高考物理一轮复习第13章第2节光的波动性电磁波相对论课时学案

这是一份高考物理一轮复习第13章第2节光的波动性电磁波相对论课时学案，共16页。学案主要包含了光的干涉，电磁波，相对论等内容，欢迎下载使用。


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。
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)偏振光的形成
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。
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
(1)电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波。
(2)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波的传播速度相同(都等于光速)。
(3)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。
(4)v＝λf，f是电磁波的频率。
3．电磁波的发射
(1)发射条件：开放电路和高频振荡信号，所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)。
(2)调制方式
①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。
②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。
4．无线电波的接收
(1)当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率相等时，激起的振荡电流最强，这就是电谐振现象。
(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐。
(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫作检波。检波是调制的逆过程，也叫作解调。
5．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起来就是电磁波谱。
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＝eq \f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))eq \s\up12(2)))。
(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。
一、易错易混辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)只有横波才能产生干涉和衍射现象。(×)
(2)太阳光通过三棱镜形成彩色光谱，这是光的干涉现象。(×)
(3)光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象。(√)
(4)光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变小。(√)
(5)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场，电场向外传播便形成了电磁波。(×)
(6)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。(√)
二、教材习题衍生
1．(人教版选择性必修第一册改编)劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹( )
甲 乙
A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失
A [如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，A正确。]
2．(人教版选择性必修第一册改编)如图，A、B两图是由单色光分别入射到A圆孔和B圆孔形成的图像，由两图可以得出( )
A B
A．A图是衍射图像，A孔直径小于B孔直径
B．A图是干涉图像，A孔直径大于B孔直径
C．B图是衍射图像，A孔直径小于B孔直径
D．B图是干涉图像，A孔直径大于B孔直径
A [干涉出现的明暗相间条纹宽度是均匀的，而A图中出现明暗相间，间隔不均匀的条纹，所以A图为衍射图样，小孔越小，衍射越明显；B图是光沿直线传播的图样，所以A孔直径小于B孔直径，A正确，B、C、D错误。]
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)明暗条纹的判断方法：
如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr＝r2－r1。
当Δr＝kλ(k＝0，1，2，…)时，光屏上P′处出现明条纹。
当Δr＝(2k＋1)eq \f(λ,2)(k＝0，1，2，…)时，光屏上P′处出现暗条纹。
(3)用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白色条纹，两侧为彩色条纹。
(4)双缝干涉形成的条纹是等间距的，两个相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝eq \f(l,d)λ。
2．薄膜干涉
(1)形成原因：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。光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。
(2)明暗条纹的判断方法：
两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr，等于薄膜厚度的2倍。
在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1，2，3，…)，薄膜上出现明条纹。
在Q处，Δr＝(2n＋1)eq \f(λ,2)(n＝0，1，2，3，…)，薄膜上出现暗条纹。
(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)薄膜干涉的应用。
①干涉法检查平面：如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。
被检查平面
②矮人行走法巧判“凹凸”现象：让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被检板，头顶样板，在行走过程中：
a．若遇一凹下，他必向薄膜的尖端方向去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下(如图中P点)。
b．若遇一凸起，他必向薄膜的底部方向去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起(如图中Q点)。
双缝干涉
[典例1] 某一质检部门为检测一批矿泉水的质量，利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器中，放置在双缝与荧光屏之间(之前为真空)，如图所示，特制容器未画出，通过对比填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点均位于双缝S1和S2的中垂线上，屏上P点处是P0上方的第3条亮条纹(不包括P0点处的亮条纹)的中心。已知入射光在真空中的波长为λ，真空中的光速为c，双缝S1与S2之间距离为d，双缝到屏的距离为L，则下列说法正确的是( )
A．来自双缝S1和S2的光传播到P点处的时间差为eq \f(3λ,c)
B．x2>x1
C．该矿泉水的折射率为eq \f(x1,x2)
D．仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中，P点处能观察到暗条纹
C [第三条亮条纹对应路程差s＝3λ，但光在介质中的传播速度小于c，故A错误；由x＝eq \f(L,d)λ，n＝eq \f(c,v)＝eq \f(λ,λ0)可知(λ0为光在矿泉水中的波长)，光在矿泉水中的波长小于真空中的波长，所以x2 薄膜干涉
[典例2] (多选)(2022·山东青岛市高三模拟)光的干涉现象在技术中有重要应用。一顶角极大的圆锥形玻璃体，倒立在表面平整的标准板上，其截面如图甲。单色光从上方垂直玻璃的上表面射向玻璃体，沿光的入射方向看到明暗相间的干涉条纹。下列说法正确的是( )
甲 乙
A．条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀
B．条纹是以顶点为圆心的同心圆，且中间疏，边缘密
C．产生干涉的两束光是来自玻璃体上表面和侧面的反射光
D．若出现乙图所示条纹，则说明玻璃体侧面上有凸起
AD [空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，依据光程差是光的半个波长的偶数倍即为明条纹，而其是光的半个波长的奇数倍即为暗条纹，因圆锥形玻璃体压在平面标准板上，以顶点为圆心的各点空气薄膜间距相等且随半径的方向均匀变化，因此可以看到条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀，故A正确，B错误；产生干涉的两束光是来自玻璃体的下表面和平面标准板上表面的反射光，C错误；空气薄膜干涉是等膜干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，若出现乙图所示条纹，说明该处光的路程差和内侧的路程差相等，即该处出现凸起，D正确。故选AD。]
[跟进训练]
1．(双缝干涉)(2021·湖北卷)如图所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光，透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则( )
A．λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置
B．λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置
C．λ1>λ2，M是波长为λ1的光出射位置
D．λ1>λ2，N是波长为λ1的光出射位置
D [根据双缝干涉相邻亮条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ和题图信息可知，P1对应的光的波长较长，即λ1>λ2；从M射出的光的偏折程度大于从N射出的光的偏折程度，所以从M射出的光的折射率大于从N射出的光的折射率，从M射出的光的频率大于从N射出的光的频率，根据公式c＝λν知，从M射出的光的波长小于从N射出的光的波长，则N是波长为λ1的光出射位置，故D正确。]
2．(薄膜干涉)(多选)利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度。如图甲所示，现使透明标准板M和待检工件N间形成一楔形空气薄层，并用单色光照射，可观察到如图乙所示的干涉条纹，条纹的弯曲处P和Q对应于A和B处，下列判断正确的是( )
A．N的上表面A处向上凸起
B．N的上表面B处向上凸起
C．条纹的c、d点对应处的薄膜厚度相同
D．条纹的d、e点对应处的薄膜厚度相同
BC [薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同。从弯曲的条纹可知，A处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知A处凹陷，B处检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知B处凸起，故A错误，B正确；由题图可知，c、d点在同一条纹上，则条纹的c、d点对应处的薄膜厚度相同，C正确；d、e点不在同一条纹上，所以对应的薄膜厚度不同，D错误。]
光的衍射和偏振现象
1．三种不同的衍射现象的特点
(1)单缝衍射图样的四个特点：
①中央条纹亮而宽；
②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱；
③波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大，单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大；
④白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。
(2)圆孔衍射图样的两个特点：
①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外，圆环亮度越低。
②白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。
(3)泊松亮斑图样的特点：
圆形阴影中心有一亮斑，圆形阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。与小孔衍射图样有明显区别。
2．光的偏振
(1)自然光与偏振光的比较：
(2)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。
[题组突破]
1．(光的衍射)在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏，如图所示。用单色平行光照射狭缝，下图哪幅最可能是在一次单缝衍射实验中狭缝较窄时拍摄的照片( )
A． B．
C． D．
A [用单色平行光照射狭缝，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，故B错误，A正确；C、D照片为双缝干涉图样，故C、D错误。故选A。]
2．(光的偏振)(多选)奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间。以下说法中正确的是( )
自然光源 偏振片 被测样品 偏振片
A．到达O处光的强度会明显减弱
B．到达O处光的强度不会明显减弱
C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于α
D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α
ACD [因为A、B的透振方向一致，故A、B间不放糖溶液时，自然光通过偏振片A后变成偏振光，通过B后到O处。当在A、B间加上糖溶液时，由于糖溶液的旋光作用，使通过A的偏振光的振动方向转动了一定角度，使通过B到达O处的光的强度不是最大，但当B转过一个角度，恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光的振动方向一致时，O处光强又为最强，故B的旋转角度即糖溶液的旋光度。若偏振片B不动而将A旋转一个角度，再经糖溶液旋光后光的振动方向恰与B的透振方向一致，则A转过的角度也为α，故A、C、D三项正确。]
电磁振荡 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，如图所示。
(2)电磁波与机械波的比较
3．对狭义相对论的理解
(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。
(3)运动物体的长度和物理过程的快慢都跟物体的运动状态有关。
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。
[题组突破]
1．(电磁振荡)近场通信是一种短距高频的无线电技术，其主要结构就是线圈和电容器组成的类似LC振荡电路的并联谐振电路，其终端有主动、被动和双向三种模式，最常见的被动模式广泛应用于公交卡、门禁卡、校园一卡通等，刷卡时，电路发生电谐振，给电容器充电，达到一定电压后，在读卡设备发出的射频场中响应，被读或写入信息。下列说法正确的是( )
A．LC电路的电容器在充电时，电流增大
B．如果增大LC电路中电容器两极板间距离，振荡周期将增大
C．LC电路中，电容器充电时，线圈中自感电动势增大
D．电磁波发射时，使电磁波随各种信号而改变的技术叫电谐振
C [LC电路的电容器在充电时，电流减小，故A错误；根据T＝2πeq \r(LC)可知，因为两极板间距离d增大时C减小，所以T减小，故B错误；电容器充电时，电流减小得越来越快，线圈中自感电动势增大，故C正确；电磁波发射时，使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，故D错误。故选C。]
2．(电磁波的应用)在公共场所常用测温枪为出入人员测温，测温枪是通过传感器接收红外线，得出感应温度数据，使用时只要将测温枪靠近皮肤表面，修正皮肤与实际体温的温差便能准确显示体温，下列说法正确的是( )
A．测温枪利用的红外线也可用于杀菌消毒
B．红外线是波长比紫外线长的电磁波
C．红外线的穿透能力很强，接受红外线照射是会伤害身体的
D．红外线的频率大于X光的频率
B [紫外线可用于杀菌消毒，红外线具有热效应，故A错误；红外线的波长比红光的波长要长，而紫外线的波长比紫光的波长还要短，所以红外线是波长比紫外线长的电磁波，故B正确；人们利用红外线来测温，是利用红外线的热效应，因为红外线波长长，更容易发生衍射，红外线的穿透能力较弱，接受红外线照射是不会伤害身体的，故C错误；红外线的频率小于X光的频率，X光的频率很高，在医学上用来透视，故D错误。]
3．(光速不变)如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们的距离为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________。
[解析] 从地面上测量时两飞船都是运动的，由相对论的“尺缩效应”知运动长度要缩短，故从地面测得的飞船间距小，从飞船A测量时飞船B是静止的，则A测得的长度为以静止参考系长度，大于L；由光速不变原理知光信号的传播速度与参考系是无关的，故A测得该信号的速度仍为光速c。
[答案] 大于 c(或光速)
自然光
偏振光
成因
从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光
自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光
振动
方向
在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动
在垂直于传播方向的平面内，有且只有一个振动方向
经偏振片
后现象比较
如图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化
如图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗
项目
电磁波
机械波
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
波的特点
横波
纵波或横波
波速
在真空中等于光速c＝3×108 m/s，在介质中与频率有关
与介质有关，与频率无关
是否需要
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)
能量传播
电磁能
机械能