第四章 第四节 光的衍射和偏振
光具有波动性，除了能发生干涉，也一定会产生衍射。但是在日常生活中，我们通常观察到光沿直线传播，并没有绕过障碍物到达其背后的阴影区域。可见，观察光的衍射也需要满足一定的条件。
对于机械波而言，障碍物或孔隙的尺寸与波长相差不大时才能观察到明显的衍射现象。由于光波的波长很短，远小于常见物体的尺寸，我们很难在日常生活中观察到光的衍射现象，所以一般可以近似地认为光是沿直线传播的。
图 4–28 单缝衍射实验装置图
在如图 4–28 所示的装置中，用激光照射狭缝，改变狭缝的宽度，观察光屏上光强分布的变化。
实验观察到，光屏上被照亮的范围比缝的宽度大得多，而且出现了明暗相间的分布（图 4–29）；若将狭缝改为小圆孔，也会有类似的现象，在光屏上出现明暗相间的同心圆环（图 4–30）。
图 4–29 光通过狭缝的衍射图样
图 4–30 光通过小孔的衍射图样
当光在传播过程中遇到孔隙（或障碍物）后，偏离原来的直线传播方向绕过孔隙（或障碍物）继续传播的现象称为光的衍射。
科学家可以通过衍射图样来推断障碍物或孔隙的空间结构和形状。用激光束从侧面水平照射竖直弹簧，如图 4–31（a）所示。光屏上会出现如图 4–31（b）所示的衍射图像。而如图 4–32 所示为 1952 年拍摄的首张 DNA 分子 X 射线衍射图像，与图 4–31（b）十分相似。当年科学家正是根据照片中的信息提出了 DNA 分子的双螺旋结构。
图 4–31 激光照射弹簧的衍射图样图
4–32 DNA 分子的 X 射线衍射图样
1818 年，法国科学院组织了一次竞赛，目的是要解决光到底是粒子还是波的问题。年轻的工程师菲涅耳（A.-J. Fresnel，1788—1827）在其投送的论文中按照波动说的理论深入地研究了光的衍射，提出了解决衍射问题的数学方法。竞赛评委泊松（S. D. Poisson，1781—1840）是波动说的反对者，他认为菲涅耳的论文有问题。根据菲涅耳的分析他推演出，如果把不透光的小圆盘放在光束的中心，圆盘影子的中心竟然会出现一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬的，波动说可以休矣。但不久之后，竞赛委员会的主席阿拉果（F. Arago，1786—1853）却在实验中发现圆盘影子的中心确实存在亮斑。泊松的计算反而为光的波动说提供了有力支持。毕竟这个亮斑是由泊松首先推演出来的，为了纪念泊松的质疑对光学研究的促进作用，后人将这个亮斑称为“泊松亮斑”。
如图 4–33（a）所示，用激光照射直径略小于激光束的不透明圆盘，观察光屏上的现象。
(a)
(b)
图 4–33 圆盘衍射
图 4–34 防伪标识
可以观察到，光屏上不透明圆盘的阴影中心确实有一个亮斑。
光通过一条狭缝会衍射，光通过平行的多条狭缝同样会衍射。狭缝越窄、狭缝数量越多，光的衍射现象越明显。激光防伪技术就是利用激光在印有图案的表面上沿不同方向刻上密排的细条纹。光通过这些细条纹发生衍射，形成特定的彩色图案来防伪。如图 4–34 所示即为纪念币上的防伪标识。
声波的波长范围为 0.017 ~ 17 m，人眼可感知的可见光范围为 400 ~ 760 nm。请解释“只闻其声不见其人”现象的原因。
(a)
(b)
图 4-35 判断横波的示意图
光能够发生干涉和衍射现象表明光是一种波。作为电磁波的光到底是横波还是纵波？
在绳波的传播方向上放置一个有狭缝的木板。沿绳传播的横波可以穿过如图 4–35（a）所示的狭缝；若将狭缝旋转 90°，波就无法通过了，如图 4–35（b）所示。而纵波是沿着波的传播方向振动的，所以无论狭缝的方向如何，纵波都可以穿过。
可以利用类似的方法来检验光是横波还是纵波。在实验室中，通常用“偏振片”来实现狭缝的功能，其作用是只让沿一定方向振动的光波通过。
图 4-36 偏振片检测光的横波特征
在光的传播路径上放一块偏振片 A，使光通过 A 照射到光屏上，观察光屏上的现象（图 4–36）；在光的传播路径上再放一块偏振片 B，保持 A 不动，转动 B，或保持 B 不动，转动 A，观察光屏上的现象。
观察得到，随着 A 或 B 的转动，光屏上的光斑亮度随之变化。当两偏振片处在某个特定位置时，没有光线到达光屏。这一现象可以用光是横波来解释。
电磁理论指出，电磁波是横波，横波的振动方向总和传播方向垂直。不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能不同，这样的现象称为偏振（polarization）。偏振现象是横波区别于纵波的一个标志。
普通光源发出的光，在垂直于光传播方向的平面内包含一切振动方向的光，这样的光称为自然光。图 4-36 中偏振片 A 称为起偏器，偏振片 B 称为检偏器。自然光经过起偏器A 后，在垂直于传播方向的平面内光只沿一个特定的方向振动，这种光称为偏振光，这个特定方向就称为偏振片的偏振方向。转动 B，使 B 与 A 偏振方向的夹角变化，屏上光斑的亮度随之相应变化，当两者的偏振方向互相垂直时，屏上的光强最弱。自然光在玻璃、水面等物体表面发生反射和折射时，反射光和折射光都是不同程度的偏振光。
光的偏振现象有许多应用。如拍照时阳光、闪光灯光都会影响戴眼镜人的拍摄效果；拍摄橱窗和鱼缸内景物时，也会因明亮的反射光而受干扰。在镜头上加装偏振滤光片就能减弱反射光对拍摄的影响。
图 4–37 自然光的振动方向
图 4-38 观看立体电影示意图
普通光源（如日光、各种照明光源等）发出的自然光，是由构成发光物质的大量原子、分子同时发射的光波组成。虽然每个原子或分子都发出一列长度有限、沿某一方向振动的光波，但不同原子或分子发出的光波的振动方向是随机的。自然光是由大量随机发出的光波组成，光的振动出现在各个方向的概率相同。如果用带箭头的直线表示光的振动方向，在与光传播方向相垂直的平面内，自然光的振动如图 4–37 所示。为了获得仅沿某确定方向振动的偏振光，通常是让自然光经过某些具有一定内部结构的透明物质后射出。自然光在物质中传播时，由于光与物质的相互作用，导致除沿某特定方向振动的光之外，沿其他方向振动的光波能量均被物质吸收，从而出射的是只沿一个方向振动的偏振光。这个方向就是该物质的偏振方向。
观众戴上眼镜观看立体电影有身临其境的感觉。立体电影是利用人双眼的视角差和会聚功能制作的可产生立体感觉的电影（图 4–38）。立体电影拍摄时使用两台摄像机同时拍摄景物的双视
点图像。放映时使用两台放映机将两个视点的图像同步放映，在两台放映机前分别装有两个偏振片，偏振片的偏振方向互相垂直。从放映机射出的光通过偏振片后的偏振方向也互相垂直。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重叠的，有些模糊不清。观众使用对应上述偏振光的偏振眼镜观看银幕，左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，两眼看到的画面略有差别，从而产生立体感。
- 用激光笔垂直照射一根细铜丝，观察光屏上的衍射图样有什么特点。在垂直光线的平面内转动铜丝，又会观察到什么现象？
- 如何证实液晶屏发出的光为偏振光？
图 4-39
- 某同学做了三个单缝，如图 4–39 所示为用激光分别照射三个单缝得到的衍射图样。比较三个单缝的宽度。
- 如图 4–40 所示，甲、乙两图是同一单色光分别透过孔径为 d甲 和 d乙 的两圆孔后在光屏上形成的图样。由图样比较 d甲 和 d乙 的大小。
甲乙
图 4-40
图 4-41
- 柔软的耳机线中有很多粗细均匀的细铜丝。对这些细铜丝的加工要求非常高。工厂中利用如图 4–41 所示的装置，用激光器照射细铜丝，对抽丝过程实施自动控制。这一技术利用了光的什么现象？如果发现光屏上的条纹变宽，表明此时抽出的铜丝粗细发生了怎样的变化？为什么？
- 强光突然照射眼睛，会使人产生短时间视觉障碍。为了避免夜间迎面驶来的汽车远光灯发出的强光带来的安全隐患，某同学做了如下设想：将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃。这样的设想如何实现使双方司机不受对方车辆发出的强光的影响？
问题与思考解读
1．参考解答：光屏上出现与铜丝平行的明暗相间的衍射条纹。在垂直于光线的平面内转动铜丝，条纹会随铜丝转动，条纹与铜丝始终平行。
提示：不需要从理论层面进行推理。
命题意图：引导学生进行实际的观察。
主要素养与水平：物质观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。
2．参考解答：将一片偏振片放在液晶屏上，点亮液晶屏（发出白光），透过偏振片观察发光的液晶屏，慢慢转动偏振片，能观察到明暗变化的现象。
命题意图：引导学生能进行实际的观察。
主要素养与水平：物质观念（Ⅱ）。
3．参考解答：从三张照片的单缝衍射图样可以看出，由下到上，衍射现象越来越不明显，说明缝的宽度越来越大。由获得三张照片所用的缝均能产生衍射现象，说明缝宽符合衍射的条件。
命题意图：观察衍射图样做出分析。
主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学论证（Ⅱ）。
4．参考解答：d甲 小于 d乙。图甲中，单色光通过小孔出现明暗相间且宽度不等的条纹，这是光的衍射现象。图乙是个圆亮斑，说明光主要沿直线传播，没有发生明显的衍射现象。图乙所对应的圆孔孔径远大于单色光的波长，一定大于发生衍射现象的图甲所对应的圆孔孔径。
命题意图：根据现象做出合理的推断。
主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学论证（Ⅱ）。
5．参考解答：这一技术利用了光的衍射现象。光屏上的条纹变宽，说明铜丝变细，光的衍射现象变得更加明显。
命题意图：关注物理与生产生活的联系。
主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；社会责任（Ⅰ）。
6．参考解答：若前窗玻璃的偏振方向与前灯玻璃的偏振方向均斜向右上方 45°，两车相向而行时，对方来车前灯玻璃的偏振方向与本车前窗玻璃的偏振方向垂直，则司机看不见对方车辆车前灯发出的炫目的灯光。
提示：引导学生关注主要因素。
命题意图：解释偏振玻璃的实际应用，关注物理与生活和生产的联系。
主要素养与水平：科学推理（Ⅲ）；社会责任（Ⅰ）。
发布时间：2022/6/12 15:01:57 阅读次数：3061
