高中物理 第十三章 8 激光教材梳理教案 新人教版選修3-41

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激光 皰丁巧解牛 知識巧學 一、激光的概述 激光器的發(fā)明是20世紀中的重大科技成就.激光的高亮度、單色性、相干性，使它自1958年問世以來，在短短幾十年中就得到了迅速的發(fā)展.現(xiàn)在，激光技術已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、通信、軍事、文化藝術、能源等許多方面獲得了重要應用. 要點提示 激光是一種特殊的光，自然界中的發(fā)光體不能發(fā)出激光. 二、激光的幾個特點 1.激光是人工產(chǎn)生的相干光 激光的頻率單一，相干性非常好，顏色特別純.用激光做衍射、干涉實驗，效果特別好，激光可以像無線電波那樣進行調(diào)制，用來傳遞信息，光纖通信就是激光和光導纖維相結(jié)合的產(chǎn)物. 2.激光束的平行度和方向性非常好 利用激光的這一特點，可以根據(jù)發(fā)射與返回的時間間隔，測量超遠距離. 還可以利用激光平行度好的特點刻制光盤，這種光盤所記錄的信息密度高. 3.激光的強度大，亮度高 激光可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量，可使被照射物體在不到千分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫. 激光在醫(yī)療上可以充當手術刀切除腫瘤，“焊接”剝落的視網(wǎng)膜；還可以充當武器給對方致命一擊. 聯(lián)想發(fā)散 激光的用途很廣，各國科學家正致力于這方面的研究，相信不遠的將來，激光會有更大的用武之地. 三、全息照相 1.基本概念 全息照相：能同時記錄光波的振幅與位相的照相. 全息記錄：能使物體各點發(fā)出的光波的振幅與位相同時記錄下來. 全息再現(xiàn)：能使物體各點發(fā)出的光波的振幅與位相同時再出現(xiàn). 2.全息照相的原理 全息照相與普通照相不同，從它的照片可以看到三維的圖象，而普通的照片看到的圖象是平面二維的.用于普通照相的感光膠片只能記錄物體上各個點發(fā)出的光的強度（振幅），而全息照相能夠把物體各點發(fā)出的光波的振幅與位相同時記錄下來，并使之再現(xiàn)，則當這些光波被人眼接收時，眼中的圖象將和直接觀看物體一樣是三維的. 深化升華 全息照相是利用了激光的相干性、激光的平行度好以及激光的大強度的特點. 典題熱題 知識點一 激光 例1關于激光，下列說法正確的是（ ） 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，A項正確，B項錯誤.激光具有方向性好、亮度高、能量強等特點，可以像刀子一樣切除腫瘤，C項正確，激光是一種電磁波，只要是電磁波就能發(fā)生衍射現(xiàn)象，D項錯誤. 答案：AC 方法歸納 了解激光的特性和應用.激光的特點是頻率單一、相干性好，用來像無線電波那樣進行調(diào)制傳遞信息；平行度高、方向性好，用來測量超遠距離、刻制光盤；亮度高、強度大，用來充當手術刀切除腫瘤. 知識點二 激光的應用 例2在演示雙縫干涉的實驗時，常用激光做光源，這主要是應用激光的什么特性？（ ） A.亮度高 B.平行性好 C.單色性好 D.波動性好 解析：頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉，激光的單色性好，頻率單一，通過雙縫時能夠得到兩束相干光.故本題的正確選項是C項. 答案：C 巧解提示 由波發(fā)生干涉的條件是頻率相同相差恒定的波，以及激光的單色性好，頻率單一的特點，很快得出正確選擇. 例3如圖13-8-1所示，激光液面控制儀的原理是：固定一束激光AO以入射角i照射液面，反射光OB射到水平光屏上，屏上用光電管將光訊號變成電訊號，電訊號輸入控制系統(tǒng)用以控制液面高度.如果發(fā)現(xiàn)光點在屏上向右移動了s的距離射到B′點，由此可知液面降低了___________________. 圖13-8-1 解析：如圖13-8-1所示，入射光方向不變，則i不變，而O′B′平行于OB.設液面降了h，據(jù)幾何關系可得：h=coti. 答案：coti 方法歸納 作出幾何光路圖，由光的反射規(guī)律和激光的特性可求出結(jié)果，從而理解激光液面控制儀的原理. 知識點三 光導纖維 例4由于激光是亮度高、平行度好、單色好的相干光，所以光導纖維中用激光作為信息高速傳輸?shù)妮d體.要使射到粗細均勻的圓形光導纖維一個端面上的激光束都能從另一個端面射出，而不會從側(cè)壁“泄漏”出來，光導纖維所用材料的折射率至少應為多大？ 解析：要保證不會有光線從側(cè)面跑出來，其含義是不管入射角多大都能在側(cè)壁發(fā)生全反射，令入射角等于90，再由折射定律和全反射臨界角公式、幾何關系就可以求出材料的折射率. 答案：設激光束在光導纖維端面的入射角為i，折射角為α.折射光線射向側(cè)面時的入射角為β，如圖13-8-2所示. 圖13-8-2 由折射定律：n= 由幾何關系：α+β=90 sinα=cosβ 由全反射臨界角的公式：sinβ= cosβ= 要保證從端面射入的任何光線都能發(fā)生全反射，應有i=90，sini=1.故 n==== 解得n= 光導纖維的折射率應為n≥. 誤區(qū)警示 本題一般在解答中存在的問題有：一是不會對光線變化過程進行分析，當入射角i從零逐漸增大的過程中，折射角α也增大，折射光線入射到壁的入射角β是減小的.如果當i增大到90時，仍有β大于等于臨界角，題目要求就能滿足，其臨界條件是i=90，β=arcsin.找不出這個條件，就無法入手解答.二是僅從全反射的條件出發(fā)，由sinβ=，直接得出n=，不知道β此時是未知量. 問題探究 交流討論探究 問題 激光到底是一種什么樣的光，它為什么有這么大的用途呢? 探究過程： 劉濤：激光是從物質(zhì)的原子中發(fā)射出來的，是受激材料的所有受激原子或分子從高能級躍遷到低能級，發(fā)射同一頻率和同相位的大量光子，以光子的形式把能量發(fā)射出去.而普通的光源，如白熾燈，燈絲中的每個原子在什么時刻發(fā)光，朝哪個方向發(fā)光，都是不確定的，發(fā)出的頻率也不一樣，這樣的光在疊加時，一會兒在空間的某點相互加強，一會兒又在這點相互削弱，不能形成穩(wěn)定的亮區(qū)和暗區(qū)，所以不能發(fā)生干涉，而激光是一種人工產(chǎn)生的相干光. 王小華：高度的平行性：激光是幾乎不發(fā)散地前進，因此它可以發(fā)射很遠而不發(fā)散，所以它能夠保持它的能量. 高度的單色性：由于激光通常是在極窄的頻率范圍之內(nèi)，所以顏色幾乎是完全單一的，它的單色性是比較好的單色光的104—107倍. 很高的亮度：因為激光的能量高和方向集中，所以亮度很強，目前大功率激光器的單色亮度是太陽光的單色亮度的1016—1019倍. 李東：高度的相干性：激光的頻率或單色性相同，相位也相同，所以極易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象. 高的光子簡并度：大功率激光器發(fā)出的激光，比可見光的簡并度大1017—1019倍（簡并度是同一量子態(tài)內(nèi)性質(zhì)相同的光子數(shù)）. 探究結(jié)論:由于激光具有以上特性，所以激光常用于工業(yè)的切割和打孔，醫(yī)療上的手術刀，軍事上的激光槍和激光炮，通訊上的光纖通信，農(nóng)業(yè)上的激光育種等等. 實驗論證探究 問題 自第一臺紅寶石激光器以來，各種各樣的激光器相繼問世，它們可以產(chǎn)生不同功率、不同波長的激光，激光有哪些特性呢？ 探究過程:實驗原理：利用激光和普通光源進行對比探究激光的特性. 實驗器材：激光筆一支 手電筒一個 實驗過程：1.同時讓激光束和手電筒光束射到空氣中，觀察在傳播方向、顏色、亮度等方面有什么不同. 手電筒光束分散，而激光束高度平行；光傳播很遠一段距離后，手電筒光束發(fā)散得很開，而激光的發(fā)散很小. 2.同時讓激光束和手電筒光束經(jīng)過三棱鏡折射后的傳播情況，觀察在傳播方向、顏色、亮度等方面有什么不同. 手電筒光會發(fā)生色散，而激光不會產(chǎn)生色散；手電筒光經(jīng)過三棱鏡后很暗，而激光仍然很亮. 探究結(jié)論:激光的顏色是單一的，傳播方向性好，具有高度的平行性，亮度高，能量大.