2022届新高考一轮复习人教版 第十四章 第4讲　光的波动性　电磁波和相对论 学案

这是一份2022届新高考一轮复习人教版 第十四章 第4讲　光的波动性　电磁波和相对论 学案，共9页。学案主要包含了光的干涉，光的衍射　偏振，电磁波与相对论等内容，欢迎下载使用。
授课提示：对应学生用书第271页
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原理如图所示。
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)eq \f(λ,2)(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：Δx＝eq \f(l,d)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。
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
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，这种光叫作自然光。
(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。
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电磁波谱的特性及应用
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＝eq \f(m0,\r(1－\f(v,c)2))。
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。
授课提示：对应学生用书第272页
eq \a\vs4\al(命题点一 光的干涉、衍射和偏振现象) 自主探究
1．光的干涉、衍射的比较
2.自然光与偏振光
1．(多选)关于波的干涉和衍射，下列说法正确的是( )
A．衍射是一切波特有的现象
B．两列波发生干涉时，振动加强区域的质点的位移一定始终最大
C．声波容易发生衍射是因为声波的波长较长
D．观察薄膜干涉时，应该在入射光的同一侧
解析：衍射是一切波特有的现象，选项A正确；两列波发生干涉时，振动加强区域的质点振动始终加强，不是位移始终最大，选项B错误；声波容易发生衍射是因为声波的波长较长，选项C正确；薄膜干涉是两列频率相同的反射光在薄膜上出现的现象，因此应在入射光的同一侧观察，选项D正确。
答案：ACD
2．(2021·适应性测试江苏卷)小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光，转动镜片时发现光有强弱变化。下列说法能够解释这一现象的是( )
A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用
B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用
C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用
D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用
解析：发现强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用，故选B。
答案：B
3．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( )
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两光传播速度不相同
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
解析：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Δx＝eq \f(l,d)λ可知，b光的波长比a光的大，由λ＝eq \f(c,f)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＝eq \f(c,v)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错误；从真空射入同种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＝eq \f(1,n)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。
答案：D
eq \a\vs4\al(命题点二 电磁场和电磁波) 自主探究
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，如图所示。
(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．(多选)(2021·河南开封高三检测)关于电磁波谱，下列说法正确的是( )
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线
解析：紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，选项C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，选项D错误。
答案：AB
5.(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法正确的是( )
A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的
B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波
C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强
D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程
解析：有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流和电视信号的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示，故A错误，B、C、D正确。
答案：BCD
易错警示
对电磁波认识的2点注意
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(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，但它们产生的机理不同。

eq \a\vs4\al(命题点三 相对论及简单应用) 自主探究
1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫作惯性系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
2．光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。
3．相对论中五个公式
6．(多选)在狭义相对论中，下列说法正确的有( )
A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速
B．质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关
C．时间间隔的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关
D．在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中也是同时发生的
解析：根据狭义相对论可知，光速是速度的极限值，而且是不变的，所以A正确；根据狭义相对论可知，长度、质量、时间间隔都与运动状态有关，且都给出了具体的计算公式，所以B正确，C错误；同时是相对的，所以D错误。
答案：AB
7．(1)一列火车以速度v匀速行驶，车头、车尾各有一盏灯，某时刻路基上的人看见两灯同时亮了，那么车厢中的人看见的情况是什么呢？
(2)一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2×108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？
(3)远方的一颗星以0.8c的速度离开地球，在地球上测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？
解析：(1)由同时的相对性可知车头的灯先亮。
(2)l＝l0 eq \r(1－\f(v,c)2)＝5× eq \r(1－\f(2×108,3×108)2) m≈3.7 m，
在垂直运动方向没有相对性，所以看到的是一张3.7×5 m2的宣传画。
(3)因为Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))，
所以Δτ＝Δt· eq \r(1－\f(v,c)2)，
Δt＝5昼夜，v＝0.8c，所以Δτ＝5×eq \r(1－0.82)昼夜＝3昼夜。
答案：(1)车头的灯先亮 (2)3.7×5 m2的画
(3)3昼夜
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
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；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
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
干涉
衍射
现象
在光叠加区域出现加强或减弱的现象
光绕过障碍物偏离直线传播的现象
产生条件
两束光频率相同、相位差恒定
障碍物或孔的尺寸与波长差不多或更小
典型实验
杨氏双缝干涉
单缝衍射(圆孔衍射、圆盘衍射)
图样特点
不同点
条纹宽度
条纹宽度相等
条纹宽度不等、中央最宽
条纹间距
各相邻条纹间距相等
各相邻条纹间距不等
亮度情况
清晰条纹，亮度基本相等
中央条纹最亮，两边变暗
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
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
电磁波谱
频率/Hz
真空中波长/m
特性
应用
递变规律
无线电波
10－3
波动性强，易发生衍射
无线电技术
衍射
能力
减弱，
直线
传播
能力
增强
红外线
1011～1015
10－3～10－7
热效应
红外遥感
可见光
1015
10－7
引起视觉
照明、摄影
紫外线
1015～1017
10－7～10－9
化学效应、荧光效应、灭菌消毒
医用消毒、防伪
X射线
1016～1019
10－8～10－11
贯穿本领强
检查、医用透视
γ射线
>1019