【物理】2019届一轮复习人教版第十二章第4讲光的波动性　电磁波和相对论学案

【物理】2019届一轮复习人教版第十二章第4讲光的波动性　电磁波和相对论学案

第4讲　光的波动性　电磁波和相对论 一、光的干涉 ‎1．定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强和减弱互相间隔的现象叫做光的干涉现象．‎ ‎2．条件：两列光的频率相等，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象．‎ ‎3．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光波，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹．相邻的亮条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝λ.‎ ‎4．薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的．图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同．‎ 二、光的衍射 ‎1．光的衍射现象 光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象．‎ ‎2．光发生明显衍射现象的条件 当孔或障碍物的尺寸比光波波长小或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象．‎ ‎3．衍射图样 ‎(1)单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同．‎ ‎(2)圆孔衍射：出现明暗相间的不等距圆环．‎ ‎(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．‎ 三、光的偏振 ‎1．偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光．‎ 光的偏振现象证明光是横波．‎ ‎2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光．‎ ‎3．偏振光的产生 通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫做 起偏振器，第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫做检偏振器．‎ 自测1　(多选)下列属于光的干涉现象的是(　　)‎ 答案　BC 解析　图A属于单缝衍射，图B属于薄膜干涉，图C属于薄膜干涉，图D属于白光的色散，故属于光的干涉现象的是B、C.‎ 四、电磁场和电磁波 ‎1．电磁波的产生 ‎(1)麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．‎ ‎(2)电磁场：变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个整体，这就是电磁场．‎ ‎(3)电磁波：电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波．‎ ‎①电磁波是横波，在空间传播不需要介质．‎ ‎②真空中电磁波的速度为3×108 m/s.‎ ‎③v＝λf对电磁波适用．‎ ‎④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．‎ ‎2．电磁波的发射与接收 ‎(1)发射电磁波的条件：‎ ‎①要有足够高的振荡频率．‎ ‎②电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间．‎ ‎(2)调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程．‎ ‎(3)电磁波谱：‎ ‎①定义：按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱．‎ ‎②电磁波谱的特性、应用.‎ 频率/Hz 真空中波长/m 特性 应用 无线电波 ‎<3×1011‎ ‎>10－3‎ 波动性强易发生衍射 无线电技术 红外线 ‎1011～1015‎ ‎10－7～10－3‎ 热效应 红外线遥感 可见光 ‎1015‎ ‎10－7‎ 引起视觉 照明、摄影 紫外线 ‎1015～1017‎ ‎10－9～10－7‎ 化学效应、荧光效应、能杀菌 医用消毒、防伪 X射线 ‎1016～1019‎ ‎10－11～10－8‎ 贯穿性强 检查、医用透视 γ射线 ‎>1019‎ ‎<10－11‎ 贯穿本领最强 工业探伤、医用治疗 自测2　电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了．下面说法正确的是(　　)‎ A．雷达是利用声波的反射来测定物体位置的 B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 C．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应 D．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领 答案　D 五、相对论 ‎1．狭义相对论的两个基本假设 ‎(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．‎ ‎(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速和光源、观测者间的相对运动没有关系．‎ ‎2．时间和空间的相对性 ‎(1)时间间隔的相对性：Δt＝.‎ ‎(2)长度的相对性：l＝l0.‎ ‎3．质速关系 ‎(1)物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系：‎ m＝.‎ ‎(2)物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.‎ ‎4．质能关系 用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：E＝mc2.‎ 命题点一　光的干涉现象 ‎1．双缝干涉 ‎(1)光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同．‎ ‎(2)双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝λ.‎ ‎(3)用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白条纹，两侧为彩色条纹．‎ ‎2．亮暗条纹的判断方法 ‎(1)如图1所示，光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上出现亮条纹．‎ 图1‎ ‎(2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹．‎ ‎3．条纹间距：Δx＝λ，其中l是双缝到光屏的距离，d是双缝间的距离，λ是光波的波长．‎ ‎4．薄膜干涉 ‎(1)形成：如图2所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加．‎ 图2‎ ‎(2)亮、暗条纹的判断 ‎①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出现亮条纹．‎ ‎②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出现暗条纹．‎ ‎(3)薄膜干涉的应用 干涉法检查平面如图3所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．‎ 图3‎ 例1　(2016·江苏单科·12B(2)、(3))(1)杨氏干涉实验证明光的确是一种波，一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上，两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满足干涉的必要条件，即两列光的________相同．如图4所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷，如果放置光屏，在________(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹．‎ 图4‎ ‎(2)在上述杨氏干涉实验中，若单色光的波长λ＝5.89×10－7 m，双缝间的距离d＝1 mm，双缝到屏的距离l＝2 m．求第1个亮条纹到第11个亮条纹的中心间距．‎ 答案　(1)频率　C　(2)1.178×10－2 m 解析　(1)产生稳定干涉图样的条件是两束光的频率相同；A、B两点为振动加强点，出现亮条纹，C点为波峰与波谷相遇，振动减弱，为暗条纹．‎ ‎(2)相邻亮条纹的中心间距Δx＝λ 由题意知，亮条纹的数目n＝10‎ 解得x＝，代入数据得x＝1.178×10－2 m.‎ 变式1　劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图5甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点：‎ 图5‎ ‎(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；‎ ‎(2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．‎ 现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹(　　)‎ A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失 答案　A 解析　如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，A正确．‎ 命题点二　光的衍射 ‎1．对光的衍射的理解 ‎(1)衍射是波的特征，波长越长，衍射现象越明显．在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别．‎ ‎(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看做是沿直线传播的．‎ ‎2．单缝衍射与双缝干涉的比较 单缝衍射 双缝干涉 不 同 点 条纹 宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹 间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 情况 中央条纹最亮，两边变暗 条纹清晰，亮度基本相等 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 ‎3.光的干涉和衍射的本质 光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的．‎ 例2　如图6所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)．在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(　　)‎ 图6‎ A．红黄蓝紫 B．红紫蓝黄 C．蓝紫红黄 D．蓝黄红紫 答案　B 解析　双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹．双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮、暗条纹间距)Δx＝λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即1、3分别对应于红光和蓝光．而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽、越亮，2、4分别对应于紫光和黄光．综上所述，1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄，B正确．‎ 变式2　(2017·扬州市5月考前调研)如图7所示，两束单色光a、b同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面，进入玻璃砖后形成复合光束c，则穿过玻璃砖的过程中________光所用时间较长；在相同的条件下，________光更容易发生衍射．‎ 图7‎ 答案　b　a 命题点三　光的偏振 ‎1．自然光与偏振光的比较 类别 自然光(非偏振光)‎ 偏振光 光的 从普通光源发出的光 自然光通过起偏振器后的光 来源 光的振动方向 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向振动的光的强度相同 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向 ‎2．偏振光的应用 加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等．‎ 例3　(2018·启东中学模拟)奶粉中碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了．如图8所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间．‎ 图8‎ ‎(1)偏振片A的作用是_________________________________________________．‎ ‎(2)偏振现象证明了光是一种________．‎ ‎(3)以下说法中正确的是________．‎ A．到达O处光的强度会明显减弱 B．到达O处光的强度不会明显减弱 C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片B转过的角度等于α D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α 答案　(1)把自然光变成偏振光　(2)横波　(3)ACD 命题点四　电磁波 ‎1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 ‎2．对电磁波的理解 ‎(1)电磁波是横波．电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图9所示．‎ 图9‎ ‎(2)电磁波与机械波的比较 ‎　　名称 项目 电磁波 机械波 产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点(波源)的振动产生 波的特点 横波 纵波或横波 波速 在真空中等于光速c＝3×108 m/s 在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340 m/s)‎ 是否需要介质 不需要介质(在真空中仍可传播)‎ 必须有介质(真空中不能传播)‎ 能量传播 电磁能 机械能 例4　(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)‎ A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 答案　ABC 解析　电磁波在真空中传播速度等于光速，与频率无关，A正确；电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的，B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，C正确；光是一种电磁波，可在光缆中传输，D错误．‎ 变式3　(多选)(2018·南阳中学月考)关于可见光，下列说法正确的是(　　)‎ A．可见光中的红光比紫光的频率低 B．可见光不能在真空中传播 C．可见光波长越长，越容易发生衍射 D．可见光能发生光的干涉和衍射现象，说明光是横波 答案　AC 命题点五　相对论 例5　(多选)(2017·江苏单科·12B(1))接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　)‎ A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C．地球上的人观测到地球上的钟较快 D．地球上的人观测到地球上的钟较慢 答案　AC 解析　由相对论知识Δt＝知，Δt＞Δτ.则地球上的人观察飞船上的时间进程比地面上慢，即地球上的人观测到地球上的钟较快，同理可知，飞船上的人观测到飞船上的钟较快，A、C正确，B、D错误．‎ 变式4　(2017·苏锡常镇四市调研)如图10所示，一列火车以速度v相对地面运动．如果地面上的人测得：地面上一只光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，则火车上的人测得此闪光先到达________(选填“前壁”或“后壁”)，这两束闪光的传播速度________(选填“相等”或“不相等”)．‎ 图10‎ 答案　前壁　相等 ‎1．(多选)(2017·南通市第一次调研)下列说法中正确的有(　　)‎ A．在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由红光改为绿光，则干涉条纹间距变宽 B．地球上接收到来自遥远星球的光波的波长变长，可以判断该星球正在远离地球 C．拍摄玻璃橱窗内的物体时，在镜头前可以加装一个偏振片以减弱反射光的强度 D．真空中的光速在不同的惯性系中不相同 答案　BC ‎2．(多选)(2017·徐州市考前模拟)下列说法正确的有(　　)‎ A．激光全息照相是利用了激光相干性好的特性 B．相对论理论认为空间和时间与物质的运动状态无关 C．声波频率的大小取决于某种介质中传播的速度和波长的大小 D．在光的双缝干涉实验中，若只将入射光由绿光改为紫光，则条纹间隔变窄 答案　AD ‎3．(2014·江苏单科·12B(1))某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到如图11甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示．他改变的实验条件可能是(　　)‎ 图11‎ A．减小光源到单缝的距离 B．减小双缝之间的距离 C．减小双缝到光屏之间的距离 D．换用频率更高的单色光源 答案　B 解析　在双缝干涉中，相邻亮条纹间的距离Δx＝λ，由题图知干涉条纹间距变宽，可增大l、λ或减小d.根据c＝λν知要增大λ，应减小ν.选项B正确，选项A、C、D错误．‎ ‎4．(2018·如皋市调研)如图12所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，右侧AA′为光屏，A与S2的距离与A与S1的距离之差为1.5×10－6 m，S1、S2连线的中垂线与光屏的交点为O，A′点与A点关于O点对称．用波长为600 nm的黄色激光照双缝，则A点为________(“亮条纹”或“暗条纹”)，点A′与A点之间共有______条亮条纹．‎ 图12‎ 答案　暗条纹　5‎ 解析　单色光的波长为：λ＝600 nm＝6.0×10－7 m,1.5×10－6 m＝2.5λ＝5×，可知A点到双缝的距离之差是半波长的奇数倍，该点出现暗条纹；令2.5λ＝(2k－1)，可得k＝3，这是第3条暗条纹，那么A′点与A点之间共有5条亮条纹．‎ ‎1．(多选)关于光学镜头增透膜，以下说法中正确的是(　　)‎ A．增透膜是为了减少光的反射损失，增加透射光的强度 B．增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的 C．涂有增透膜的镜头，进入的光线全部相互抵消，因此这种镜头的成像效果较好 D．因为增透膜的厚度一般适合绿光反射时相互抵消，红光、紫光的反射不能完全抵消，所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色 答案　AD ‎2．把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图1所示．这时可以看到明暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是(　　)‎ 图1‎ A．干涉条纹是光在空气劈尖膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果 B．干涉条纹中的暗条纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果 C．将上玻璃板平行上移，条纹逆向劈尖移动 D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧 答案　A ‎3．(多选)(2018·盐城中学模拟)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图2所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同．观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是(　　)‎ 图2‎ A．这里应用的是光的衍射现象 B．这里应用的是光的干涉现象 C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗 D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细 答案　AD ‎4．下列现象中，属于光的衍射的是(　　)‎ A．雨后天空出现彩虹 B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹 C．海市蜃楼现象 D．日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹 答案　B 解析　雨过天晴时，常在天空出现彩虹，这是光的色散现象，A错误．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹，属于单缝衍射，B正确．海市蜃楼现象属于光的折射，C错误．日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹属于光的干涉，D错误．‎ ‎5．如图3所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是(　　)‎ 图3‎ A．A、B均不变 B．A、B均有变化 C．A不变，B有变化 D．A有变化，B不变 答案　C ‎6．(多选)(2017·南京外国语学校等四模)下列说法正确的有(　　)‎ A．波在两种介质界面处发生折射，除传播方向发生改变，波长、波速、频率都不变 B．牛顿环是由一个玻璃球面与平面玻璃之间空气膜发生的干涉造成的 C．光从一种介质进入另一种介质传播，频率不变，所以光的颜色不变 D．自然光被玻璃反射后，反射光依然是自然光 答案　BC ‎7．(2017·扬州市5月考前调研)下列说法中正确的是(　　)‎ A．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度 B．X射线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官 C．当波源与观察者互相靠近时，观察者接收到的波的频率会变小 D．第四代移动通信系统(4G)采用1 880～2 690 MHz间的四个频段，该电磁波信号的磁感应强度随时间是均匀变化的 答案　B ‎8．(多选)(2017·扬州中学高三初考)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺．则下列说法正确的是(　　)‎ A．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长 B．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短 C．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长 D．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短 答案　BD ‎9．(2016·江苏单科·12B(1))一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　)‎ A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 答案　B 解析　飞船上的观测者测得飞船的长度不变，仍为30 m，由l＝l0、＝、<)．‎ 图4‎ 答案　ct0　<‎ ‎11．(2017·江苏七校模拟)已知双缝到光屏之间的距离L＝500 mm，双缝之间的距离d＝0.50 mm，单缝到双缝的距离s＝100 mm，测量单色光的波长实验中，测得第1条亮条纹与第8条亮条纹的中心之间的距离为4.48 mm，则相邻亮条纹之间的距离Δx＝________mm；入射光的波长λ＝________m(结果保留两位有效数字)．‎ 答案　0.64　6.4×10－7‎ 解析　干涉条纹的宽度为：‎ Δx＝＝ mm＝0.64 mm＝6.4×10－4 m 根据公式：Δx＝λ，代入数据得：‎ λ＝＝ m＝6.4×10－7 m.‎