专题16-4 光的波动性 电磁波和相对论（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

专题16-4 光的波动性 电磁波和相对论（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

‎1.（2017新课标Ⅱ 34（1））在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是________（选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分；每选错1个扣3分，最低得分为0分）。‎ A．改用红色激光 B．改用蓝色激光 C．减小双缝间距 D．将屏幕向远离双缝的位置移动 E．将光源向远离双缝的位置移动 ‎【答案】ACD ‎【名师点睛】此题考查双缝干涉中条纹间距的影响因素；关键是理解实验原理，知道干涉条纹间距的表达式,题目较简单.‎ ‎2．（2017北京，14）如图所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a、b两束单色光。如果光束b是蓝光，则光束a可能是 A．红光 B．黄光 C．绿光 D．紫光 ‎【答案】D ‎【解析】根据题意作出完整光路图，如下图所示，a光进入玻璃砖时光线偏折角较大，根据光的折射定律可知玻璃砖对a光的折射率较大，因此a光的频率应高于b光，故选项D正确。‎ ‎【名师点睛】由教材中白光通过三棱镜时发生色散的演示实验图可知，光线在进入棱镜前后便折角度越大，该光的频率越大，棱镜对它的折射率越大。‎ ‎3．（2017天津卷，2）明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象。如图所示，一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，下列说法正确的是 A．若增大入射角i，则b光先消失 B．在该三棱镜中a光波长小于b光 C．a光能发生偏振现象，b光不能发生 D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压低 ‎【答案】D ‎【名师点睛】本题考查的知识点较多，涉及光的折射、全反射、光电效应方程、折射率与波长的关系、横波和纵波的概念等，解决本题的关键是能通过光路图判断出两种光的折射率的关系，并能熟练利用几何关系。‎ ‎4．(2016·高考全国甲卷)(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 E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失 ‎【答案】ABC. ‎ ‎（二）考纲解读 主题 ‎ 内 容 ‎ 要求 ‎ 说 明 ‎ 电磁振荡与电磁波 电磁波的产生 ‎ Ⅰ ‎ 电磁波的发射、传播和接收 ‎ Ⅰ ‎ 电磁波谱 ‎ Ⅰ ‎ 相对论 ‎ 狭义相对论的基本假设 ‎ Ⅰ ‎ 质能关系 ‎ Ⅰ ‎ 本讲共5个一级考点，高考中多以选择题形式出现，难度一般不大，频率不高。 ‎ ‎（三）考点精讲 考向一　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】　如图4所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10－6 m，今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？‎ 图4‎ ‎(1)已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7 m；‎ ‎(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)；‎ ‎(3)若用A光照射时，把其中一条缝遮住，试分析光屏上能观察到的现象．‎ ‎【答案】(1)暗条纹　(2)亮条纹　(3)见解析 阶梯练习 ‎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．‎ ‎2．一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色亮条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是(　　)‎ A．各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同 B．各色光的速度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同 C．各色光的强度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同 D．上述说法都不正确 ‎【答案】A 考向二　光的衍射和偏振现象 ‎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，属于波的叠加；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．‎ ‎4．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 光的来源 从普通光源发出的光 自然光通过起偏器后的光 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 方法总结 区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法 ‎1．根据条纹的宽度区分：双缝干涉条纹的宽度相同，而单缝衍射中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄．‎ ‎2．根据条纹的间距区分：双缝干涉条纹的间距是相等的，而单缝衍射的条纹越向两侧条纹间距越窄．‎ ‎3．根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮条纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗．‎ 阶梯练习 ‎3．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7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7‎ ‎(1)偏振片A的作用是_______________________________________________________．‎ ‎(2)偏振现象证明了光是一种________．‎ ‎(3)(多选)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 ‎4．让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，在孔后的屏上将先后出现(　　)‎ A．由大变小的三角形光斑，直至光斑消失 B．由大变小的三角形光斑、明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失 C．由大变小的三角形光斑，明暗相间的条纹，直至黑白色条纹消失 D．由大变小的三角形光斑、圆形光斑、明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失 ‎【答案】D ‎【解析】当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着孔的继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现明暗相间的彩色条纹，最后随孔的闭合而全部消失，所以只有D正确．‎ 考向三　电磁波与相对论 ‎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8所示．‎ 图8‎ ‎(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3】 (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，光可在光导纤维中传播，D错误．‎ 阶梯练习 ‎5．如图9所示，我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1～10 m范围内，则对该无线电波的判断正确的是(　　)‎ 图9‎ A．米波的频率比厘米波频率高 B．和机械波一样须靠介质传播 C．同光波一样会发生反射现象 D．不可能产生干涉和衍射现象 ‎【答案】C ‎6．(2013·江苏·12B(2))如图10所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)．地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L.当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________．‎ 图10‎ ‎【答案】大于　c(或光速)　‎ ‎【解析】狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理，因此A测得信号的速度仍等于c或光速，以地面为参考系，在运动方向有尺缩效应现象，而B相对A是静止，没有尺缩效应现象，则A测得两飞船距离应大于L. ‎ ‎（四）知识还原 第4讲　光的波动性　电磁波和相对论 基础知识 一、光的干涉、衍射和偏振 ‎1．光的干涉 ‎(1)定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象．‎ ‎(2)条件：两束光的频率相同、相位差恒定．‎ ‎(3)双缝干涉图样特点：单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时，中央为白色亮条纹，其余为彩色条纹．‎ ‎2．光的衍射 发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显．‎ ‎3．光的偏振 ‎(1)自然光：包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同．‎ ‎(2)偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光．‎ ‎(3)偏振光的形成 ‎①让自然光通过偏振片形成偏振光．‎ ‎②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光．‎ ‎(4)光的偏振现象说明光是一种横波．‎ 二、电磁波和相对论 ‎1．电磁场、电磁波、电磁波谱 ‎(1)麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场．‎ ‎(2)电磁波 ‎①电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波．‎ ‎②电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速)．‎ ‎③不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小．‎ ‎④v＝λf，f是电磁波的频率．‎ ‎(3)电磁波的发射 ‎①发射条件：开放电路和高频振荡信号，所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)．‎ ‎②调制方式 a．调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变．‎ b．调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变．‎ ‎(4)无线电波的接收 ‎①当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率相等时，激起的振荡电流最强，这就是电谐振现象．‎ ‎②使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路．‎ ‎③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做检波．检波是调制的逆过程，也叫做解调．‎ ‎(5)电磁波谱：按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱．‎ 按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．‎ ‎2．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)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.‎ ‎(3)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.‎ 基础试题 ‎1．判断下列说法是否正确．‎ ‎(1)光的颜色由光的频率决定．(　√　)‎ ‎(2)只有频率相同的两列光波才有可能产生稳定的干涉．(　√　)‎ ‎(3)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．(　×　)‎ ‎(4)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．(　×　)‎ ‎(5)自然光是偏振光．(　×　)‎ ‎(6)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场．(　×　)‎ ‎(7)无线电波不能发生干涉和衍射现象．(　×　)‎ ‎(8)波长不同的电磁波在本质上完全不同．(　×　)‎ ‎(9)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的．(　×　)‎ ‎2．(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.‎ ‎3．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　　)‎ A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波 C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同 D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同 ‎【答案】B ‎【解析】电磁波和声波都能传递信息，比如人们之间的语言交流，选项A错误；太阳光中的可见光属于电磁波，而“B超”中的超声波属于机械波，它们的传播速度不同，选项C错误；遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多，选项D错误，正确选项为B.‎ ‎4．关于狭义相对论的说法，不正确的是(　　)‎ A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B．狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D．狭义相对论在任何情况下都适用 ‎【答案】D