新高考物理一轮复习精讲精练第14章光第2讲 光的波动性电磁波（2份打包，原卷版+解析版）

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一、光的干涉
1．如果两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉现象。
2．光的双缝干涉
(1)原理如图2所示。
(2)出现亮、暗条纹的条件
①光的路程差r2－r1＝±kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出现亮条纹。
②光的路程差r2－r1＝±(2k＋1)eq \f(λ,2)(k＝0,1,2…)，光屏上出现暗条纹。
(3)相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝eq \f(l,d)λ。
(4)干涉条纹的特点
①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹，如图3所示。
②白光：光屏上出现彩色条纹且中央亮条纹是白色，即发生色散，如图4所示。
3．薄膜干涉
(1)原理：如图5所示，不同位置的薄膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光的路程差不同，叠加后出现明暗相间的条纹。
(2)应用
①增透膜和增反膜。
②利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
二、光的衍射
1．几种典型衍射条纹的特点
(1)单缝衍射：①单色光的衍射图样中间为宽且亮(填特点)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；单色光的波长越长，单缝越窄，中央亮纹越宽。如图7所示。
②白光的衍射图样中间为宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹。其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光，如图8所示，这是光在衍射时的色散。
(2)圆孔衍射：如图9所示，中央是大且亮的圆形光斑，周围分布着明暗相间的不等距圆环，且越靠外，亮圆环越窄越暗。
(3)圆盘衍射(泊松亮斑)：如图10所示，当光照到不透明的半径很小的小圆盘上时，对于一定的波长，在适当的距离上，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．发生明显衍射的条件
在障碍物或狭缝的尺寸与光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会十分明显。在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别。
三、光的偏振
1．偏振
在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这个现象称为“偏振现象”。横波的振动方向称为“偏振方向”。
2．自然光
太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光，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，这种光叫作自然光。如图11所示。
3．偏振光
在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光，叫作偏振光。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。
偏振光并不罕见。除了从太阳、白炽灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光(如图12所示)，入射角变化时偏振的程度也有变化。
四、电磁波的产生、发射、传播和接收
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(如图13所示)。
2．电磁场：变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
3．电磁波
(1)产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。
(2)电磁波是横波，在空间传播不需要介质。
(3)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝3.0×108 m/s。
(4)v＝λf对电磁波同样适用。
(5)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
(6)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论。
五、电磁波谱
1．定义
按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱。
将电磁波按波长从长到短排列顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
2．电磁波谱的特性、应用
考点一、光的干涉现象
例1、如图所示，用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为( )
A．eq \f(c,2f) B．eq \f(3c,2f)
C．eq \f(3c,f) D．eq \f(5c,2f)
例2、(2021·山东卷，7)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是( )
课堂随练
训练1、(2020·山东卷，3)双缝干涉实验装置的截面图如图3所示。光源S到S1、S2的距离相等，O点为S1、S2连线中垂线与光屏的交点。光源S发出的波长为λ的光，经S1出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，经S2出射后直接传播到O点，由S1到O点与由S2到O点，光传播的时间差为Δt。玻璃片厚度为10λ，玻璃对该波长光的折射率为1.5，空气中光速为c，不计光在玻璃片内的反射。以下判断正确的是( )
图3
A．Δt＝eq \f(5λ,c) B．Δt＝eq \f(15λ,2c)
C．Δt＝eq \f(10λ,c) D．Δt＝eq \f(15λ,c)
训练2、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，干涉条纹有如下特点：
(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；
(2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。
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( )
A．变疏 B．变密
C．不变 D．消失
考点二、光的衍射和偏振
1．单缝衍射与双缝干涉的比较
2．光的干涉和衍射的本质
从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，光的干涉和衍射都属于光波的叠加，干涉是从单缝通过两列频率相同的光波在屏上叠加形成的，衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的．
例1、(多选)(2022·天津学业水平等级性考试模拟)下列关于光的性质说法正确的是( )
A．托马斯·杨通过光的单缝衍射实验，证明了光是一种波
B．日落时分，在岸上拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振片可以使影像更清晰
C．马路积水上的油膜呈现彩色图样是光的干涉现象
D．照相机镜头表面涂上增透膜，以增强透射光的强度，是应用了光的全反射现象
例2、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了．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．
(1)偏振片A的作用是_______________________________________．
(2)偏振现象证明了光是一种________．
(3)以下说法中正确的是________．
A．到达O处光的强度会减弱
B．到达O处光的强度不会减弱
C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最强，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处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α
课堂随练
训练1、(2021·北京顺义区统考)以线状白炽灯为光源，通过狭缝观察该光源，可以看到( )
A．黑白相间的条纹，这是光的干涉
B．黑白相间的条纹，这是光的衍射
C．彩色的条纹，这是光的干涉
D．彩色的条纹，这是光的衍射
训练2、(光的偏振、衍射现象)(多选)如图所示，下列说法正确的有( )
A．如图甲，自然光由空气射入水面上，反射光是偏振光
B．如图乙，立体电影的原理和照相机镜头表面涂上增透膜的原理一样
C．如图丙，大头针尖的影子轮廓模糊不清，是光的干涉现象
D．如图丁为光线通过一个不透光的圆盘得到的衍射图样
考点三、电磁波
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
例1、(多选)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
例2、(多选)LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则( )
A．若磁感应强度正在减弱，则电容器正在充电，电流方向由b向a
B．若磁感应强度正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电
C．若磁感应强度正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带正电
D．若磁感应强度正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b
课堂随练
训练1、(2020·高考天津卷，T3)新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较( )
A．红外线的光子能量比紫外线的大
B．真空中红外线的波长比紫外线的长
C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大
D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能
训练2、(2020 ·北京卷，3)随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波( )
A．光子能量更大 B．衍射更明显
C．传播速度更大 D．波长更长
训练3、(2021·浙江6月选考)大功率微波对人和其他生物有一定的杀伤作用。实验表明，当人体单位面积接收的微波功率达到250 W/m2时会引起神经混乱，达到1000 W/m2时会引起心肺功能衰竭。现有一微波武器，其发射功率P＝3×107 W。若发射的微波可视为球面波，则引起神经混乱和心肺功能衰竭的有效攻击的最远距离约为( )
A．100 m 25 m B．100 m 50 m
C．200 m 100 m D．200 m 50 m
同步训练
1、(2020·北京高考)以下现象不属于干涉的是( )
A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样
B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样
C．白光经过三棱镜得到彩色图样
D．白光照射水面油膜呈现彩色图样
2、(2020·海南高考)下列说法正确的是( )
A．单色光在介质中传播时，介质的折射率越大，光的传播速度越小
B．观察者靠近声波波源的过程中，接收到的声波频率小于波源频率
C．同一个双缝干涉实验中，蓝光产生的干涉条纹间距比红光的大
D．两束频率不同的光，可以产生干涉现象
3、(2020·浙江7月选考·4)在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图所示．下列说法正确的是( )
A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线
B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
4、下列说法中正确的是( )
A．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度
B．偏振光的传播方向与振动方向不一定垂直
C．透过转动的偏振片观察玻璃表面、光滑桌面反射来的阳光，能感觉到明暗的变化
D．透过转动的偏振片观察阳光能感觉到明暗的变化
5、关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A．变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场
B．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，法拉第最先用实验证实了电磁波的存在
C．电磁波和机械波都依赖于介质才能传播
D．各种频率的电磁波在真空中的传播速率都相同
6、(2022·北京西城区5月统测)某同学用如图所示的实验装置观察光的干涉现象。他使用绿色的滤光片，在目镜中观察到了一定数量的绿色条纹。若要增加从目镜中观察到的条纹个数，以下措施可行的是( )
A．增大单缝到双缝的距离
B．换用间距更大的双缝
C．换用更长的遮光筒
D．换用红色的滤光片
7、(2022·龙岩3月第一次质量检测)如图所示，把一矩形均匀薄玻璃板ABCD压在另一个矩形平行玻璃板上，一端用薄片垫起，将红单色光从上方射入，这时可以看到明暗相间的条纹，下列关于这些条纹的说法中正确的是( )
A．条纹方向与AB边平行
B．条纹间距不是均匀的，越靠近BC边条纹间距越大
C．减小薄片的厚度，条纹间距变小
D．将红单色光换为蓝单色光照射，则条纹间距变小
8、(多选)[2020·江苏卷，13B(1)]电磁波广泛应用在现代医疗中。下列属于电磁波应用的医用器械有( )
A．杀菌用的紫外灯
B．拍胸片的X光机
C．治疗咽喉炎的超声波雾化器
D．检查血流情况的“彩超”机
9、(2021·江苏省适应性模拟)双缝干涉实验中，用单色光照射双缝，光屏上出现明暗相间的条纹。若使相邻亮条纹之间的距离变小，可采用的办法是( )
A．减小单色光的波长
B．减小两缝之间的距离
C．增大单色光的强度
D．增大双缝到屏的距离
10、(多选)如图所示，图甲是LC振荡回路中电流随时间的变化关系，若以图乙回路中顺时针方向的电流为正，a、b、c、d均为电场能或磁场能最大的时刻，下列说法正确的是( )
A．图乙中的a是电场能最大的时刻，对应图甲中的eq \f(3T,4)时刻
B．图乙中的b是电场能最大的时刻，此后的eq \f(T,4)内电流方向为正
C．图乙中的c是磁场能最大的时刻，对应图甲中的eq \f(T,4)时刻
D．图乙中的d是磁场能最大的时刻，此后电容C的下极板将充上正电荷
11、将一矩形玻璃板水平固定，另一矩形玻璃板一端放在水平玻璃板M端上，另一端与水平玻璃板N端之间插入两张纸片，侧视如图所示．用单色平行光a从上方竖直射入，从上方可以观察到明暗相间的条纹．换用单色平行光b从上方竖直射入，观察到条纹间距变小，下列说法正确的是( )
A．明暗条纹与MN平行
B．抽去一张纸片，条纹间距变小
C．a光的频率大于b光的频率
D．遇到相同障碍物时，a光比b光产生的衍射现象更明显
12、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
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
小于3×1011
大于10－3
波动性强，易发生衍射
无线电技术
红外线
1011～1015
10－3～10－7
eq \x(\s\up1(02))热效应
红外线遥感
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、eq \x(\s\up1(03))荧光效应、能杀菌
医用消毒、防伪
X射线
1016～1019
10－8～10－11
穿透能力强
检查、医用透视
γ射线
大于1019
小于10－11
穿透能力最强
工业探伤、医用治疗
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，亮度基本相同
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
名称
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；在介质中波速较小
在空气中不大(如声波波速在空气中约为340 m/s)；在液体和固体中较大
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)
传播能量
电磁能
机械能