第十四章 第四节 光的波动性-2022高考物理【导学教程】新编大一轮总复习（word）人教版学案

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第四节　光的波动性、电磁波和相对论　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。(4)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是入射光波的波长。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)偏振光的两种形成方式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。(5)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。二、电磁波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．电磁波及其传播(1)__电磁场__在空间由近及远的传播，形成电磁波。电磁波是横波。(2)电磁波的传播不需要__介质__，在真空中不同频率的电磁波传播速度都等于光速。但在同一介质中，不同频率的电磁波传播速度是不同的，频率越高，波速越__小__(可联系v＝理解记忆)。(3)波速公式：v＝__λf__，f是电磁波的频率。3．电磁波的发射与接收(1)发射电磁波需要开放的高频振荡电路，并对电磁波根据信号的强弱进行__调制__(两种方式：调幅、调频)。(2)接收电磁波需要能够产生电谐振的调谐电路，再把信号从高频电流中__解调__出来。调幅波的解调也叫__检波__。4．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的谱。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。三、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__。[自我诊断]判断下列说法的正误。(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。(×)(5)无线电波不能发生干涉和衍射现象。(×)(6)波长不同的电磁波在本质上完全不同。(×)(7)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(×)考点一　光的干涉、衍射1．光的干涉、衍射比较内容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2.亮暗条纹的判断方法(1)如图所示，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。(2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹。3．薄膜干涉(1)如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。(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，出现亮纹；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。4．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[题组突破][光的干涉现象]1．(多选)(2017·全国卷Ⅱ)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[解析]　根据干涉图样中两相邻亮条纹的间距Δx＝λ可知，要使Δx增大，可以增大波长或增大双缝到屏的距离或缩小双缝间的距离，所以选项A、C、D正确，B、E错误。[答案]　ACD[光的衍射图样信息应用]2．(多选)现有a、b两束光通过同一狭缝，分别产生了如图甲和乙所示的衍射图样，则下列说法正确的是(　　)A．a光的波长小于b光B．若用a光照射某金属板产生了光电效应，则用b光照射该板一定也会产生光电效应C．两束光分别从同一光密介质射向同一光疏介质，入射角从90°逐渐减小到0°的过程中，最先看到折射光线的是b光D．将分别能发出a光和b光的两个点光源安装在水下同一深度，水面上的人从光源的正上方看下去，感觉到a光的深度大E．将a、b两束光分别通过同一杨氏双缝干涉仪，条纹间距较大的是a光[解析]　由衍射图样可知，a光的衍射比较明显，则a光的波长较长，选项A错误；a光的波长较长，则频率较小，若用a光照射某金属板产生了光电效应，则用b光照射该板一定也会产生光电效应，选项B正确；a光频率较小，则折射率较小，临界角较大，则两束光分别从同一光密介质射向同一光疏介质，入射角从90°逐渐减小到0°的过程中，最先不能发生全反射的是a光，则首先看到折射光线的是a光，选项C错误；折射率越小，则由水中射向空气时偏折程度越小，则视深越大，选项D正确；将a、b两束光分别通过同一杨氏双缝干涉仪，根据Δx＝λ可知，a光波长大，则条纹间距较大的是a光，选项E正确。[答案]　BDE[光的偏振特性]3．(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E．阳光在水面的反射光是自然光[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；选项C是偏振现象的应用；选项D是光的衍射现象，故选项D项错误；阳光在水面的反射光是偏振光，故选项E错误。[答案]　ABC
考点二　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＜3×1011＞10－3波动性强，易发生衍射无线电技术红外线1011～101510－3～10－7热效应红外遥感可见光101510－7引起视觉照明、摄影紫外线1015～101710－7～10－9化学效应、荧光效应、灭菌消毒医用消毒、防伪X射线1016～101910－8～10－11贯穿本领强检查、医用透视γ射线＞1019＜10－11贯穿本领最强工业探伤、医用治疗 [题组突破][电磁波的理解]1．(多选)(2016·全国卷Ⅱ)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[解析]　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；电磁波的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。[答案]　ABC[狭义相对论的理解]2．(多选)(2017·江苏卷)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(　　)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[解析]　相对论告诉我们，运动的钟会变慢，由于飞船上的人相对飞船上的钟是静止的，而观测到地球上的钟是高速运动的，因此飞船上的人观测到飞船上的钟相对于地球上的钟快，A项正确，B项错误；同样，地球上的人观测到飞船上的钟是高速运动的，因此地球上的人观测到地球上的钟比飞船上的钟快，C项正确，D项错误。[答案]　AC考点三　实验　用双缝干涉测光的波长1．实验原理：单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ＝。2．实验步骤(1)观察干涉条纹①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。如图所示。②接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。③调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达光屏。④安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5～10 cm，这时，可观察白光的干涉条纹。⑤在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。(2)测定单色光的波长①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。②使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹。③用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。④改变双缝间的距离d，双缝到屏的距离l，重复测量。3．数据处理(1)条纹间距Δx＝。(2)波长λ＝Δx。(3)计算多组数据，求λ的平均值。4．误差分析(1)测条纹间距Δx时带来误差。(2)测量双缝到光屏间距离l时产生误差。5．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。[例]　(2019·全国卷Ⅱ)某同学利用图所示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可____________。A．将单缝向双缝靠近B．将屏向靠近双缝的方向移动C．将屏向远离双缝的方向移动D．使用间距更小的双缝(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝____________。(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波长为____________ nm(结果保留3位有效数字)。[解析]　(1)增加目镜中观察到的条纹个数必须要减小条纹间距，由公式Δx＝λ可知B正确。(2)由于第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则相邻两条暗条纹的中心间距Δx′＝，单色光的波长λ＝＝。(3)λ＝＝ m＝6.30×10－7 m＝630 nm。[答案]　(1)B　(2)　(3)630[跟踪训练][实验原理及操作]1．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。(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)测量数条亮条纹间的距离。在操作步骤②时还应注意________________、________________和____________________________。[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、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上。[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　要保证光源、滤光片、单缝、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上[数据处理与分析]2．在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，实验装置如图所示。(1)以线状白炽灯为光源，对实验装置进行了调节并观察实验现象后，总结出以下几点：A．灯丝和单缝及双缝必须平行放置B．干涉条纹与双缝垂直C．干涉条纹疏密程度与双缝宽度有关D．干涉条纹间距与光的波长有关以上几点中你认为正确的是____________。(2)当测量头中的分划板中心刻度线对齐某干涉条纹线时，手轮上的示数如图所示，该读数为____________ mm。(3)如果测量头中的分划板中心刻度线与干涉条纹不在同一方向上，如图甲所示。则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值____________实际值(填“大于”“小于”或“等于”)。(4)实验中某同学用游标卡尺代替螺旋测微器，选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm。已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游标尺)上有20分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐，如图甲所示，此时测量头上主尺和游标尺的示数如图乙所示，则此示数为____________ mm；接着再转动手轮，使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐，测得A条纹到B条纹间的距离为8.40 mm。利用上述测量结果，经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长λ＝____________ m。[解析]　(1)为使屏上的干涉条纹清晰，灯丝与单缝和双缝必须平行放置，所得到的干涉条纹与双缝平行；由Δx＝λ可知，条纹的疏密程度与双缝间距离d、光的波长λ、双缝到屏的距离L有关，所以A、C、D选项正确，B选项错误。(2)固定刻度读数为0.5 mm，可动刻度读数为20.2，所以测量结果为0.5 mm＋20.2×0.01 mm＝0.702 mm。(3)测量头中的分划板中心刻度线与干涉条纹不在同一方向上，由几何知识可知测量头的读数大于条纹间的实际距离。(4)测量头上示数为5×0.05 mm＝0.25 mm；A条纹与B条纹间的中心距离为8.40 mm，共5个条纹间隔，则相邻条纹间隔Δx＝1.68 mm，由Δx＝λ，解得经滤光片射向双缝的色光的波长λ＝4.8×10－7 m。[答案]　(1)ACD　(2)0.702　(3)大于　(4)0.25　4.8×10－7