【物理】2019届一轮复习人教版　光的波动性　电磁波　相对论学案 14页

第四节　光的波动性　电磁波　相对论 ‎(对应学生用书第252页)‎ ‎[教材知识速填]‎ 知识点1　光的干涉 ‎1．条件 两列光的频率相同，相位和振动情况都完全相同的光相遇．‎ ‎2．双缝干涉 图1441‎ ‎(1)原理(如图1441所示)‎ ‎(2)明、暗条纹的条件：‎ ‎①单色光 a．光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹．‎ b．光的路程差r2－r1＝(2k＋1)·(k＝0,1,2，…)，光屏上出现暗条纹．‎ ‎②白光：光屏上出现彩色条纹．‎ ‎(3)条纹间距公式：Δx＝λ.‎ ‎3．薄膜干涉 ‎(1)薄膜特点：如图1442所示，由于重力作用，薄膜上薄下厚．‎ 图1442‎ ‎(2)相干光线：薄膜前表面AA′和后表面BB′的反射光线叠加．‎ ‎(3)亮纹条件：在P1、P2处，薄膜厚度的2倍为前后表面反射光的光程差，当光程差等于波长整数倍时，形成亮条纹．‎ ‎(4)暗纹条件：在Q处，光程差等于半波长的奇数倍时，形成暗条纹．‎ 知识点2　光的衍射 ‎1．光发生明显衍射的条件 当障碍物的尺寸跟光的波长相比相差不多，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 单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹宽度比中央窄且暗；白光的衍射图样为中间宽且亮的白色条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹．‎ 知识点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，这种光叫自然光．如由太阳、电灯等普通光源发出的光．‎ ‎2．偏振光 在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动的光．如自然光经偏振片作用后的光．‎ 易错判断 ‎(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉．(√)‎ ‎(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．(×)‎ ‎(3)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．(×)‎ ‎(4)自然光是偏振光．(×)‎ 知识点4　电磁波的特点和狭义相对论 ‎1．电磁波的特点 ‎(1)电磁波是横波，电场强度E和磁感应强度B的方向都与传播方向垂直．‎ ‎(2)电磁波传播时不需要任何介质，在真空中传播的速度最大，c＝3×108‎ ‎ m/s.‎ ‎(3)电磁波本身是一种物质，它具有能量．‎ ‎(4)具有波的特征，能产生反射、折射、衍射、干涉等现象．‎ ‎2．相对论的简单知识 ‎(1)狭义相对论的基本假设：‎ ‎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．‎ ‎(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)相对论速度变换公式：u＝.‎ ‎(4)质能方程：E＝mc2.‎ 易错判断 ‎(1)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播便形成了电磁波．(×)‎ ‎(2)在真空中传播的电磁波，当它的频率增加时，它的传播速度不变，波长变短．(√)‎ ‎(3)光速不变原理指出光在真空中传播速度在不同惯性参考系中都是相同的．(√)‎ ‎(4)波长不同的电磁波在本质上完全不同．(×)‎ 知识点5　实验：用双缝干涉测光的波长 ‎1．实验装置(如图1443所示)‎ 图1443‎ ‎2．实验原理 ‎(1)根据公式Δx＝λ得λ＝Δx.‎ ‎(2)用刻度尺测出双缝到光屏的距离l，用测量头调节清晰的干涉条纹，测出n个亮纹间的距离a，则Δx＝.双缝间距d是已知的，这样就可以计算出波长λ.‎ ‎3．注意事项 ‎(1)实验时应调整光源、单缝、双缝和光屏、测量头共轴，单缝和双缝安装时应竖直且相互平行，遮光筒的轴线要与光具座导轨平行．若不共轴或单缝与双缝不平行则会引起干涉条纹亮度小，不清晰，不便于观察和测量．‎ ‎(2)分划板上的刻线应与干涉条纹的亮(暗)线平行，否则会增大测量的误差．‎ ‎(3)双缝、测量头安装到遮光筒上时要装到底，使各部件的定位面紧密吻合，否则会影响测量结果．‎ ‎(4)双缝干涉演示仪的测量头有两种，一种相当于螺旋测微器，一种相当于游标卡尺，具体应用时要加以区别．‎ ‎(5)测量双缝至屏的距离l，要多次测量取平均值，同时要固定好双缝及屏，切勿松动.‎ ‎(对应学生用书第254页)‎ 光的干涉、衍射及偏振 ‎1．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 ‎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 ‎[题组通关]‎ ‎1．关于下列光学现象，说法正确的是(　　)‎ A．水中蓝光的传播速度比红光快 B．光从空气射入玻璃时不可能发生全反射 C．在岸边观察前方水中的一条鱼，鱼的实际深度比看到的要深 D．分别用蓝光和红光在同一装置上做双缝干涉实验，用红光时得到的条纹间距更宽 E．偏振现象说明光是纵波 BCD　[在介质中，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各色光随着频率的增大，其折射率也增大，根据v＝知，水中蓝光的传播速度比红光慢，选项A错误；光从光密介质射入光疏介质时，才可能发生全反射，光从空气射入玻璃时，不会发生全反射，选项B正确；在岸边观察水中的鱼，视深h′＝，故视深h′小于鱼的实际深度h，选项C正确；蓝光比红光的波长短，由干涉条纹宽度Δx＝λ知，用红光时得到的条纹间距比蓝光的宽，选项D正确；偏振现象说明光是横波，选项E错误．]‎ ‎2．(2018·吉林模拟)下列说法正确的是(　　) ‎ ‎【导学号：84370536】‎ A．光在介质中传播的速度仅由介质本身所决定 B．雨后路面上的油膜形成的彩色条纹是由光的干涉形成的 C．杨氏双缝干涉实验中，当两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定时，红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距小 D．光的偏振特征说明光是横波 E．水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故 BDE　[光在介质中传播的速度由介质本身及光的频率共同决定，故A错误．油膜形成的彩色条纹，是油膜的前后表面反射光，进行光的叠加，形成的干涉条纹，故B正确．根据光的干涉条纹间距公式Δx＝λ可知，红光的波长长，则红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距大，故C错误．光的偏振现象说明光是一种横波而不是纵波，故D正确．水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，即从光密介质射向光疏介质时，一部分光在界面上发生了全反射，故E正确．]‎ ‎3．(2018·昆明模拟)如图1444所示，一束光斜射向水面，入水后分成a、b两束，下列说法正确的是(　　)‎ 图1444‎ A．a光比b光更容易发生衍射现象 B．a光的频率大于b光的频率 C．在水中a光的速度比b光的速度小 D．当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角 E．用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 ADE　[由n＝知，a的折射率小于b的折射率，而折射率越大，光的频率越大，波长越短，则a光波长较长，又由于波长越长的光越容易发生衍射现象，故a光比b光更容易发生衍射现象，a光的频率小于b光的频率，选项A正确，B错误；由v＝可得，在水中a光的速度比b光的速度大，选项C错误；由sin C＝可得，当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角，选项D正确；由Δx＝λ可得，波长越大，干涉条纹间距越大，所以a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，选项E正确．]‎ ‎(2018·河南省实验中学模拟)下列关于光的说法中正确的是(　　)‎ A．雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生全反射形成的 B．“和谐号”动车组高速行驶时，地面上测得其车厢长度将明显变短 C．在双缝干涉实验中，用红光代替黄光作为入射光可增大干涉条纹的间距 D．白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的波长不同 E．光从一种介质进入另一种介质发生折射是因为光在不同介质中的传播速度不同 CDE　[雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的，故A错误；“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远小于光速c，故狭义相对论的“尺缩效应”不明显，车厢长度不会明显变短，故B错误；双缝干涉实验中，用红光代替黄光后，波长变长，则导致干涉条纹的间距增大，故C正确；白光通过双缝后产生干涉，因波长不一，导致干涉条纹间距不同，从而出现彩色条纹，故D正确；光从一种介质进入另一种介质发生折射是因为光在不同介质的折射率不同，根据c＝nv，可知，传播速度也不同，故E正确．]‎ 电磁场与电磁波　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．‎ ‎(2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度只与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关．‎ ‎3．电磁波谱分析及应用 ‎4．对“同时”的相对性的理解 ‎(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．‎ ‎(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的．‎ ‎[题组通关]‎ ‎4．关于电磁振荡与电磁波，下列说法正确的是(　　)‎ A．振荡电场和振荡磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场 B．电磁波可以进行有线传输，也可以实现无线传输 C．电磁波和机械波都只能在介质中传播 D．因为部分红外线的波长与微波波长相等，故它们都是振荡电路产生的 E．麦克斯韦预言电磁波的存在，之后赫兹用实验证明了电磁波的存在 ABE　[振荡电场周围会产生振荡磁场，而振荡磁场周围会产生振荡电场，它们交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，故A正确；电磁波可以进行有线传输，也可以实现无线传输，故B正确；电磁波在真空中也可以传播，C错误；微波是振荡电路产生的，而红外线是由原子的外层电子受到激发产生的，D错误；麦克斯韦在18世纪60年代从理论上预言了电磁波的存在，1886年赫兹用实验验证了电磁波的存在，所以E正确．]‎ ‎5．(2016·全国Ⅱ卷)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 ABC　[‎ 电磁波在真空中的传播速度等于光速，与电磁波的频率无关，选项A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，选项B正确；电磁波传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直，选项C正确；电磁波可以通过光缆传输，选项D错误；电磁波波源的电磁振荡停止，波源不再产生新的电磁波，但空间中已产生的电磁波仍可继续传播，选项E错误．]‎ ‎6．(2018·徐州模拟)下列说法中正确的是(　　)‎ 图1445‎ A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场 B．机械波的传播需要介质，而电磁波可以在真空中传播 C．红外体温计通过发射红外线照射人体来测体温 D．振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场 E．在如图所示的振荡电路中，当M、N间电势差随电流的变化达到最大值时磁场能刚好全部转化为电场能 BDE　[变化的电场(或磁场)在周围空间产生磁场(或电场)；均匀变化的电场(或磁场)在周围空间产生恒定的磁场(或电场)；振荡电场(或磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(或电场)，A错误，D正确．机械波的传播需要介质，但电磁波可以在真空中传播，B正确．红外体温计是通过接收红外线来测体温的，C错误．当M、N间电势差达到最大值时，即电容器带电荷量最多时，磁场能刚好全部转化为电场能，E正确．]‎ ‎7．下列说法错误的是(　　) ‎ A．根据狭义相对论可知，时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关 B．波的图象表示介质中“某个质点”在“各个时刻”的位移 C．当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的波的频率比波源频率小 D．在波的传播过程中，质点没有随波传播走，但能量和运动形式可以传播走 E．电磁波具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，但不会发生多普勒效应 ABE　[‎ 根据狭义相对论，时间也是相对的，A错误；波的图象表示介质中“所有质点”在“同一时刻”的位置，B错误；由多普勒效应可知，当波源与观察者相互远离时，观察者接收到波的频率比波源频率小，C正确；在波的传播过程中，传播的就是运动形式和能量，D正确；电磁波具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，也会发生多普勒效应，E错误．]‎ ‎[反思总结]　对电磁波的三点说明 (1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性.其中波长较长的无线电波和红外线等，易发生干涉、衍射现象；波长较短的紫外线、X射线、γ射线等，穿透能力较强.‎ (2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠. ‎ (3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的.‎ 用双缝干涉测光的波长 ‎[母题]　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1446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1446‎ ‎(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)本实验的实验步骤有：‎ ‎①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；‎ ‎②‎ 按合理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用米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亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图1447甲所示．然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数______________mm，求得相邻亮纹的间距Δx为____________mm.‎ 甲 乙 图1447‎ ‎(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，由计算公式λ＝________，求得所测红光波长为________mm.‎ ‎[解析](1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为：光源、滤光片、单缝、双缝、屏，因此应填：E、D、B.‎ ‎(2)单缝与双缝的间距为5 cm～10 cm；使单缝与双缝相互平行．‎ ‎(3)甲图的读数为2.320 mm 乙图的读数为13.870 mm Δx＝ mm＝2.310 mm.‎ ‎(4)由Δx＝λ可得：λ＝Δx 可求出λ＝×2.310 mm＝6.6×10－4 mm.‎ ‎[答案](1)E、D、B　(2)单缝与双缝的间距为5 cm～10‎ ‎ cm　使单缝与双缝相互平行　(3)13.870　2.310　(4)Δx　6.6×10－4‎ ‎[母题迁移]‎ ‎(2017·全国Ⅱ卷)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(　　)‎ 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 ACD　[在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx＝λ，因此要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距可减小双缝间的距离，增大屏幕与双缝的距离，换用波长更长或频率更小的光做光源．故选A、C、D.]‎ ‎[反思总结]　‎ ‎1．数据处理 ‎(1)条纹间距的计算：移动测量头的手轮，分划板中央刻线在第1条亮条纹中央时读数为a1，在第n条亮条纹中央时读数为an，则Δx＝.‎ ‎(2)根据条纹间距与波长的关系Δx＝λ得λ＝Δx，其中d为双缝间距，l为双缝到屏的距离．‎ ‎(3)测量时需测量多组数据，求λ的平均值．‎ ‎2．误差分析 ‎(1)双缝到屏的距离l的测量存在误差．‎ ‎(2)测条纹间距Δx带来的误差：‎ ‎①干涉条纹没有调整到最清晰的程度．‎ ‎②误认为Δx为亮(暗)条纹的宽度．‎ ‎③分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心．‎ ‎④测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清．‎