第5章　第4节　光偏振,,第5节　激光与全息照相,,讲义—2021-2022学年新教材鲁科版（2020）高中物理选择性必修第一册

　第 第 4 节 节

　光的偏振 第 第 5 节 节

　激光与全息照相 [ 核心素养· 明目标]

　核心素养 学习目标

　物理观念 知道光的偏振现象和激光的特点．

　科学思维 能区分偏振光和自然光 ， 理解激光的特点及应用．

　科学探究 能够与他人合作 ， 探究激光的特点．

　科学态度与责任 感受偏振光和激光在日常生活中的应用， ， 激发学习科学的热情．

　知识点一

　光的偏振

　1． ． 偏振现象

　(1) 偏振：横波只沿着某一个 特定 的方向振动的现象．

　(2) 偏振片和 透振方向

　偏振片是只让 某一方向 振动的光通过的一种光学元件．通常把这个 透光 方向称为偏振片的透振方向．

　(3) 光的偏振现象说明 ， 光是一种横波．

　(4) 自然光

　在垂直于传播方向的平面内 ， 光波可沿任何方向振动 ， 光振动在平面内的分布是大致 均匀 的 ， 这样的光称为自然光．

　(5) 偏振光

　让自然光通过偏振片 ， 就能获得偏振光．

　(6) 起偏器和检偏器

　用于获得偏振光的偏振片叫 起偏器 ， 用于检查通过起偏器的光是不是偏振光的偏振片叫 检偏器 ．

　2． ． 偏振现象在生产生活中的应用

　偏振现象的主要应用有 偏振镜 、 立体电影 、 地震预报等．

　只有横波才存在偏振现象，纵波不存在偏振现象．

　1：

　：

　思考辨析( 正确的打 “√” ， 错误的打 “×”)

　(1) 自然光是偏振光． ( ×)

　(2) 光的偏振现象说明光是横波． ( √)

　(3) 自然光通过偏振片可以获得偏振光． ( √)

　2：

　：

　填空

　立体电影应用了光的 偏振现象 ．

　知识点二

　激光与全息照相

　1． ． 激光及其特性

　(1) 激光器

　产生激光的装置．

　(2) 激光及 特性

　激光是 原子 受激辐射产生的光 ， 激光光束中所有光子的 频率 一致 、 相位 一致 、 偏振方向 一致 、 传播方向 一致 ， 所以激光具有 单色性 好 、 相干性 好 、 方向性 强 、 亮度 高等特点．

　2． ． 激光的应用

　(1) 激光音乐喷泉

　(2) 激光扫描条形码

　(3) 激光测量

　(4) 激光治疗

　3． ． 全息照相

　全息照相是应用光的 干涉 实现的．作为光源的激光被分成两部分：一部分通过凹透镜发散后射至 胶片 上；另一部分射向一个平面镜 ， 经反射后通过另一个凹透镜发散后射向 被拍摄 的物体．该物体把光反射到胶片上 ， 并与第一束光发生干涉 ， 两束光干涉的结果就在胶片上记录下被拍摄 物体的 三维图像 信息 ，这就是全息照片．

　自然界中是否存在激光？

　提示：

　自然界中不存在激光．

　3：

　：

　思考辨析( 正确的打 “√” ， 错误的打 “×”)

　(1) 激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好． ( √)

　(2) 探照灯的光束就是激光． ( ×)

　(3) 全息照相是利用激光单色性好的特点，发生干涉． ( √)

　考点 1

　激光

　激光作为一种人造光源在科研、通讯、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等．激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？

　 激光干涉仪

　激光切割机

　激光炮

　提示：

　激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点．

　激光的特性及应用

　特点 ( 与普通光相比) 特点内容 应用

　单色性好相干性好 好 频率单一 ， 相位差恒定 ， 易发生干涉现象 ， 可像无线电波一样调制 激光全息照相、 、 光纤通信 、 光的干涉

　方向性好 激光的方向性非常好， ， 是一束几乎不发散的平行光， ， 可以会聚到很小的点上 上 测距和跟踪目标 、CD 唱片 、 计算机光盘

　亮度高 激光能在很小的空间、 、 很短的时间内集中很大的能量 “ 光刀 ”、 、 激发核反应

　例 【典例 1】

　】

　关于激光的应用 ， 下 列说法正确的是(

　)

　A． ． 全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理

　B． ． 利用激光是相干光 ， 可以用在雷达上进行精确的测距

　C． ． 由于激光平行度好 ， 它能像无线电波那样被调制 ， 用来传递信息

　D． ． 利用激光亮度高 ， 可以用在医学上做光刀切除肿瘤 ， 或 “ 焊接 ” 剥落的视网膜

　D

　[ 全息照片拍摄是利用了激光的频率单一，相干性好，能够产生明显的

　故 干涉，故 A 错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故 B故 错误；利用激光相干性好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故 C错误；利用激光光强度大、能量集中，可以用在医学上做光刀切 除肿瘤，或 “ 焊接 ”故 剥落的视网膜，故 D 正确．]

　[ 跟进训练]

　1． ． 激光可以用来进行精确的测距 ， 激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置 ， 它是利用了激光的什么特点(

　)

　A． ． 激光具有高度的相干性

　B． ． 激光的平行度非常好

　C． ． 激光的亮度高

　 D． ． 激光的单色性好

　B

　[“ “ 激光测距雷达 ” 利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度故 好，方向性好．故 B 正确．]

　 考点 2

　光的偏振

　如图所示是立体电影中的图片．为什么立体电影会产生如此神奇的效果？

　提示：

　在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片．

　1． ． 偏振现象

　对于横波通过狭缝的情况 ， 只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时 ，横波才能无阻碍地通过狭缝 ， 而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时 ，横波不能通过狭缝 ， 说明偏振是横波特有的现象．

　2． ． 自 然光与偏振光的区别

　 自然光( 非偏振光) 偏振光

　光的来源 直接从光源发出的光 自然光通过起偏器后的光

　光的振动 在垂直于光的传播方向的平 在垂直于光的传播方向的平面

　方向 面内 ， 光振动沿所有方向 ， 且沿各个方向振动的光强度都相同 内 ， 光振动沿某一特定方向( 与起偏器透振方向一致)

　例 【典例 2】

　】

　( 多选) 在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片 P 和 和 Q， ，在 在 Q 的后边放上光屏 ， 如图所示 ， 则下列说法正确的是(

　)

　 A ．Q 不动 ，片 旋转偏振片 P， ， 屏上光的亮度不变

　B ．Q 不动 ，片 旋转偏振片 P， ， 屏上光的亮度时强时弱

　C ．P 不动 ，片 旋转偏振片 Q， ， 屏上光的亮度不变

　D ．P 不动 ，片 旋转偏振片 Q， ， 屏上光的亮度时强时弱

　[ 思路点拨]

　该题可按如下思路分析：太阳光是自然光 振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过 两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．

　BD

　[P 是起偏器，它的作用是把太阳光( 自然光) 转变为偏振光，该偏振光与 的振动方向与 P 的透振方向一致，所以当 Q 与 与 P 的透振方向平行时，通过 Q 的当 光强最大；当 Q 与 与 P 的透振方向垂直时通过 Q 的光强最小，即无论旋转 P 或 或 Q ，屏上的光强都是时强时弱．]

　 关于 “ 偏振 ” 的几个注意事项 (1) 偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作 “ 透振方向 ” ，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．

　(2) 偏振片上的 “ 狭缝 ” 表示透振方向，而不是真实狭缝．

　(3) 光的偏振现象说明光是一种横波．

　(4) 自然光透过偏振片可以变成偏振光．

　(5) 当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光 的强度不同．

　[ 跟进训练]

　2． ． 关于自然光和偏振光 ， 下列观点正确的是(

　)

　A． ． 自然光能产生干涉和衍射现象 ， 而偏振光却不能

　B． ． 只有自然光透过偏振片才能获得偏振光

　C． ． 自然光只能是白色光 ， 而偏振光不能是白色光

　D． ． 自然光和偏振光都能使感光底片感光

　D

　[ 振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是以 偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以 A 错；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以 外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏以 振光，所以 B 错；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以 C 错；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D 对．]

　 1 ．( 多选) 关于自然光和偏振光 ， 以下说法正确的是(

　)

　A． ． 自然光包含着在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波的强度可以不同

　B． ． 偏振光是垂直于传播方向上 ， 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． ． 太阳 、 电灯等普通光源发出的光都是自然光

　BD

　[ 自然光沿各振动方向的光波的强度相同，A 错误；偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，B 正确；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，C 错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D 正确．]

　2． ． 在拍摄日落时水面下的景物时 ， 应在照相机镜头前装一个偏振片 ， 其目的是(

　)

　A． ． 减弱反射光 ， 从而使景物的像清晰

　B． ． 增强反射光 ， 从而使景物的像清晰

　C． ． 增强透射光 ， 从而使景物的像清晰

　D． ． 减弱透射 光 ， 从而使景物的像清晰

　A

　[ 由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减

　弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光．]

　3 ．2016 年 年 ， 科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化 ， 这是引力波存在的直接证据．关于激光 ， 下列说法中正确的是(

　)

　A． ． 激光是自然界中某种物质直接发光产生的 ， 不是偏振光

　B． ． 激光相干性好 ， 任何两束激光都能发生干涉

　C． ． 用激光照射不透明挡板上小圆孔时 ， 光屏上能观测到等间距的光环

　D． ． 激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息

　D

　[ 激光是人造光，也是偏振光，故 A 错误；激光相干性好，只有频率相故 同的两束激光才会发生干涉，故 B 错误；用激光照射不透明挡板上小圆孔时，故 光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故 C 错误；激光全息照片是利用光的干故 涉记录下物体三维图像的信息，故 D 正确．]

　4 ．( 新情境题，以 “ 照相机、太阳镜 ” 为背景，考查光的偏振现象) 如图所示 ， 在柏油马路和湖面上常常遇到耀眼的炫光 ， 它使人的视觉疲劳．这些天然的炫光往往是光滑表面反射而来的镜式反射光和从表面反射的漫反射光重叠的结果 ， 漫反射光是非偏振光 ， 而镜式反射光一般是部分偏振光．由于它 们是从水平面上反射的 ， 光线的入射面是垂直的 ， 所以反射光含有大量振动在水平方向的偏振光．要想消除这种炫光 ， 只要将光线中的水平振动成分减弱些就可以了．同理 ， 要想消除从竖直面反射来的炫光 ， 如玻璃窗反射来的炫光 ， 所用偏振轴应取水平方向．

　 问题：(1) 某些特定环境下照相时 ， 常在照相机镜头前装一片偏振滤光片使影像清晰 ， 这是利用什么原理？

　(2) 市场上有一种太阳镜 ， 它的镜片是偏振片 ， 为什么不用普通的带色玻璃片而用 偏振片？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？

　[ 解析]

　(1) 在某些特定环境下，如拍摄池水中的游动的 鱼时，由于水面反射光的干扰，影像会不清楚，在镜头前装一片偏振片，清除反射光( 反射光为偏振光) ，影像就变得清晰．这是利用了光的偏振．

　(2) 这种太阳镜是为了消除柏油马路和湖面上反射的耀眼的炫光，因此应用偏振片而不是带色的普通玻璃片．该反射光为水平方向的偏振光，故应使镜片的透振方向竖直． [ 答案]

　见解析

　 回归本节 知识 ， 自我完成以下问题：

　1． ． 什么是偏振现象？

　提示：

　如果横波只沿着某一个特定的方向振动，叫做波的偏振，只有横波才有这个特性．

　2． ． 激光有什么特性？

　提示：

　单色性好、方向性强、亮度高等．

　3． ． 让自然光通过一块偏振片 ， 能否获得偏振光？

　提示：

　能．

　 立体电影和偏振光 你看到立体电影吗？你知道它的道理吗？它就是应用光的偏 振现象的一个例子．在观看立体电影时 ， 观念要戴上特制的眼镜 ， 这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片．如果不戴这副环境 ， 银幕上的图像就模糊不清了．这是为什么？

　两眼看到的情景稍有差别，大脑分析后就产生了立体感。

　这要从人眼看物的立体感说起．人的两只眼睛同时观察物体 ， 不但能扩大视野 ， 而且能判断物体的远近 ， 产生立体感．这是由于人的两只眼睛同时观察一个物体时 ， 两眼看到的两个像并不完全相同 ， 左眼看到物体的左侧 面较多 ，

　右眼看到物体的右侧面较多 ， 这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后 、远近 ， 从而产生立体感．

　拍摄立体电影时 ， 可以用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同步拍摄景物的像 ， 制成电影胶片．放映时通过两

　台放映机 ， 同步放映两组胶片 ， 使略有差别的两幅图像重叠在银幕上．这时如果用眼睛直接观看 ， 看到的画面好像是电视天线不好时出现的 “ 重影 ” ．

　实际上 ， 每架放映机前还要安装一片偏振片 ， 两架放映机射出的光 ， 通过偏振片后成了偏振光．左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直 ， 因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直．这两束 偏振光投射到银幕上再反射到观众那里 ， 偏振方向不变．观众用上述的偏振眼镜观看 ， 每只眼睛只看到相应的偏振光图像 ， 即左眼只看到左机映出的画面 ， 右眼只看到右机映出的画面 ，这样就会像直接观看物体那样产生立体感．

　实际拍摄立体电影时只用一台摄像机 ， 让它通过两个窗口( 相当于人的双眼)交替拍摄 ， 两套图像交替地印在同一条电影胶片上．放映时也是只用一台放映机 ， 把两套图像交替地映在银幕上．

　为了实现这些功能还需要一套复杂的装置 ， 但原理就是上面所说的那样．