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《光的衍射》、《光的偏振 激光》教学

 新用户65120Joi 2022-06-20 发布于山西
《光的衍射》
高中阶段学习光的干涉、衍射,就是知道那么个意思就行。能和直线传播区别开,显示出波动性就行,杨氏干涉中,一束光从两个狭缝中射入,并没有按照直线传播的思路只在屏幕上显示出两个光点,而是有了明暗相间的条纹。这就和机械波干涉时有的位置振动加强,有的位置振动减弱一个道理。

本节课做实验很关键,没有理论推导,通过实验直观地认识到衍射是怎么回事,了解明显衍射的条件就行。器材用激光笔、单缝、衍射光栅,拿根细点的针可以用来演示有障碍物的衍射。

一.单缝衍射
衍射可以先思考单缝或单孔衍射,按照直线传播的几何光学思路,光屏上应该是一条亮缝和一个亮点,但实际呢?当单缝或单孔的尺寸足够小时,光屏上是这个样子。
通过一条单缝,屏幕上竟然有了类似干涉的明暗相间的条纹,这不又是类似机械波叠加的固定强弱区域吗?这就说明光也是一种波,这就是干涉和衍射能证明波动的原因。吊诡的是:单缝越窄,屏幕图象上的中央亮纹越宽。看来光也像人一样,管控是有一定限度的,控到一定程度,就会从旁门左道窜出来,而且控得越厉害,窜得越厉害。

这也就通过现象给出了衍射的定义。衍字的含义,不就是有点多出来的意思吗?偏离了直线传播,拓宽了传播的频道。

将单缝的宽度不断加宽,到了一定程度之后,变回了直线传播的样子。但若仔细观察,会发现边缘地带的影子是不那么清晰的,这可以看作是微小的偏离了直线传播,这也是衍射,只不过不明显而已。光的衍射现象,我们平常说的衍射,某种程度上就是指明显的衍射。若不明显,则有玄学的味道,你说看见了,视力不太好的说看不见,这不就是皇帝的新装了吗?只有明显的衍射,才能使想抬杠的也使他无扛可抬。狭缝越小,衍射的亮纹越宽,但同时带来一个问题,亮度下降,因此,实际观察也需要一定的亮度。

实际上,不只是狭缝或狭孔,在光源正前方放置一个障碍物,也会观察到衍射现象,而且是很高级的衍射现象,在障碍物的正前方会出现亮斑,这是颠覆直线传播的现象的,这也是光具有波动性的铁证,粒子性也好,直线传播也罢,都无法解释这个现象。障碍物正前方的这个亮斑,有个传奇的名称,叫泊松亮斑。发现过程很具有戏剧性。

1818 年,法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究,悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。
当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者,他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题,发现对于一定的波长、在适当的距离上,影的中心会出现一个亮斑!泊松认为这是荒谬可笑的,并认为这样就驳倒了光的波动说。但是,就在竞赛的关键时刻,评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑,这样,泊松的计算反而支持了光的波动说。
后人为了纪念这个有意义的事件,把这个亮斑称为泊松亮斑,也称为阿拉果亮斑。



现在思考一个问题,双缝干涉,明显的单缝衍射,现象的共同点都是出现明暗相间的条纹。有明暗相间的条纹,就是一种叠加。干涉是两列波叠加,衍射不是一个单缝吗?怎叠加?可否想过这样一个问题:“一列光波,两列光波”是怎样定义的,什么情况下的光波可称为“一列”?

二.衍射光栅
双缝可以干涉,单缝可以衍射,结果都是明暗相间的条纹。那么,三缝、四缝、甚至N缝呢?能否产生明暗相间的条纹呢?

实验的结果说明是可以的,相当于给光做了一个栅栏,所以将这种仪器命名为衍射光栅。单缝衍射的条纹比较宽,而且距离中央亮条纹较远的条纹,亮度也很低。因此,无论从测量的精确度,还是从可分辨的程度上说,单缝衍射都不能达到实用要求。教材种这句话搞不懂要干什么,整篇内容只是介绍衍射的现象和明显衍射的条件,根本就没提衍射的实用价值。根据清晰的衍射图样,可以测波长,用于光谱分析;有些晶体就是天然的光栅,通过衍射图样,可以倒推晶体结构,用于分析晶体结构,等等,用途十分广泛,好歹来点事例。

《光的偏振 激光》教学
这节内容,更是纯属了解了。
偏振是用来说明光是一种横波。激光就说了一通激光非常非常高大上的用途。
偏振,3D眼镜,太阳镜,说白了,都是斜偏振片。偏振是个什么意思呢?偏爱、偏科、偏向、偏心。带偏的都有点不正的意思,偏振片的意思是光波到了它这,只能从一个偏爱的方向振动,其他方向此路不通。

举个竹竿过城门的例子。
鲁有执长竿入城门者,初竖执之,不可入,横执之,亦不可入,计无所出.俄有老父至日;"吾非盛人,但见事多,何不一剧中截而入?"遂依而截之。

类比一下:竹竿平动的方向看作波的传播方向,竹竿那个笔直的方向就可看作是波的振动方向。运动方向与振动方向共线的波称为纵波,运动方向与振动方向垂直的波成为横波。假如竹竿立起来没有城门洞高,但横着来比城门洞宽,则为横波时,只有立起来竹竿才能进了城。但若振动方向和传播方向一致了,只要城门开着,竹竿就能进了城。横波是只有竖着能进城,这就是一种偏振现象,纵波就没这码事,所以说偏振是横波特有的现象。反过来,出现偏振现象了,说明波就是横波。

光的偏振是怎回事呢?可不是偏振片上裂了一条缝,就是材料内部特有的一种结构,使得某个方向的光可以透过去,其他方向就过不去了,自然光是圆偏振的,意思是各个方向都有振动,但通过一个偏振片后,只有某个方向的振动过去了,就变成了偏振光,再通过一个偏振片,调整偏振片的方位,会发现光的强弱会发生变化。






反射光、折射光,都是偏振光,偏振现象的应用:
光的偏振现象有很多应用。例如,摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时,由于水面和玻璃表面的反射光的干扰,景象会不清楚。如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片,转动滤光片,让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直,就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰。汽车挡风玻璃贴的膜就是偏振膜,能达到不惧强光照射的目的。



激光
普通光相当于是乌合之众,无组织、无纪律,随意性相当强。激光相当于纪律严明的特种部队,步调极其一致。
光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量以后处于不稳定状态,它会以光的形式把能量发射出去。但是,普通的光源,例如白炽灯,灯丝中某个原子在什么时刻发光、在哪个方向偏振,完全是随机的,发出的光传播方向各异,频率也不一定相同,这导致不同原子发出的光没有确定的相位差。因此,普通光源发出的自然光是许多频率、相位、偏振以及传播方向各不相同的光的杂乱无章的混合。这导致两个独立的普通光源发出的光不会发生干涉。那么,能否制造出频率、相位、偏振以及传播方向等性质都十分确定的“纯净”的光呢?

激光特点:
方向性和单色性很好的强光光束
三高光:平行度高、单色性高、能量高。
激光器基本结构:激光器工作物质,光学共振腔,激励能源。
激光用途:特点决定用途。理解了特点,对应的用途也就能理解了。

两节了解内容,没有实质性的知识,全是碎片化的,我不认为学习这种东西对发展思维和能力有用,差不多就是让一年级小学生了解二次函数,念了一顿不知所以的字。自己思维无法参与的文字,对思维就几乎起不到作用。






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