4.6光的偏振激光教學(xué)設(shè)計

一、核心素養(yǎng)目標(biāo)

1.物理觀念

（1）通過實驗觀察與理論分析，明確自然光與偏振光的區(qū)別，建立“光具有橫波特

性”的物理觀念，理解偏振現(xiàn)象是橫波特有的性質(zhì)。

（2）掌握偏振光的產(chǎn)生、檢測方法及應(yīng)用場景，了解激光的三大特性（單色性好、相干

性強、亮度高），認(rèn)識激光與自然光的本質(zhì)差異。

（3）能運用偏振和激光的知識解釋生活現(xiàn)象（如偏振墨鏡、3D電影）和科技應(yīng)用（如

激光切割、光纖通信），構(gòu)建“波動特性一技術(shù)應(yīng)用”的關(guān)聯(lián)認(rèn)知。

2.科學(xué)思維

（1）經(jīng)歷“觀察偏振現(xiàn)象一提出橫波猜想一實驗驗證一歸納規(guī)律”的思維過程，從

現(xiàn)象到本質(zhì)推導(dǎo)光的橫波屬性，培養(yǎng)邏輯推理與科學(xué)論證能力。

（2）通過對比自然光與偏振光、激光與自然光的特性差異，建立分類思維，能從傳

播規(guī)律、應(yīng)用場景等角度區(qū)分不同類型的光，突破“光都是自然光”的認(rèn)知誤區(qū)。

（3）結(jié)合偏振片的工作原理和激光的特性，分析其在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用邏輯，培養(yǎng)“特

性一應(yīng)用”的推導(dǎo)思維，提升知識遷移與模型建構(gòu)能力。

3.科學(xué)探究

（1）參與“探究光的偏振現(xiàn)象”實驗，自主設(shè)計實驗方案，利用偏振片、激光器、

自然光光源等器材，觀察偏振片旋轉(zhuǎn)時的光強變化，記錄數(shù)據(jù)并分析規(guī)律，培養(yǎng)實驗操

作與現(xiàn)象分析能力。

（2）開展“激光特性探究”小組活動，通過對比實驗（如激光與太陽光的單色性、

相干性實驗），驗證激光的獨特性質(zhì)，培養(yǎng)合作探究與數(shù)據(jù)處理能力。

（3）自主設(shè)計“偏振現(xiàn)象的應(yīng)用探究”任務(wù)，收集生活中偏振技術(shù)的實例，分析其

工作原理，提出創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)想，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。

4.科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任

（1）通過了解偏振技術(shù)和激光技術(shù)在通信、醫(yī)療、工業(yè)、科研等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，

認(rèn)識物理規(guī)律對科技進步的推動作用，增強科技自信與學(xué)科興趣。

（2）在實驗探究中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，尊重實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，不主觀臆斷結(jié)

論，體會“實驗是檢驗真理的重要手段”，養(yǎng)成規(guī)范操作、細致觀察的實驗習(xí)慣。

（3）結(jié)合激光技術(shù)的雙面性（如醫(yī)療造福人類、激光武器的危害）.樹立"科學(xué)技

術(shù)造福人類”的社會責(zé)任意識，認(rèn)識合理利用科技的重要性。

二、教學(xué)重難點

1.教學(xué)重點

（1）光的偏振現(xiàn)象與橫波特性：理解自然光通過偏振片后成為偏振光，偏振片旋轉(zhuǎn)

時光強變化的規(guī)律，明確偏振現(xiàn)象是橫波的特有屬性。

（2）偏振光的產(chǎn)生與檢測：掌握偏振光的兩種產(chǎn)生方式（反射折射起偏、偏振片起

偏），學(xué)會用偏振片檢測偏振光（旋轉(zhuǎn)偏振片觀察光強變化）。

（3）激光的特性與應(yīng)用：牢記激光的單色性、相干性、高亮度三大核心特性，能結(jié)

合特性分析其在具體領(lǐng)域的應(yīng)用原理（如相干性強用于干涉實驗、高亮度用于切割）。

2.教學(xué)難點

（1）偏振現(xiàn)象的理解與解釋：難以從微觀角度理解自然光的振動特點（垂直于傳播

方向沿任意方向振動），無法清晰解釋“偏振片只允許特定方向振動的光通過”的原理。

（2）光的橫波特性的推導(dǎo)：通過偏振現(xiàn)象推導(dǎo)光的橫波屬性，突破"聲波是縱波，

光也可能是縱波”的思維定式，理解“橫波才具有偏振現(xiàn)象”的內(nèi)在邏輯。

（3）激光相干性的理解：相干性是激光的核心特性，難以理解“相干性強”的物理

意義（振動頻率相同、相位差恒定），以及其在干涉、衍射實驗中的優(yōu)勢。

（4）偏振技術(shù)的應(yīng)用原理：如3D電影、偏振墨鏡的工作原理，需要結(jié)合偏振光的

傳播規(guī)律分析，對邏輯推理能力要求較高。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

（一）情境導(dǎo)入：偏振現(xiàn)象的生活感知

展示生活情境：①佩戴偏振墨鏡觀察水面反光，轉(zhuǎn)動墨鏡發(fā)現(xiàn)反光強度變化；②觀

看3D電影時，摘下3D眼鏡畫面模糊，戴上后恢復(fù)清晰立體；③用手機攝像頭拍攝電腦

屏幕，旋轉(zhuǎn)手機時屏幕亮度變化。

提出問題鏈：“為什么轉(zhuǎn)動偏振墨鏡能減弱水面反光？”“3D眼鏡的鏡片有什么特

殊作用？”“手機拍攝電腦屏幕時亮度變化的原因是什么？”

教師總結(jié)：“這些現(xiàn)象都與光的偏振有關(guān)，而偏振現(xiàn)象背后隱藏著光的重要特性一

一橫波屬性。今天我們就來探究光的偏振現(xiàn)象，同時認(rèn)識一種特殊的光一一激光。”引

出課題。

（二）概念建構(gòu)一：光的偏振與橫波特性

1.自然光與偏振光的振動特點

（1）自然光：普通光源（如太陽、電燈）發(fā)出的光，其振動方向垂直于光的傳播方

向，且在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿任意方向振動，各個方向的振動強度相同。

（2）偏振光；振動方向只沿著某一特定方向的光，也叫線偏振光。其振動方向與傳

播方向構(gòu)成的平面稱為振動面，偏振光的振動面是固定的。

（3）形象類比：將光的傳播比作繩子振動傳播，自然光如同繩子向各個方向振動，

偏振光如同繩子只沿一個固定方向振動。

2.偏振片的工作原理

（1）偏振片的結(jié)構(gòu)：偏振片內(nèi)部有特殊的透振方向（允許通過的光的振動方向），

相當(dāng)于“柵欄”，只允許振動方向與透振方向平行的光通過，阻擋振動方向垂直的光。

（2）起偏與檢偏：①起偏：自然光通過偏振片后成為偏振光，這個過程稱為起偏，

該偏振片稱為起偏器；②檢偏：用另一塊偏振片檢測光是否為偏振光，旋轉(zhuǎn)檢偏器，若

光強發(fā)生變化（從亮到暗或從暗到亮），則入射光為偏振光，該偏振片稱為檢偏器。

3.實驗探究：光的偏振現(xiàn)象

（1）實驗器材：自然光光源（臺燈）、兩個偏振片（標(biāo)注透振方向）、光屏、激光

器。

（2）實驗步驟：①將一個偏振片（起偏器）放在光源與光屏之間，觀察光屏上的光

強；②在起偏器后再放一個偏振片（檢偏器），旋轉(zhuǎn)檢偏器，觀察光屏上光強的變化；

③更換激光器（偏振光光源）重復(fù)上述實驗，對比現(xiàn)象差異。

（3）實驗現(xiàn)象：①只有起偏器時，光屏上有光，光強不變；②起偏器+檢偏器，旋

轉(zhuǎn)檢偏器，光強從亮逐漸變暗，當(dāng)兩偏振片透振方向垂直時，光強最暗（幾乎為零），

平行時最亮；③用激光器時，未放起偏器直接放檢偏器，旋轉(zhuǎn)檢偏器也會出現(xiàn)光強變化。

（4）現(xiàn)象分析：①自然光通過起偏器后成為偏振光，檢偏器旋轉(zhuǎn)時，只有振動方向

與透振方向平行的光才能通過，因此光強變化；②激光器發(fā)出的光是偏振光，因此直接

用檢偏器就能檢測到偏振現(xiàn)象。

4.偏振現(xiàn)象與橫波特性

（1）核心邏輯：縱波的振動方向與傳播方向在同一直線上，無論如何“阻擋”，都

無法只允許某一方向的振動通過，因此縱波不會產(chǎn)生偏振現(xiàn)象；橫波的振動方向垂直于

傳播方向，存在不同的振動方向，通過特定“柵欄”（偏振片）可篩選出單一方向振動

的波，因此偏振現(xiàn)象是橫波的特有屬性。

（2）結(jié)論：光的偏振現(xiàn)象證明光是一種橫波，其振動方向垂直于光的傳播方向。

5.偏振光的產(chǎn)生方式

（1）偏振片起偏：如實驗所示，自然光通過偏振片后成為偏振光，這是最常用的起

偏方式。

（2）反射與折射起偏；自然光照射到兩種介質(zhì)的分界面（如空氣-水面、空氣-玻璃）

時，反射光和折射光都會成為部分偏振光，當(dāng)入射角為布儒斯特角時，反射光為完全偏

振光，振動方向垂直于入射面。

（3）雙折射起偏：某些晶體（如方解石）具有雙折射現(xiàn)象，自然光射入晶體后分解

為兩束偏振光，可通過特殊裝置分離出單一偏振光。

（三）概念建構(gòu)二：激光的特性與應(yīng)用

1.激光的產(chǎn)生原理

激光是通過受激輻射產(chǎn)生的光，原子在外界激勵下躍遷到高能級，在光子刺激下產(chǎn)

生大量頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的光子，這些光子疊加形成激光。普通光

源的發(fā)光是自發(fā)輻射，光子的頻率、相位、振動方向雜亂無章。

2.激光的三大核心特性

（1）單色性好：激光的頻率單一，波長范圍極窄，遠優(yōu)于自然光（如太陽光包含多

種波長的光）。單色性好的優(yōu)勢的是不易色散，可用于精確的干涉、衍射實驗，以及長

距離通信。

（2）相干性強：激光的光子振動頻率相同、相位差恒定、振動方向一致，滿足相干

條件。相干性強是激光能產(chǎn)生清晰干涉條紋的關(guān)鍵，也是激光全息照相、激光干涉儀的

技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）亮度高：激光能將能量高度集中在狹窄的頻率范圍和傳播方向上，能量密度極

大，亮度遠高于普通光源（如太陽的亮度約為l（nv/（cM.sr）,激光的亮度可運

12l92

lO-lOW/（cm-sr））o高亮度的應(yīng)用包括激光切割、激光焊接、激光醫(yī)療（如激光手

術(shù)）、激光武器等。

3.激光的典型應(yīng)用場景

（1）工業(yè)領(lǐng)域：利用高亮度特性進行激光切割、激光焊接、激光打標(biāo)，具有精度高、

效率高、對工件損傷小的優(yōu)勢；利用單色性和相干性進行激光測距、激光檢測（如檢測

材料缺陷）。

（2）通信領(lǐng)域：利用單色性好、方向性強的特性進行光纖通信，激光在光纖中傳輸

時損耗小、容量大，是現(xiàn)代通信的核心技術(shù)。

（3）醫(yī)療領(lǐng)域：利用高亮度、單色性好的特性進行激光手術(shù)（如近視矯正、激光祛

斑）、激光理療，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快的特點；利用激光的相干性進行醫(yī)學(xué)成像（如激

光斷層掃描）。

（4）科研領(lǐng)域：利用相干性強進行激光干涉實驗、激光冷卻原子；利用高亮度進行

核聚變研究、天體觀測（如激光雷達）。

（5）日常生活：激光打印機、激光筆、激光唱片（CD、DVD）等，均利用了激光的

單色性或方向性特性。

（四）規(guī)律應(yīng)用：偏振與激光技術(shù)的實際解讀

1.偏振技術(shù)的應(yīng)用原理

（1）偏振墨鏡：鏡片是偏振片，透振方向與水面、路面反光的偏振方向垂直，能阻

擋反射產(chǎn)生的偏振光，減弱刺眼反光，提高視覺清晰度。

（2）3D電影：拍攝時用兩臺攝像機模擬人眼，分別拍攝偏振方向垂直的兩束偏振

光；放映時用兩臺投影儀通過偏振片投射對應(yīng)的偏振光；3D眼鏡的兩個鏡片是遴振方向

垂直的偏振片，分別接收對應(yīng)的偏振光，使人眼產(chǎn)生立體視覺。

（3）液晶顯示器（LCD）：液晶具有旋光性，能改變偏振光的振動方向，通過電場

控制液晶的旋光狀態(tài)，配合前后兩個偏振片，實現(xiàn)像素的亮暗控制，形成圖像。

2.激光技術(shù)的應(yīng)用邏輯

（1）激光切割：高亮度一能量集中一局部溫度急劇升高一材料熔化或汽化一實現(xiàn)切

割，適用于金屬、非金屬材料的精密加工。

（2）光纖通信：單色性好一色散小，方向性強一能量損耗小，相干性強一信號容量

大，適合長距離、大容量信息傳輸。

（3）激光全息照相：相干性強一能記錄光的振幅知相位信息一再現(xiàn)時產(chǎn)生立體圖像,

與普通照相只記錄振幅信息不同。

（五）難點突破：易錯概念辨析與誤區(qū)澄清

1.易錯概念辨析

（1）自然光與偏振光：自然光的振動方向是任意的，無固定振動面；偏振光的振動

方向固定，有明確振動面。判斷方法：用偏振片旋轉(zhuǎn)檢測，光強變化的是偏振光，不變

的是自然光。

（2）起偏器與檢偏器：起偏器是將自然光轉(zhuǎn)化為偏振光的裝置，檢偏器是檢測光是

否為偏振光的裝置，同一偏振片既可以作為起偏器，也可以作為檢偏器。

（3）激光的相干性與單色性：單色性好是相干性強的必要條件，但不是充分條件，

普通單色光的相干性遠不如激光，激光的相干性還源于相位差恒定。

2.常見誤區(qū)糾正

（1）誤區(qū)1：偏振片能產(chǎn)生光。糾正：偏振片不能產(chǎn)生光，只能篩選光，允許特定

振動方向的光通過，阻擋其他方向的光。

（2）誤區(qū)2；所有光都有偏振現(xiàn)象。糾正；只有橫波才有偏振現(xiàn)象，縱波（如聲波）

沒有偏振現(xiàn)象，自然光通過偏振片后才成為偏振光。

（3）誤區(qū)3：激光是單色光，單色光就是激光。糾正：激光是單色光，但單色光不

一定是激光，普通光源通過濾光片也能獲得單色光，但相干性遠不如激光。

（4）誤區(qū)4：激光的亮度高是因為光的強度大。糾正：激光的亮度高是能量密度大

（能量集中在狹窄的傳播萬向和頻率范圍），而非總能量大，小功率激光的亮度也可能

遠高于大功率普通光源。

（六）實驗拓展：深化與遷移

1.偏振現(xiàn)象的拓展實驗

（1）實驗：用偏振片觀察手機屏幕、電腦屏幕、LED燈、熒光燈等光源，記錄旋轉(zhuǎn)

偏振片時的光強變化，判斷這些光源發(fā)出的光是自然光還是偏振光。

（2）結(jié)論：手機屏幕、電腦屏幕發(fā)出的是偏振光（液晶顯示器的特性），LED燈、

熒光燈發(fā)出的是自然光。

2.激光干涉實驗

（1）實驗：用激光光源、雙縫、光屏搭建雙縫干涉實驗裝置，觀察干涉條紋；更換

普通單色光光源，對比條紋清晰度差異。

（2）現(xiàn)象：激光產(chǎn)生的干涉條紋清晰、明暗對比明顯；普通單色光產(chǎn)生的條紋模糊、

對比度低。

（3）結(jié)論：激光的相干性強，是進行干涉、衍射實驗的理想光源。

四、核心知識歸納：偏振與激光知識體系

1.光的偏振核心知識

（1）振動特點：光是璜波，振動方向垂直于傳播方向。

（2）自然光：垂直傳潘方向沿任意方向振動，各方向振動強度相同。

（3）偏振光：振動方向只沿某一固定方向，由自然光通過起偏器產(chǎn)生。

（4）產(chǎn)生方式：偏振片起偏、反射折射起偏、雙折射起偏。

（5）檢測方法：用偏振片旋轉(zhuǎn)檢測，光強隨旋轉(zhuǎn)變化則為偏振光。

（6）應(yīng)用：偏振墨鏡、3D電影、液晶顯示器、偏振攝影。

2.激光核心知識

（1）產(chǎn)生：受激輻射，光子頻率相同、相位差恒定、振動方向一致。

（2）三大特性：單色性好（頻率單一）、相干性強（滿足相干條件）、亮度高（能

量集中）。

（3）特性與應(yīng)用美聯(lián)；①單色性好一光纖通信、精密測量；②相干性強一干涉實驗、

全息照相；③亮度高一激光切割、激光醫(yī)療、激光武器。

3.關(guān)鍵區(qū)別

（1）自然光與偏振光：振動方向是否固定，能否通過偏振片檢測區(qū)分。

（2）激光與自然光：發(fā)光機制（受激輻射vs自發(fā)輻射）、相干性（強vs弱）、單

色性（好VS差）、亮度（高VS低）。

4.易錯點清單

（1）混清偏振片的“起偏”與“發(fā)光”功能，認(rèn)為偏振片能產(chǎn)生光。

（2）認(rèn)為縱波也有偏振現(xiàn)象，忽略偏振是橫波的特有屬性。

（3）將激光的“單色性”等同于“相干性”，忽視二者的區(qū)別與聯(lián)系。

（4）解釋3D電影、偏振墨鏡原理時，未結(jié)合偏振光的振動方向分析。

五、課堂練習(xí)

（一）基礎(chǔ)鞏固題

L關(guān)于光的偏振現(xiàn)象，下列說法正確的是（）

A.偏振現(xiàn)象說明光是縱波

B.自然光通過偏振片后成為偏振光

C.旋轉(zhuǎn)檢偏器時，偏振光的光強不變

D.只有自然光才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象

2.下列關(guān)于激光的說法，錯誤的是（）

A.激光是受激輻射產(chǎn)生的光

B.激光的相干性強，適合用于干涉實驗

C.激光的單色性好，波長范圍極窄

D.激光的亮度高，能量密度小

3.下列設(shè)備中，利用光的偏振原理工作的是（）

A.激光筆B.光纖通信C.3D眼鏡D.激光切割機

4.自然光通過起偏器后，再通過一個透振方向與起偏器垂直的檢偏器，光屏上的光

強為;若旋轉(zhuǎn)檢偏器使透振方向與起偏器平行，光強為O

（二）能力提升題

5.為什么說偏振現(xiàn)象是橫波的特有屬性？請結(jié)合縱波和橫波的振動特點簡要分析。

6.某同學(xué)用偏振片檢測三種光源：太陽光、激光、手機屏幕光，旋轉(zhuǎn)偏振片時觀察

到以下現(xiàn)象：①光源A：光強始終不變；②光源B：光強從亮到暗周期性變化；③光源C：

光強從亮到暗周期性變化，且最暗時幾乎為零。判斷三種光源分別是什么光，并說明理

由。

7.結(jié)合激光的特性，分析激光在以下領(lǐng)域的應(yīng)用原理：（1）激光全息照相；（2）

激光切割；（3）光纖通信。

8.為什么佩戴偏振墨鏡能減弱水面反光？請從偏振光的產(chǎn)生和偏振片的工作原理分

析。

（三）拓展創(chuàng)新題

9.設(shè)計一個實驗，探究“反射光的偏振特性”，要求：（1）實驗?zāi)康?；?）實驗

器材；（3）實驗步驟；（4）預(yù)期實驗現(xiàn)象與結(jié)論。

10.激光技術(shù)在現(xiàn)代社會應(yīng)用廣泛，請結(jié)合激光的特性，設(shè)想一個激光的創(chuàng)新應(yīng)用場

景，說明其工作原理和優(yōu)勢，并分析可能的技術(shù)難點。

六、練習(xí)答案與解析

（一）基礎(chǔ)鞏固題答案與解析

1.答案：B

解析：A錯誤，偏振現(xiàn)象說明光是橫波，縱波無偏振現(xiàn)象；B正確，自然光通過偏振片后,

振動方向被篩選為單一方向，成為偏振光；C錯誤，旋轉(zhuǎn)檢偏器時，偏振光的光強會隨

透振方向與偏振光振動方向的夾角變化（平行時最亮，垂直時最暗）；D錯誤，偏振光

也能產(chǎn)生偏振相關(guān)現(xiàn)象（如偏振光通過檢偏器），偏振現(xiàn)象的核心是橫波特性，而非光

源類型。

2.答案：D

解析：A正確，激光是通過受激輻射產(chǎn)生的；B正確，激光相干性強，是干涉實驗的理想

光源；C正確，激光的單色性好，波長范圍極窄；D錯誤，激光的亮度高，本質(zhì)是能量密

度大（能量集中在狹窄的傳播方向和頻率范圍）。

3.答案：C

解析：A錯誤，激光筆利用激光的方向性特性；B錯誤，光纖通信利用激光的單色性和方

向性特性；C正確，3D眼鏡利用光的偏振原理，兩個鏡片是透振方向垂直的偏振片；D

錯誤，激光切割機利用激光的高亮度特性。

4.答案：零；最大

解析：自然光通過起偏器后成為偏振光，當(dāng)檢偏器透振方向與起偏器垂直時，偏振光無

法通過，光強為零；當(dāng)透報方向平行時，偏振光全部通過（理想情況），光強最大。

（二）能力提升題答案與解析

5.答案:

縱波的振動方向與傳播方向在同一直線上，無論如何篩選，都無法只允許某一方向的振

動通過，因此縱波不會產(chǎn)生偏振現(xiàn)象；橫波的振動方向垂直于傳播方向，存在多個不同

的振動方向，通過偏振片等裝置可篩選出單一方向振動的波，因此偏振現(xiàn)象是橫波的特

有屬性。光的偏振現(xiàn)象證明光是橫波。

6.答案：

光源A是太陽光（自然光），理由：自然光的振動方向任意，旋轉(zhuǎn)偏振片時，通過的光

強始終不變；

光源B是手機屏幕光（偏振光），理由：手機屏幕是液晶顯示器，發(fā)出的是偏振光，旋

轉(zhuǎn)偏振片時，光強隨透振方向與偏振光振動方向的夾角變化，呈現(xiàn)周期性明暗變化；

光源C是激光（偏振光），理由：激光是偏振光，且單色性好、相干性強，旋轉(zhuǎn)檢偏器

時，光強變化明顯，最暗時幾乎為零（理想情況下完全阻擋）。

7.答案：

（1）激光全息照相：利用激光的相干性強特性，激光的光子頻率相同、相位差恒定，能

記錄光的振幅和相位信息，再現(xiàn)時形成立體圖像，而普通光相干性差，無法實現(xiàn)全息照

相；

（2）激