn)象:偏振片無(wú)論如何轉(zhuǎn)動(dòng),光線不會(huì)發(fā)生變化
太陽(yáng)、電燈、普通光源發(fā)出的光包含了垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光,而且各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度都相同,這種光叫自然光。
在垂直于傳播方向的平面上,沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng),這種光叫做偏振光。
實(shí)驗(yàn)三:讓光源的光通過(guò)用兩片偏振片(起振器,檢偏器)
現(xiàn)象:轉(zhuǎn)動(dòng)第二片偏振片,光的強(qiáng)弱會(huì)發(fā)生變化
結(jié)論:光也會(huì)發(fā)生偏振,說(shuō)明光是橫波.
如何判斷接收到的光是自然光還是偏振光?
除了太陽(yáng)、電燈等光源直接發(fā)出的光以外,我們見(jiàn)到的絕大部分都是不同程度的偏振光,如自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時(shí),反射光和折射光大部分都是偏振光。
探究活動(dòng)2:尋找身邊的偏振光
自然光射到兩種介質(zhì)的界面上,如果光入射的方向合適,使反射光與折射光之間的夾角恰好是90°,這時(shí)反射光和折射光就都是偏振的,并且偏振方向互相垂直。
用偏光鏡消除了反射偏振光使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見(jiàn)
汽車夜間在公路上行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí),為了避免雙方車燈的眩目,司機(jī)都關(guān)閉大燈,只開(kāi)小燈,放慢車速,以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片,而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角,那么,司機(jī)從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光,而看不到對(duì)面車燈的光,這樣,汽車在夜間行駛時(shí),即不用熄燈,也不用減速,可以保證安全行車。
另外,在陽(yáng)光充足的白天駕駛汽車,從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過(guò)來(lái)的耀眼的陽(yáng)光,常會(huì)使眼睛睜不開(kāi)。由于光是橫波,所以這些強(qiáng)烈的來(lái)自上空的散射光基本上是水平方向振動(dòng)的。因此,只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽(yáng)鏡便可擋住部分散射光。
偏振式3D技術(shù)是利用光線有“振動(dòng)方向”的原理來(lái)分解原始圖像的,通過(guò)在顯示屏幕上加放偏光板,可以向觀看者輸送兩幅偏振方向不同的畫(huà)面,當(dāng)畫(huà)面經(jīng)過(guò)偏振眼鏡時(shí),由于偏振式眼鏡的每只鏡片只能接收一個(gè)偏振方向的畫(huà)面,這樣一來(lái)人的左右眼就會(huì)收到兩組畫(huà)面,最后經(jīng)過(guò)大腦合成立體影像。
偏光鏡頭 立體電影
平板玻璃、電極、取向膜
液晶顯示器就是利用這一特性,在上下兩片柵欄相互垂直的偏光板之間充滿液晶,利用電場(chǎng)控制液晶的轉(zhuǎn)動(dòng).不同的電場(chǎng)大小就會(huì)形成不同的灰階亮度.
在陽(yáng)光充足的白天駕駛汽車,從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過(guò)來(lái)的耀眼的陽(yáng)光,常會(huì)使眼睛睜不開(kāi)。由于光是橫波,所以這些強(qiáng)烈的來(lái)自上空的散射光基本上是水平方向振動(dòng)的。因此,只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽(yáng)鏡便可擋住部分的散射光。
6、昆蟲(chóng)對(duì)偏振光的應(yīng)用
人的眼睛對(duì)光的偏振狀態(tài)是不能分辨的,但某些昆蟲(chóng)的眼睛對(duì)偏振卻很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支復(fù)眼、兩支復(fù)眼,每個(gè)復(fù)眼包含有6300個(gè)小眼,這些小眼能根據(jù)太陽(yáng)的偏光確定的方位,然后以太陽(yáng)為定向標(biāo)來(lái)判斷方向,所以蜜蜂可準(zhǔn)確無(wú)誤地把它的同類引到它所找到的花叢。
再如在沙漠中,如果不帶羅盤,人是會(huì)迷路的,但是沙漠中有一種螞蟻,它能利用天空中的紫外偏光導(dǎo)航,因而不會(huì)迷路。
3、應(yīng)用:攝影、汽車、立體電影 、 液晶等
[自我檢測(cè)]1.正誤判斷(1)光的偏振現(xiàn)象說(shuō)明光是橫波。( )答案 √(2)光的衍射說(shuō)明光不能沿直線傳播。( )解析 光的衍射與直線傳播是在不同條件下的表現(xiàn),都是正確的。答案 ×(3)反射可以引起自然光的偏振。( )答案 √(4)自然光是偏振光。( )答案 ×(5)自然光是在垂直于傳播方向的平面上,只沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)的光。答案 ×
例1.(多選)對(duì)于光的偏振,下列說(shuō)法正確的是( )A.自然光通過(guò)偏振片后成為偏振光B.偏振光不能再通過(guò)偏振片C.如果偏振片的透振方向與偏振光的振動(dòng)方向垂直,偏振光不能透過(guò)偏振片D.偏振現(xiàn)象表明光是橫波解析 自然光透過(guò)偏振片后的光振動(dòng)方向只沿著偏振片的透振方向,故自然光透過(guò)偏振片后變?yōu)槠窆?A選項(xiàng)正確;只要偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的透振方向不垂直就能通過(guò)偏振片,當(dāng)兩者方向垂直時(shí),偏振光將不能通過(guò)偏振片,故B選項(xiàng)錯(cuò)誤,C選項(xiàng)正確;偏振現(xiàn)象表明光是橫波,D選項(xiàng)正確。答案 ACD
例題2.(多選)如圖所示,電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過(guò)偏振片A和B,人眼在P處迎著入射光方向,看不到光亮,則( )A.圖中a光為偏振光B.圖中b光為偏振光C.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過(guò)180°后,在P處將看到光亮D.以SP為軸將B轉(zhuǎn)過(guò)90°后,在P處將看到光亮
變式訓(xùn)練1.在拍攝日落時(shí)分水面下的景物時(shí),應(yīng)在照相機(jī)鏡頭前裝一個(gè)偏振片,其目的是( )A.減少陽(yáng)光在水面上的反射光B.阻止陽(yáng)光在水面上的反射光進(jìn)入照相機(jī)鏡頭C.增強(qiáng)光由水面射入空氣中的折射光進(jìn)入鏡頭的強(qiáng)度D.減弱光由水面射入空氣中的折射光進(jìn)入鏡頭的強(qiáng)度
解析 日落時(shí)分的陽(yáng)光照射到水面上時(shí),反射光很強(qiáng),照相機(jī)鏡頭對(duì)著水面時(shí),進(jìn)入鏡頭的光線既有陽(yáng)光經(jīng)水面的反射光,又有由水中折射入空氣的折射光。前者光線進(jìn)入鏡頭得到實(shí)際景物在水中的倒影的像,而后者光線進(jìn)入鏡頭得到的才是水下景物的像,兩者在同一底片上相互干擾,使圖像模糊不清。若在鏡頭上安裝一偏振片,轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片方向使其透振方向與反射光的偏振方向垂直,即可最大限度地阻止反射光進(jìn)入鏡頭,增強(qiáng)圖像的清晰度。答案 B
1958年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文,奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ). 1960年,美國(guó)加利福尼亞州休斯航空公司實(shí)驗(yàn)室的研究員梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器. 1965年,第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件——二氧化碳激光器誕生. 1967年,第一臺(tái)X射線激光器研制成功.
激光是20世紀(jì)以來(lái),繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后,人類的又一重大發(fā)明,被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽(yáng)光的100億倍。激光的原理早在 1916 年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn),但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的,它一問(wèn)世,就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展,激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生,而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)。
激光的產(chǎn)生激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光,發(fā)光的方向、頻率、偏振方向均相同,兩列相同激光相遇可以發(fā)生干涉。激光是人工產(chǎn)生的相干光。
1960年,美國(guó)物理學(xué)家梅曼正在進(jìn)行一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置里有一根人造紅寶石棒。突然,一束深紅色的亮光從裝置中射出,它的亮度是太陽(yáng)表面的4倍!這是一種完全新型的光,科學(xué)家渴望多年而自然界中并不存在的光,它被命名為L(zhǎng)aser。
世界上第一臺(tái)紅寶石激光器
激光是相干光,普通光是非相干光!
特點(diǎn)1:相干性好——頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致
探究實(shí)驗(yàn)1:用普通光和激光分別照射雙縫,讓透過(guò)雙縫的光照在放置較遠(yuǎn)的光屏上,看看觀察到的現(xiàn)象有什么不同?
探究實(shí)驗(yàn)2:將激光和普通光同時(shí)照到光屏上,先讓光屏靠近光源,再逐漸遠(yuǎn)離,對(duì)比觀察光斑大小的變化。
1962年,人類第一次使用激光照射月球,月球距離地球約38萬(wàn)千米,但激光在月球表面的光斑直徑不到兩千米。
激光亮度可達(dá)太陽(yáng)表面亮度的十億倍!
亮度極高——能在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量
激光的特點(diǎn)小結(jié)(1)激光是人工產(chǎn)生的相干光,其單色性好,相干性好。激光的頻率單一,相干性非常好,顏色特別純。用激光做衍射、干涉實(shí)驗(yàn),效果很好。(2)激光的平行度好。從激光器發(fā)出的激光具有極好的平行性,幾乎是一束方向不變、發(fā)散角很小的平行光。傳播幾千米后,激光斑擴(kuò)展范圍不過(guò)幾厘米,而探照燈的光束能擴(kuò)展到幾十米范圍。 因此激光在地面上傳播時(shí),可以看成是不發(fā)散的。(3)亮度高。激光可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量。自然光源亮度最高的是太陽(yáng),而目前的高功率激光器,亮度可達(dá)太陽(yáng)的1萬(wàn)倍.
相干性好應(yīng)用:光纖通訊、激光全息技術(shù)
平行度好應(yīng)用:測(cè)距、測(cè)速、信息存儲(chǔ)和閱讀(激光讀寫(xiě))
亮度高:應(yīng)用:工業(yè)切割、焊接、打孔;醫(yī)學(xué)“光刀”;激光武器、利用強(qiáng)激光產(chǎn)生的高壓引發(fā)核聚變。
[自我檢測(cè)]2.正誤判斷(1)激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn)。( )答案 √(2)激光可做“光刀”來(lái)切開(kāi)皮膚是利用激光的相干性好的特點(diǎn)。( )答案 ×(3)全息照相技術(shù)利用激光平行度好的特點(diǎn)。( )答案 ×(4)激光不能像無(wú)線電波那樣用來(lái)傳播信息。( )答案 ×
光盤( VCD 、DVD )刻錄和讀取
激光打標(biāo)、焊接、切割
激光理療、組織焊接、激光刀切割以及激光美容等等。
激光反導(dǎo)、激光槍、反衛(wèi)星武器等激光武器
全息照相 “全息”的意思為“全部信息”,即相對(duì)于只記錄物體的明暗變化的普通攝影來(lái)說(shuō),激光全息攝影還能記錄物體的空間變化。(1)與普通照相技術(shù)的比較:普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強(qiáng)弱信息,而全息照相技術(shù)還記錄了光波的相位信息。(2)原理:全息照相的拍攝利用了光的干涉原理,使參考光和物光在底片上相遇,發(fā)生干涉,形成復(fù)雜的干涉條紋。這要求參考光和物光必須具有很高的相干性。(3)觀察全息照片時(shí)要用激光照射照片,從另一側(cè)面觀察。
同一激光束被分成兩束,參考光直接照到底片上,物光也到達(dá)底片。兩者干涉,在底片上形成復(fù)雜的干涉條紋,各點(diǎn)的明暗程度反映了疊加的加強(qiáng)和減弱的情形。
全息照片的拍攝利用了光的干涉原理,它是利用參考光和物光發(fā)生干涉形成的。
拍攝全息照片的基本光路
全息照片的觀看:用激光照射全息照片,在照片的另一側(cè)觀看原物體的立體的像。
例題3.將激光束的寬度聚焦到納米級(jí)范圍內(nèi),可修復(fù)人體已損壞的器官,對(duì)DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù),把至今尚令人類無(wú)奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除。關(guān)于激光的特點(diǎn)符合題意的是( )A.單色性差 B.方向性差 C.高能量 D.沒(méi)有波動(dòng)性
【解析】激光束的發(fā)散角很小,幾乎是一束平行的光線;激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是激光能量能在空間高度集中,從而可將激光束制成激光手術(shù)刀;另外,由幾何光學(xué)可知,平行性越好的光束經(jīng)聚焦得到的焦斑尺寸越小,再加之激光單色性好,經(jīng)聚焦后無(wú)色散像差,使光斑尺寸進(jìn)一步縮小,可達(dá)微米級(jí)以下,甚至可用作切割細(xì)胞或分子的精細(xì)的“手術(shù)刀”,所以選項(xiàng)C符合題意。
例題4.讓激光照射到VCD機(jī)、CD機(jī)、DVD機(jī)或計(jì)算機(jī)的光盤上,就可以讀取光盤上記錄的信息,經(jīng)過(guò)處理后還原成聲音和圖像,這是利用了激光的( )A.平行度好,可以會(huì)聚到很小的一點(diǎn)上B.相干性好,可以很容易形成干涉圖樣C.亮度高,可以在很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量D.波長(zhǎng)短,很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象解析 激光的平行度好,容易會(huì)聚成一個(gè)很小的光點(diǎn),讓激光照射到VCD機(jī)、CD機(jī)、DVD機(jī)或計(jì)算機(jī)的光盤上,傳感器把光盤反射的光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行處理,還原出聲音或圖像,只有選項(xiàng)A正確。答案 A
變式訓(xùn)練3.(多選)關(guān)于激光,下列說(shuō)法正確的是( )A.激光是用人工方法激發(fā)出的一種特殊的光B.自然界中某些天然物體也可以發(fā)出激光C.激光可以像刀子一樣切除腫瘤D.由于激光的方向性好,所以激光不能發(fā)生衍射現(xiàn)象解析 激光是用人工方法激發(fā)的一種特殊的光,具有很強(qiáng)的相干性,故選項(xiàng)A正確;普通光源發(fā)出的光是自然光,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;醫(yī)用光刀利用激光方向性好、亮度高、能量強(qiáng)等特點(diǎn)切除腫瘤,故選項(xiàng)C正確;激光是一種特殊的光,光的一切規(guī)律都可以直接應(yīng)用于激光,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案 AC
1.(多選)關(guān)于自然光和偏振光,以下說(shuō)法正確的是( )A.自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光,但是沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度可以不同B.偏振光是垂直于傳播方向上,只沿著某一特定方向振動(dòng)的光C.自然光透過(guò)兩個(gè)偏振片后可還原為自然光D.太陽(yáng)、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光
解析 自然光沿各振動(dòng)方向的光波的強(qiáng)度相同,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;偏振光在垂直于傳播方向上,只沿某一特定方向振動(dòng),選項(xiàng)B正確;自然光透過(guò)偏振片后成為偏振光,偏振光透過(guò)偏振片后不能還原為自然光,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;太陽(yáng)、電燈等普通光源發(fā)出的是自然光,選項(xiàng)D正確。答案 BD
2.(多選)對(duì)于光的偏振,下列說(shuō)法正確的是( )A.自然光通過(guò)偏振片后成為偏振光 B.偏振光不能再通過(guò)偏振片C.如果偏振片的透振方向與偏振光的振動(dòng)方向垂直,偏振光不能通過(guò)偏振片D.偏振現(xiàn)象表明光是橫波
【解析】自然光透過(guò)偏振片后的光振動(dòng)方向只沿著偏振片的透振方向,故自然光通過(guò)偏振片后變?yōu)槠窆?,A選項(xiàng)正確;只要偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的透振方向不垂直就能通過(guò)偏振片,當(dāng)兩者方向平行時(shí),透射光強(qiáng)度最大,B選項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)兩者方向垂直時(shí),偏振光將不能通過(guò)偏振片,故C選項(xiàng)正確;偏振現(xiàn)象表明光是橫波,D選項(xiàng)正確。
3.(多選)關(guān)于自然光和偏振光,以下說(shuō)法正確的是( )A.自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光,但是沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度可以不同B.偏振光是垂直于傳播方向上,只沿著某一特定方向振動(dòng)的光C.自然光透過(guò)兩個(gè)偏振片后可還原為自然光D.太陽(yáng)、電燈等普通光源發(fā)出的光都是自然光
4.(多選)(2021山東日照高二月考)激光的誕生是一件大事,它使得人類獲得了極其理想的、自然界中不存在的光源。下列激光的特性及其應(yīng)用,正確的是( )A.醫(yī)學(xué)上用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜,是利用激光的相干性B.實(shí)驗(yàn)室里用激光更容易完成雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和衍射實(shí)驗(yàn),是利用激光的相干性C.激光能夠比較精確測(cè)量地球到月球的距離,是利用激光的平行度好D.激光束很容易在堅(jiān)硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高
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