【物理】2019届一轮复习鲁科版第十四章光的干涉、衍射和偏振　电磁波与相对论学案 15页

基础课4　光的干涉、衍射和偏振 ‎　　　　　电磁波与相对论 知识点一、光的干涉 ‎1．产生条件 两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。‎ ‎2．两种典型的干涉 ‎(1)杨氏双缝干涉。‎ ‎①原理如图1所示。‎ 图1‎ ‎②明、暗条纹的条件 ‎(Ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹。‎ a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0、1、2，…)，光屏上出现明条纹。‎ b．光的路程差Δr＝r2－r1＝(2k＋1)(k＝0、1、2，…)，光屏上出现暗条纹。‎ ‎(Ⅱ)白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。‎ ‎③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δy＝λ。‎ ‎(2)薄膜干涉。‎ ‎①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波。‎ ‎②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。‎ 知识点二、光的衍射　偏振 ‎1．光的衍射 ‎(1)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。‎ ‎(2)衍射条纹的特点：‎ ‎①单缝衍射和圆孔衍射图样的比较。‎ 单缝衍射 圆孔衍射 单色光 中央为亮且宽的条纹，两侧为明暗相间的条纹，且越靠外，亮条纹的亮度越弱，宽度越小 ‎①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小；②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而减小 白光 中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度逐渐变暗、宽度变窄的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光 中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环 ‎②泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照到不透明(选填“透明”或“不透明”)的半径很小的小圆盘上时，在圆盘的阴影中心出现亮斑(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)。‎ ‎2．光的偏振现象 ‎(1)偏振 光波只沿某一特定的方向的振动。‎ ‎(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一切方向振动的光，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 在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。‎ 知识点三、电磁波与相对论 ‎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完整的整体，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3.0×108 m/s；‎ ‎ ③v＝λf对电磁波同样适用；‎ ‎ ④由磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。‎ ‎2．电磁波的发射和接收 ‎(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；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。‎ ‎②电磁波谱的特性、应用 电磁波谱 ‎ 特性 ‎ 应用 红外线 热效应 红外线遥感 紫外线 化学效应、荧光效应、能杀菌 医用消毒、防伪 X射线 贯穿性强 检查、医用透视 γ射线 贯穿本领最强 工业探伤、医用治疗 ‎3.狭义相对论 ‎(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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。‎ ‎(2)相对论的质速关系 ‎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m总要大于静止时的质量m0。‎ ‎4．相对论质能关系：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。‎ ‎ [思考判断]‎ ‎(1)光的干涉和衍射现象说明了光是波，也能说明光是横波。(　　)‎ ‎(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使一束光变成两束完全相同的相干光。(　　)‎ ‎(3)阳光在水面的反射光是偏振光。 (　　)‎ ‎(4)电磁波以一定的速度在空间传播，在传播过程中满足v＝λf。(　　)‎ ‎(5)波长不同的电磁波在本质上不相同。(　　)‎ ‎(6)电磁波同机械波一样能发生干涉、衍射、反射、折射等现象。(　　)‎ 答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√‎ ‎　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Δy＝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．薄膜干涉 ‎(1)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。‎ 图2‎ ‎(2)光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，两列光波同相叠加，出现明纹；反相叠加，出现暗纹。‎ ‎ (3)条纹特点：①单色光：明暗相间的水平条纹；‎ ‎ ②白光：彩色水平条纹。‎ ‎1．[干涉现象的判断](多选)下列属于光的干涉现象的是(　　)‎ 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。‎ 答案　BC ‎2．[双缝干涉]关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是(　　)‎ A．单缝的作用是获得频率相同的两相干光源 B．双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源 C．光屏上距两缝的路程差等于半个波长的整数倍处出现暗条纹 D．照射到单缝的单色光的频率越高，光屏上出现的条纹越宽 解析　单缝的作用是获得一束细光，故A错误；双缝的作用是将一束光分成两束完全相同的光，B正确；屏上出现暗条纹处距两狭缝的路程差等于半个波长的奇数倍，故C错误；单色光的频率越高，波长越短，根据Δy＝λ，相邻条纹的 间距越小，条纹越窄，故D错误。‎ 答案　B ‎3．[薄膜干涉](多选)关于光在竖直的肥皂液薄膜上产生的干涉条纹，下列说法正确的是(　　)‎ A．干涉条纹是光在薄膜前、后两个表面反射，形成的两列光波叠加的结果 B．若明暗相间的条纹相互平行，说明薄膜的厚度是均匀的 C．用紫光照射薄膜产生的干涉条纹间距比红光照射时的间距小 D．薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 解析　干涉条纹是光在薄膜前、后两个表面反射，形成的两列光波叠加的结果，故A正确；若明暗相间的条纹相互平行，说明肥皂膜的厚度变化是均匀的，故B错误；由于紫光的波长比红光的小，故用紫光照射薄膜产生的干涉条纹间距比红光照射时的间距小，C正确；薄膜上的干涉条纹基本上是水平的，故D错误。‎ 答案　AC ‎　光的衍射和光的偏振现象 ‎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。任何情况下都可以发生衍射现象，只有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，光才可以看作是沿直线传播的。‎ ‎2．自然光和偏振光的比较 自然光(非偏振光)‎ 偏振光 光的 来源 直接从光源发出的光 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 ‎1．[衍射的条件]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、明暗相同的彩色条纹，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 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，出现明暗相间的衍射条纹，最后随孔的闭合而全部消失，所以只有D正确。‎ 答案　D ‎2．[衍射的应用](多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图3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3‎ 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 解析　由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，A、D正确。‎ 答案　AD ‎3．[光的偏振现象](多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象中能反映光的偏振特性的是(　　)‎ A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化 B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光 C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰 D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹 解析　在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特性，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象。‎ 答案　ABC ‎　实验：用双缝干涉测光的波长 ‎1．实验原理与操作 ‎2．数据处理与误差分析 ‎(1)数据处理 用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l，由公式Δy＝λ得λ＝Δy 计算波长，重复测量、计算，求出波长的平均值。‎ ‎(2)误差分析 ‎①测条纹间距Δy时带来误差。‎ ‎②测量双缝到光屏间距离l时产生误差。‎ ‎(3)注意事项 ‎①保证灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒共轴。‎ ‎②保持单缝和双缝平行。‎ ‎1．[实验原理]在观察光的双缝干涉现象的实验中：‎ ‎(1)将激光束照在如图4乙所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图4甲中的________。‎ 图4‎ ‎(2)换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将________；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将________(以上均选填“变宽”、“变窄”或“不变”)。‎ 解析　(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，A图正确；‎ ‎(2)根据Δy＝λ知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄。‎ 答案　(1)A　(2)变宽　变窄 ‎2．[实验操作与数据处理]现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图5所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。‎ 图5‎ ‎(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________、________、________、A。‎ ‎(2)本实验的步骤有：‎ ‎①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能沿遮光筒的轴线把屏照亮；‎ ‎②按合理的顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；‎ ‎③用刻度尺测量双缝到屏的距离；‎ ‎④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。‎ 在操作步骤②时还应注意____________和____________。‎ ‎(3)将测量头的分划板中心刻线与某条亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数如图6甲所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数为______mm，求得相邻亮条纹的间距Δy为________mm。‎ 图6‎ ‎(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝________，求得所测红光波长为________nm。‎ 解析　(1)滤光片E可以从白光中选出单色红光，单缝D是获取线光源，双缝B是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏A上。所以排列顺序为：C、E、D、B、A。‎ ‎(2)在操作步骤②时应注意的事项有：放置单缝、双缝时，必须使缝平行；单缝、双缝间的距离要适当；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上。‎ ‎(3)示数为13.870 mm，Δy＝ mm＝2.310 mm。‎ ‎(4)由Δy＝λ得λ＝Δy，代入数据得 λ＝6.6×10－7 m＝660 nm。‎ 答案　(1)E　D　B　(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行　单缝、双缝间的距离要适当　(3)13.870　2.310　(4)Δy　660‎ ‎　电磁波与相对论 电磁波与机械波的比较 名称 项目 电磁波 机械波 不 同 点 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 本质 是物质，是电磁现象，是电磁振荡的传播 不是物质，是机械振动在介质中的传播 传播机理 电磁场交替感应 质点间相互作用 传播介质 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)‎ 波的种类 横波 既有横波也有纵波 速度特点 由介质和频率决定，在真空中等于光速(很大)(c＝3×108 m/s)‎ 仅由介质决定 相 同 点 能量 都携带能量并传播能量 速度公式 v＝λf 遵循规律 均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象 ‎1．[对电磁波的理解]下列关于电磁波的说法，正确的是(　　)‎ A．电磁波只能在真空中传播 B．电场随时间变化时一定产生电磁波 C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波 D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在 解析　‎ 电磁波是电磁场这种物质在空间的传播，它既可在真空中传播，也可在介质中传播，A错误；当电场随时间均匀变化时产生稳定的磁场，稳定的磁场不能再产生电场，故也就不能形成电磁波，B错误；做变速运动的电荷产生变化的磁场，变化的磁场在其周围空间产生变化的电场……电场、磁场交替产生，向外传播的过程就形成了电磁波，C正确；麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，D错误。‎ 答案　C ‎2．[电磁波与机械波的区别](多选)电磁波与声波比较，下列说法中正确的是(　　)‎ A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大 C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大 D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定的，与频率无关 解析　A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝，电磁波速度变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以D错误。‎ 答案　ABC ‎3．[电磁波谱的应用](多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．红外线、紫外线、伦琴射线和γ射线在真空中传播的速度均为3.0×108 m/s B．红外线应用在遥感技术中，是利用它穿透本领强的特性 C．紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度 D．日光灯是紫外线的荧光效应的应用 解析　所有电磁波在真空中的传播速度都等于光速，故A正确；红外线应用在遥感技术中是利用它有较强的衍射能力，故B错误；对同一介质紫外线比红外线的折射率大，故紫外线比红外线在水中的传播速度小，故C正确；日光灯应用了紫外线的荧光效应，故D正确。‎ 答案　ACD ‎4．[对狭义相对论的理解](多选)关于狭义相对论的说法，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 解析　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，选项A正确；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(光速不变原理)，与光源的运动无关，选项B正确；狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系，故选项C正确，D错误。‎ 答案　ABC ‎1．(2016·天津理综，2)如图7是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样，则(　　)‎ 图7‎ A．在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大 B．从同种介质射入真空发生全反射时a光临界角大 C．照射在同一金属板上发生光电效应时，a光的饱和电流大 D．若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大 解析　由图可知a光的干涉条纹间距比b光的小，根据Δy＝λ可知，a光的波长比b光的小，则a光的频率比b光的大，a光的折射率比b光的大，则根据v＝可知，在同种均匀介质中传播时a光的传播速度比b光的小，选项A错误；根据sin C＝可知，从同种介质中射入真空发生全反射时a光的临界角比b光的小，选项B错误；发生光电效应时饱和光电流与入射光的强度有关，故无法比较饱和光电流的大小，选项C错误；因a光的频率较大，若两光均由氢原子能级跃迁产生，则产生a光的能级能量差大，选项D正确。‎ 答案　D ‎2．(2016·全国卷Ⅱ，34)关于电磁波，下列说法正确的是________。(‎ 填正确答案标号。)‎ 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 解析　电磁波在真空中传播速度均为光速，与频率无关，A正确；电磁波是变化的电场和变化的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；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，E错误。‎ 答案　ABC ‎3．[2015·全国卷Ⅱ，34(1)](多选)如图8，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线。则(　　)‎ 图8‎ A．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度 B．在真空中，a光的波长小于b光的波长 C．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失 E．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 解析　由题图可知，a光的折射角大于b光的折射角，根据折射定律可以判断出玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率，故C错误；根据n＝可知，在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度，故A正确；a光的频率大于b光的频率，根据λ＝可知，在真空中a光的波长小于b光的波长，故B 正确；若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，因为a光的折射率大，则折射光线a首先消失，故D正确；a光的波长小于b光的波长，分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距，故E错误。‎ 答案　ABD ‎4．[2015·全国卷Ⅰ，34(1)]在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δy1与绿光的干涉条纹间距Δy2相比，Δy1____Δy2(填“＞”、“＝”或“＜”)。若实验中红光的波长为630 nm，双缝与屏幕的距离为1.00 m，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5 mm，则双缝之间的距离为________ mm。‎ 解析　双缝干涉条纹间距Δy＝λ，红光波长长，所以红光的双缝干涉条纹间距较大，即Δy1＞Δy2.相邻条纹间距Δy＝＝2.1 mm＝2.1×10－3 m，根据Δy＝λ可得d＝＝0.3 mm。‎ 答案　＞　0.3‎