2020届二轮复习专题七第14讲　光学　电磁波　相对论课件（43张）（山东专用） 43页

第 14 讲 光学 电磁波 相对论 总纲目录 考点一 电磁波 相对论 考点二 光的干涉、衍射与偏振 素养引领 · 情境命题 考点三 光的折射 全反射 考点一　电磁波　相对论 1.(多选)[2018江苏单科,12B(1)]梳子在梳头后带上电荷,摇动这把梳子在空中 产生电磁波。该电磁波   (　 AD 　) A.是横波 B.不能在真空中传播 C.只能沿着梳子摇动的方向传播 D.在空气中的传播速度约为3 × 10 8 m/s 答案     AD　据电磁波的特点可知,电磁波为横波,故A正确;电磁波的传播不 需要介质,可以在真空中传播,故B错误;电磁波产生后,可以在任意方向传播, 故C错误;电磁波传播的速度在真空中等于光速,在空气中的传播速度约为3 × 10 8 m/s,故D正确。 2.(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   (　 AC 　) 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　根据时间间隔的相对性,飞船上的人观测钟表时,是以飞船为参 考系,看到地球上的钟表在高速运动,观测到地球上的钟慢,飞船上的钟快,A 正确,B错误;同理地球上的人是以地球为参考系,观测结果是地球上的钟快, 飞船上的钟慢,C正确,D错误。 1.对麦克斯韦电磁场理论的理解 2.狭义相对论的重要结论 (1)在任何惯性系中观察光速均为 c 。 (2)相对观测者运动的物体长度变短。 (3)相对观测者运动的时钟变慢。 1.关于电磁波的说法中正确的是   (　 C 　) A.只要有电场和磁场,就能产生电磁波 B.电磁波会发生偏振现象,是纵波 C.电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象 D.紫外线的频率比红外线的频率低 答案     C　由麦克斯韦电磁场理论知,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生 电场,振荡的电场和磁场交替产生,由近及远地传播,形成电磁波,A错误;电磁 波会发生偏振现象,是横波,B错误;干涉和衍射现象是波特有的现象,电磁波 和机械波都能产生干涉和衍射现象,C正确;紫外线的频率比红外线的频率高, D错误。 2.物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如,利用波的干涉,可将无线 电波的干涉信号用于飞机降落的导航。如图所示,两个可发射无线电波的天 线对称地固定于飞机跑道两侧,它们类似于杨氏干涉实验中的双缝。两天线 同时都发出波长为 λ 1 和 λ 2 的无线电波。飞机降落过程中,当接收到 λ 1 和 λ 2 的信 号都保持最强时,表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是   (　 C 　) A.天线发出的两种无线电波必须一样强 B.导航利用了 λ 1 与 λ 2 两种无线电波之间的干涉 C.两种无线电波在空间的强弱分布稳定 D.两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合 答案     C　无线电波的干涉与强弱无关,故选项A错误;导航利用了 λ 1 与 λ 1 的干 涉、 λ 2 与 λ 2 的干涉,并不是 λ 1 与 λ 2 的干涉,故选项B错误;空间中 λ 1 的干涉与 λ 2 的 干涉相互叠加,因为每种无线电波干涉后强弱分布稳定,故叠加后空间的强弱 分布依旧稳定,故选项C正确;因为跑道上(中垂线)接收 λ 1 与 λ 2 的信号都保持最 强,由于 λ 1 与 λ 2 不同,故各自在空间的强弱分布不同,故选项D错误。 考点二　光的干涉、衍射与偏振 1.(2019北京理综,14,6分)利用图1所示的装置(示意图),观察光的干涉、衍射 现象,在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于 P 处放置的光学元件 说法正确的是   (　 A 　) 图2 A.甲对应单缝,乙对应双缝 B.甲对应双缝,乙对应单缝 C.都是单缝,甲对应的缝宽较大 D.都是双缝,甲对应的双缝间距较大 答案     A　本题考查光的干涉和衍射现象,体现了科学推理的素养。单缝衍 射图样中心亮纹较宽,两侧亮纹宽度逐渐变窄,故甲图样为单缝衍射图样;双 缝干涉图样相邻两条亮纹的宽度相同,对应乙图样。故A正确,B、C、D均错。 2.(2018北京理综,15,6分)用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹,在光源 与单缝之间加上红色滤光片后   (　  D 　) A.干涉条纹消失　     B.彩色条纹中的红色条纹消失　     C.中央条纹变成暗条纹　     D.中央条纹变成红色 答案     D　本题考查双缝干涉实验。用白光做双缝干涉实验时,屏上呈现彩 色条纹,在光源与单缝间加红色滤光片,光源发出的白光照射滤光片后,仅有 红光透过滤光片,故射到双缝上的光为红光,屏上呈现出的是红色干涉条纹, 中央条纹为红色,选项D正确。 1.波的特性 机械波和光波都能发生干涉、衍射、多普勒效应等现象,这是波特有的现象, 偏振现象是横波的特有现象。要观察到稳定的干涉现象和明显的衍射现象 需要一定的条件。 2.稳定干涉条件与特点 (1)两列光波发生稳定干涉现象时,光的频率相等,相位差恒定,干涉条纹间距 Δ x =   λ 。 (2)干涉图样中,实线和实线的交点、虚线和虚线的交点及其连线处为振动加 强处;实线和虚线的交点及其连线处为振动减弱处。振动加强点有时位移也 为零,只是振幅为两列波的振幅之和,显得振动剧烈。 1.(多选)如图所示是 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   (　 BD 　) A.在同种均匀介质中, a 光的传播速度比 b 光的大 B.在真空中 a 、 b 两光传播速度相同 C.从真空射入同种介质发生全反射时, a 光全反射临界角小 D.从同种介质射入真空发生全反射时, a 光全反射临界角小 答案     BD　根据题图可知, b 光的干涉条纹间距大于 a 光的干涉条纹间距。 由双缝干涉条纹间距公式Δ x =   λ 可知, b 光的波长比 a 光的大。由 λ =   可知, b 光的频率比 a 光的小,则在同种介质中, b 光的折射率小于 a 光,根据 n =   可知,在 介质中, a 光的传播速度比 b 光的小,选项A错误;在真空中 a 、 b 两光传播速度相 同,均为光速,选项B正确;从真空射入介质不会发生全反射,选项C错误;由介 质射入真空发生全反射的临界角公式sin C =   可知, a 光折射率较大,从同种介 质射入真空发生全反射时 a 光全反射临界角小,选项D正确。 2.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细,如图所示,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   (　 AD 　) 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　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,选项A、D 正确。 考点三　光的折射　全反射 1.[2019课标Ⅲ,34(2),10分]如图,直角三角形 ABC 为一棱镜的横截面,∠ A =90 ° , ∠ B =30 ° 。一束光线平行于底边 BC 射到 AB 边上并进入棱镜,然后垂直于 AC 边射出。 (ⅰ)求棱镜的折射率; (ⅱ)保持 AB 边上的入射点不变,逐渐减小入射角, 直到 BC 边上恰好有光线射出。求此时 AB 边上 入射角的正弦。 答案 　(ⅰ)   　(ⅱ)   解析 　本题考查了光的折射、全反射,突出应用数学知识处理物理问题的能 力,体现了核心素养中模型建构、科学论证要素,有利于培养考生的应用与创 新价值观。 (ⅰ)光路图及相关量如图所示。   光束在 AB 边上折射,由折射定律得   = n   ① 式中 n 是棱镜的折射率。由几何关系可知 α + β =60 °   ② 由几何关系和反射定律得 β = β '=∠ B   ③ 联立①②③式,并代入 i =60 ° 得 n =     ④ (ⅱ)设改变后的入射角为 i ',折射角为 α ',由折射定律得   = n   ⑤ 依题意,光束在 BC 边上的入射角为全反射的临界角 θ c ,且 sin θ c =     ⑥ 由几何关系得 θ c = α '+30 °   ⑦ 由④⑤⑥⑦式得入射角的正弦为 sin i '=     ⑧ 2.[2019课标Ⅰ,34(2),10分]如图,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端 高出水面3 m。距水面4 m的湖底 P 点发出的激光束,从水面出射后恰好照射 到桅杆顶端,该出射光束与竖直方向的夹角为53 ° (取sin 53 ° =0.8)。已知水的 折射率为   。 (ⅰ)求桅杆到 P 点的水平距离; (ⅱ)船向左行驶一段距离后停止,调整由 P 点发出的激光束方向,当其与竖直 方向夹角为45 ° 时,从水面射出后仍照射在桅杆顶端,求船行驶的距离。 答案　 (ⅰ)7 m　(ⅱ)5.5 m 解析 　(ⅰ)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为 x 1 ,到 P 点的水平距离 为 x 2 ;桅杆高度为 h 1 , P 点处水深为 h 2 ;激光束在水中与竖直方向的夹角为 θ 。由 几何关系有   =tan 53 °   ①   =tan θ   ② 由折射定律有 sin 53 ° = n sin θ   ③ 设桅杆到 P 点的水平距离为 x ,则 x = x 1 + x 2   ④ 联立①②③④式并代入题给数据得 x =7 m⑤ (ⅱ)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45 ° 时,从水面出射的方向与竖直方 向夹角为 i ',由折射定律有 sin i '= n sin 45 °   ⑥ 设船向左行驶的距离为 x ',此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为 x 1 ', 到 P 点的水平距离为 x 2 ',则 x 1 '+ x 2 '= x '+ x   ⑦   =tan i '   ⑧   =tan 45 °   ⑨ 联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得 x '=(6   -3)m ≈ 5.5 m⑩ 光的几何计算题往往是光的反射、折射、全反射 ( 临界点 ) 及几何图形关系 的综合问题 , 解决此类问题应注意以下四个方面 : (1) 依据题目条件 , 正确分析可能的全反射及临界角 ; (2)通过分析、计算确定光传播过程中可能的折射、反射,把握光的“多过 程”现象; (3)准确作出光路图; (4)充分考虑三角形、圆的特点,运用几何图形中的角关系、三角函数、相似 三角形等,仔细分析光传播过程中产生的几何关系。 1.(2019安徽芜湖模拟)一个透明圆柱体的半径为 R ,其横截面如图所示, AB 是 一条直径,一束平行单色光沿 AB 方向射向圆柱体,该圆柱体的折射率为   。 若有一条入射到 P 点的光线( P 点图中未标出),经折射后恰好到 B 点,求: (1)该入射光线射入圆柱体的入射角 i ; (2)光在圆柱体介质中,由 P 点运动至 B 点所用的时间 t 。(设光在真空中的速度为 c ) 答案 　(1)60 ° 　(2)   解析 　(1)设这条光线经 P 点折射后过 B 点,光路图如图所示   根据折射定律 n =   在△ OBP 中,由几何关系得 i =2 r 由以上两式可得: r =30 ° , i =60 ° 这条入射光线的入射角 i 为60 ° (2)设 B 、 P 两点间距为 x ,由几何关系得 x =2 R cos r 折射率 n =   x = vt 由以上三式可得 t =   2.(2019山东淄博二模)如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角三角形 ABC , 腰长为 a ,∠ A =90 ° 。一束细光线沿此截面所在平面且平行于 BC 边的方向射 到 AB 边上的中点,光进入棱镜后直接射到 AC 边上,并刚好能发生全反射。已 知真空中的光速为 c ,试求: (1)该棱镜材料的折射率 n ; (2)光从 AB 边到 AC 边的传播时间 t 。   答案 　(1)   　(2)   解析 　(1)设光从 AB 边射入时折射角为 α ,射到 AC 边上 N 点时入射角为 β ,光路 图如图所示   根据折射定律 n =   得sin α =   光在 AC 边上恰好发生全反射则有 sin β =   又由几何关系 α + β =90 ° 则 sin 2 α + sin 2 β =1 联立解得 n =   (2)由图中几何关系可得 M 、 N 间距 x =   由(1)问可得sin α =   用 v 表示光在棱镜内传播的速度,则 v =   ,又 t =   所以光从 AB 边到 AC 边的传播时间 t =   素养引领·情境命题 　　光学与我们生产生活紧密相关,与实际生活相关的物理学问题也非常多, 这类问题紧密联系实际,情景新颖,对考查分析解答能力的培养很有帮助。 1.(多选)如图甲所示,在平静的水面下深 h 处有一个点光源 s ,它发出的两种不 同颜色的 a 光和 b 光在水面上形成了一个有光线射出的圆形区域,该区域的中 间为由 a 、 b 两种单色光所构成的复色光圆形区域,周围为环状区域,且为 a 光 的颜色(见图乙)。设 b 光的折射率为 n b 。则下列说法正确的是   (　 BCD  　) A.在水中, a 光的波长比 b 光小 B.水对 a 光的折射率比 b 光小 C.在水中, a 光的传播速度比 b 光大 D.复色光圆形区域的面积为 S =   E.在同一装置的杨氏双缝干涉实验中, a 光的干涉条纹比 b 光窄 答案    BCD     a 光在水面上形成的圆形亮斑面积较大,知 a 光的临界角较大,根 据sin C =   ,知 a 光的折射率较小,频率也小,再由 v =   = λf ,可知,在水中 a 光的传 播速度比 b 光大, a 光的波长比 b 光大,故A错误,B、C正确;根据sin C =   ,结合几 何关系可知,   =   ,而复色光圆形区域的面积为 S =π r 2 =   ,故D正确; a 光 的折射率小,波长大,根据Δ x =   λ 可知相同条件下, a 光干涉条纹比 b 光宽,故E错 误。 2.如图所示,水面下方有一点光源 S ,水面上有一艘船,船的最左端到光源的水 平距离为 l 。已知从距船   处的水面射出的光线恰好照亮船头标志物 A ,此光 束到达 A 之前在水中和空气中传播的时间之比为 2∶1。若船右移   ,则水面 恰好出现完整的圆形透光区域,不考虑光线的多次反射。求: (ⅰ)水的折射率; (ⅱ)标志物 A 到水面的高度 h 。 答案 　(ⅰ)   　(ⅱ) l 解析 　(ⅰ)设 SO = x 1 , OA = x 2 ,光在水中的传播速度为 v ,在空气中的传播速度 为 c ,光从水面射出时的折射角为 θ 1 ,光射向水面的入射角为 θ 2 ,根据题意知   ∶   =2   ① 又根据 n =     ② 根据折射定律知 n =   =   =     ③ 解得 n =     ④ (ⅱ)由sin C =   ,可知 C =45 °   ⑤ 所以光源 S 所处的深度 H =   =     ⑥ 由几何知识可知 x 1 =   =   l   ⑦ 由①②得 n ·   =2   ⑧ 可知 x 2 =   x 1 =   l   ⑨ 解得 h =   = l   ⑩