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课时13.6 光 的 偏 振
1.观看振动中的偏振现象,知道只有横波才有偏振现象。
2.知道偏振光和自然光的区分,能运用偏振学问来解释生活中一些常见的光学现象。
重点难点:偏振光的概念、偏振光与自然光的区分,以及偏振光的应用。
教学建议:本节主要阐述了光波作为横波具有的偏振现象,以及光的偏振在生产、生活等各个方面的应用。教学中可以先从绳波发生偏振入手,通过类比来理解光的偏振。做好演示试验是使同学学好偏振现象的关键。本节学问有利于开阔同学的视野,加深同学对光的波动性,特殊是对光是横波的理解。
导入新课:立体电影毁灭于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?你能解释其中的奇怪吗?
1.光的偏振现象
如图所示,白炽灯泡发出的光,经过两个偏振片后投射到光屏上,光源、偏振片和光屏的中心在同一条直线上,以这条直线为轴,转动任何一个偏振片,光屏上光的强度都会发生周期性的变化。
(1)白炽灯泡发出的光,经过偏振片P后变成了①偏振光,偏振片P叫②起偏器,偏振片Q叫③检偏器。
(2)光具有波动性,而且能发生偏振现象,这说明光是一种④横波(填“横波”或“纵波”)。
2.自然光与偏振光
(1)一般光源发出的光包含着在垂直于传播方向上沿⑤一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都⑥相同,这种光叫自然光。
(2)偏振光:在垂直于光传播方向的平面上,只沿着⑦某个特定方向振动的光。
(3)通常我们见到的绝大部分光都是不同程度的偏振光,自然光照射在玻璃、水面、木质桌面等表面时,反射光和折射光都是⑧偏振光。
3.光偏振现象的应用
(1)摄影和摄像:在拍摄水中的景物时,让镜头滤光片的透振方向与反射光的偏振方向⑨垂直,就可以减弱反射光,使被拍摄的对象的影像更清楚。
(2)液晶显示:液晶具有⑩旋光性,在外电压作用下,这共性质会消逝。在液晶显示中,液晶盒上下两偏振片的透振方向相互垂直。
1.太阳光是自然光还是偏振光?
解答:是自然光。
2.光的偏振现象说明光是横波还是纵波?
解答:是横波。
3.什么是液晶的旋光性?
解答:液晶会使光的偏振方向旋转90°。
主题1:观看光的偏振现象
情景:图示是教材的“演示”中用白炽灯泡做光源检验光波是不是横波的演示示意图。
问题:(1)如图甲所示,假如在光源与光屏之间放上一个偏振片P,光屏上的明暗程度会不会发生变化?为什么?
(2)如图甲所示,转动偏振片P,光屏上的明暗程度会不会发生变化?为什么?
(3)如图乙、丙所示,固定偏振片P,转动偏振片Q,光屏上光的亮度为什么会发生周期性变化?
(4)如图乙、丙所示,固定偏振片Q,转动偏振片P,光屏上光的亮度还会发生周期性变化吗?
解答:(1)会发生变化。白炽灯泡发出的光是自然光,由于偏振片P的存在,到达光屏的光只剩下沿某个方向振动的偏振光。
(2)在图甲中,白炽灯泡发出的光是自然光,由于自然光沿各个方向振动的光的强度相同,因此在图甲中转动偏振片P时,只转变偏振光的振动方向,不转变偏振光的能量,光屏上光的明暗程度不会发生变化。
(3)在图乙和图丙中,偏振片P为起偏器,偏振片Q称为检偏器。白炽灯发出的自然光经偏振片P后只剩下沿其透振方向振动的光,假如偏振片Q透振方向与偏振片P透振方向相同,则有光到达光屏上,光屏被照亮;假如偏振片Q与偏振片P透振方向相互垂直,则不会有光到达光屏上,光屏变暗。因此,固定偏振片P,转动偏振片Q时,光屏上光的亮度会发生周期性变化。
(4)会发生周期性的变化。
学问链接:要推断偏振光的强弱,关键是推断偏振光的振动方向与偏振片的透振方向的关系。若它们平行,则光强最强;若它们垂直,则光强最弱。
主题2:偏振光
问题:(1)跟同学争辩一下,有哪些方式可以获得偏振光?
(2)透过一个偏振片去观看黑板时,转动偏振片,会发觉黑板上粉笔字的亮度会发生变化,为什么?
解答:(1)自然光通过偏振片可获得偏振光;自然光射到两种介质的界面上,反射光和折射光都是偏振光;不发光物体反射的光一般都是偏振光。
(2)黑板和黑板上的粉笔字的反射光都是不同程度的偏振光,所以当转动偏振片时,透过偏振片所看到的黑板和黑板上的粉笔字的亮度会发生周期性的变化。
学问链接:平常我们看到的光,除直接从光源射出的自然光以外,其他大部分的光都是偏振光。
1.(考查自然光)下列说法正确的是( )。
A.自然光就是白光
B.自然光确定是复色光
C.单色光不是自然光
D.自然光可以是单色光,也可以是复色光
【解析】自然光是指含有在垂直传播方向上沿一切方向振动的光,且沿着各个方向振动的光波的强度相同,可以是单一频率的光,也可以是不同频率的光,故D选项正确。
【答案】D
【点评】自然光与偏振光的不同在于振动是不是沿特定方向。
2.(考查偏振光的概念)对于光的偏振,下列说法正确的是( )。
A.振动方向只在某一个平面内的光是偏振光
B.从电灯等光源直接发出的光本身就是偏振光
C.转动偏振片去看电灯光,看到透射光亮度无变化,说明透射光不是偏振光
D.光的偏振现象使人们生疏到光是一种横波
【解析】光的偏振现象说明光是一种横波,选项D正确。偏振光是在与传播方向垂直的方向上只沿某个特定方向振动的光;在同一个与传播方向垂直的平面内,光可以有很多振动方向,因此选项A错误。电灯、太阳等光源发出的光都是自然光,选项B错误。只通过一个偏振片去观看电灯发出的光,此偏振片只相当于起偏器,转动此起偏器时,观看到的电灯光不会发生变化,也从另一个方面证明白电灯发出的光是自然光,同时所观看到的是偏振光,选项C错误。
【答案】D
【点评】只有横波才有偏振现象。
3.(考查偏振光的检验)如图所示,电灯S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在图中P处迎着光入射的方向观看,看不到光亮,则( )。
A.图中a是偏振光
B.图中b是偏振光
C.将B转过180°,将在P处看到光亮
D.将A转过90°,将在P处看到光亮
【解析】电灯S发出的光是自然光,自然光沿各个方向的振动是均匀分布的,通过一个偏振片后透射光中只有沿偏振片透振方向振动的光,所以选项A错误,选项B正确。偏振片B只透过振动方向与其透振方向全都的偏振光,人眼在P处看不到光亮,说明其透振方向与偏振片A的透振方向垂直。将B转过180°后,其透振方向仍与偏振片A的透振方向垂直,人眼在P处照旧看不到光亮,所以选项C错误。将B转过90°后,其透振方向与偏振片A的透振方向相同,人眼在P处能看到光亮,所以选项D正确。
【答案】BD
【点评】只有偏振方向与偏振片透振方向垂直的光,才不能通过偏振片。
4.(考查对偏振现象的理解)如图所示,P是一偏振片,P的透振方向(用带有箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中,照射P时能在P的另一侧观看到透射光的是( )。
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°角振动的光
【解析】太阳光是自然光,沿各个方向振动的光都有,所以在偏振片另一侧可看到透射光;沿竖直方向振动的光,与P的透振方向相同,能透过偏振光;沿与竖直方向成45°角振动的光,有部分能透过偏振片P,故A、B、D正确。
【答案】ABD
【点评】偏振片的透振方向与光的振动方向即不平行又不垂直时有部分光透过。
拓展一:偏振光的应用
1.用白炽灯泡做光源做光的双缝干涉试验,假如在双缝后面各放置一个偏振片,且这两个偏振片的透振方向相互垂直,则下列说法正确的是( )。
A.光屏上仍有干涉条纹,但条纹的亮度减弱
B.光屏上仍有干涉条纹,但条纹的亮度增加
C.光屏上的干涉条纹消逝,但仍有光射到光屏上
D.光屏上的干涉条纹消逝,且光屏上一片黑暗
【分析】本题在偏振光学问的基础上进一步理解光的干涉。干涉的条件不仅需要两列光频率相同,而且振动方向也要相同。
【解析】由于两个偏振片的透振方向相互垂直,所以到达光屏时偏振光的偏振方向相互垂直。虽然它们的频率相同、相位差恒定,满足了干涉的一个必要条件,但是它们的偏振方向不同,不在一条直线上,没有满足干涉的另一个必要条件,所以不能相互叠加形成稳定的干涉,因此,选项A、B错误。虽然透过两偏振片的光不能在屏上形成干涉条纹,但到底到达了光屏,因此选项C正确,选项D错误。
【答案】C
【点拨】①光产生干涉的条件:a.频率相同;b.相遇点波的振动方向在一条直线上。只满足一个是不能形成干涉的。
②假如在一个缝后放偏振片,一个缝后不放偏振片,在光屏上可以观看到双缝干涉图样,但亮度比不放偏振片时要暗一些。
③假如双缝后所放偏振片的透振方向平行,在光屏上可以观看到双缝干涉图样。同样,干涉条纹的亮度比不放偏振片时要暗一些。
拓展二:涉及偏振现象的计算
2.一束太阳光由真空入射到平面玻璃上,当折射角是30°时,反射光线和折射光线恰好相互垂直,反射光恰好为完全偏振光。由此可以推断出,这种玻璃的折射率是多少?
【分析】本题实质上是光的反射和折射问题,作光路图时要画出法线标明入射角、反射角和折射角。
【解析】如图所示,设入射角为θ1,折射角为θ2,反射角为θ1'
由光的反射定律知θ1=θ1'
要使反射光为完全偏振光,则θ1'+θ2=90°
依据光的折射率得n=
则有sin θ1=sin θ1'=sin(90°-θ2)=cos θ2,n==cot θ2,解得:n=。
【答案】
【点拨】通过对本题的分析求解,可以得出一个结论:光从真空射入某种介质时,一旦有反射线与折射线垂直毁灭,则该介质的折射率就等于折射角正切值的倒数。
一、物理百科
偏 振 眼 镜
偏振眼镜由偏振膜与眼镜片胶合成的偏振眼镜片装上眼镜架而成。偏振膜是偏振眼镜的核心部件,偏振眼镜的功能,主要取决于偏振膜。
眩光(光亮刺眼的光)往往是由各种光滑表面反射而来的镜式反射光和由粗糙表面反射来的漫反射光重叠而成的,其中漫反射光是极不规章的,它们极其简洁地自行交叉叠加,因此本质上是一种非偏振光,然而镜式反射光是经平面反射而成的,它至少已经是部分偏振化了。大部分自然 眩光都是从水平的平面(如水泥路面、水面、沙漠、桌面、玻璃台板、纸面等)或垂直平面(如黑板、窗户、玻璃、荧光屏等)反射而来的,它含有大量的水平方向或垂直方向振动的直线偏振光,假如让它进入眼睛,视网膜上的神经在它的电场作用下,就比较简洁产生疲乏的感觉,而且视物不清,这对人眼是有害的。所以要清除眩光,只要将反射光中的直线偏振光去掉就行了。各种用途的偏振眼镜就是依据这个原理而设计的。
将偏振膜光轴置于竖直方向,就能拦掉水平偏振光而制成“太阳镜”“钓鱼镜”“司机镜”等偏振眼镜。偏振眼镜与一般太阳镜不同,后者是将各种振动方向的光都普遍地加以吸取、减弱,只能使总的光量变弱一些,因此在消退水平振动的眩光的同时,就不行避开地减弱了其他方向振动的光,从而使视场变得太暗,而光线太暗,也会促使视觉疲乏,对人眼引起不良影响。而偏振眼镜对其他方向振动的光吸取很少,所以可以两者兼顾,比较有效地疼惜眼睛。
二、备用试题
1.关于自然光与偏振光,下列说法正确的是( )。
A.自然光能发生干涉和衍射现象,而偏振光不能
B.只有将自然光透过偏振片才能获得偏振光
C.自然光只能是白光,而偏振光不能是白光
D.自然光和偏振光都能使感光底片感光
【解析】振动沿各个方向均匀分布的光是自然光,而振动只沿某特定方向的光是偏振光。干涉和衍射是波的特性,所以自然光和偏振光都能发生干涉和衍射现象,选项A错误。光的偏振现象并不罕见,除了从光源直接发出的光外,我们通常见到的光绝大部分都是偏振光,反射光和折射光通常也是偏振光,选项B错误。光的颜色是由光的频率打算的,与光的振动方向无关,白光是复色光。只要光在与传播方向垂直的平面内沿各个方向振动,且各方向振动的强度相同,它就是自然光,因此单色光也可以是自然光,选项C错误。自然光和偏振光都具有能量,都能使感光底片感光,所以选项D正确。
【答案】D
2.可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度,从而鉴定糖量。偏振光通过糖水溶液后,偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α,这一角度α称为“旋光度”,α的值只与糖溶液的浓度有关,将α的测量值与标度值相比较,就能确定被测样品的含糖量了,如图所示,S是自然光源,A、B是偏振片,转动B,使到达O处的光最强,最终将被测样品P置于A、B之间,则下列说法中正确的是( )。
A.到达O处光的强度会明显减弱
B.到达O处光的强度不会明显减弱
C.将偏振片B转动一个角度,使得O处光强度最大,偏振片B转过的角度等于α
D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光强度最大,偏振片A转过的角度等于α
【解析】 A、B之间不放糖溶液时,自然光通过偏振片A后,变成偏振光,通过B后到O。当在A、B间放糖溶液时,由于溶液的旋光作用,使通过A的偏振光振动方向转动了确定角度,到达O处的光强会明显减弱;但当B转过一个角度,恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光振动方向全都时,O处光强又为最强,故B的旋转角度即为糖溶液的旋光度;同理转动偏振片A也可以。
【答案】ACD
3.如图所示,一玻璃柱体的横截面为半圆形,让太阳光或白炽灯光通过狭缝S形成细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和透射光束2。现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线转动,使反射光束1和透射光束2恰好垂直。在入射光线的方向上加偏振片P,偏振片与入射光线垂直,其透振方向在纸面内,这时看到的现象是( )。
A.反射光束1消逝
B.透射光束2消逝
C.反射光束1和透射光束2都消逝
D.偏振片P以入射光线为轴旋转90°角,透射光束2消逝
【解析】自然光射到界面上,当反射光与折射光垂直时,反射光和折射光的偏振方向相互垂直,且反射光的偏振方向与纸面垂直,折射光的透振方向与纸面平行,因此当在入射光线方向垂直放上透振方向在纸面内的偏振片P时,因垂直于纸面无光,反射光束1消逝,A正确,B,C均错误;偏振片转动90°,平行于纸面内的光消逝,则透射光束2消逝,D正确。
【答案】AD
4.如图所示,杨氏双缝试验中,下述状况能否看到干涉条纹?简洁说明理由。
(1)在单色自然光源S后加一偏振片P。
(2)在(1)状况下,再加P1、P2,P1与P2透射光方向垂直。
【解析】 (1)能。到达S1、S2的光是从同一束偏振光分解出来的,它们满足相干条件,能看到干涉条纹,且由于偏振片很薄,对路程差的影响可忽视,干涉条纹的位置与间距和没有P时基本全都,只是强度由于偏振片而减弱。
(2)不能。由于从P1、P2射出的光方向相互垂直,不满足干涉条件,故光屏E被均匀照亮,但无干涉现象。
【答案】见解析
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