2021届高考物理一轮复习学案：第14章第4节　光的波动性　电磁波　相对论

第4节　光的波动性　电磁波　相对论

一、光的干涉、衍射及偏振

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、电磁场　电磁波　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。

1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)

(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)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。 (×)

(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。 (√)

(7)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。 (√)

2．(多选)在五彩缤纷的大自然中，我们常常会见到一些彩色光的现象，下列现象中属于光的干涉的是(　　)

A．洒水车喷出的水珠在阳光照耀下出现的彩色现象

B．小孩儿吹出的肥皂泡在阳光照耀下出现的彩色现象

C．雨后天晴马路上油膜在阳光照耀下出现的彩色现象

D．用游标卡尺两测量爪的狭缝观察日光灯的灯光出现的彩色现象

E．实验室用双缝实验得到的彩色条纹

BCE　[A属于光的色散现象；B、C属于光的薄膜干涉现象；D属于光的单缝衍射现象；E属于光的双缝干涉现象。]

3．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．“3D电影”的播放和观看利用了光的衍射

B．色散现象表明白光是复色光

C．泊松亮斑是光的干涉现象

D．增透膜的厚度应为入射光在增透膜中波长的

E．光的偏振现象表明光是横波

BDE　[“3D电影”利用光的偏振现象，选项A错误；泊松亮斑是光的衍射现象，选项C错误。]

4．(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

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。]

5．在观察光的双缝干涉现象的实验中：

(1)将激光束照在如图乙所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图甲中的________。

甲　　　　　　　乙

(2)换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将________；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将________(以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”)。

[解析]　(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，A图正确。

(2)根据Δx＝λ知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄。

[答案]　(1)A　(2)变宽　变窄

光的干涉、衍射及偏振　[分考向训练]

1．光的干涉、衍射比较

2.亮暗条纹的判断方法

(1)如图所示，光源S1、S2发生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

　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

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。]

2．如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10－6 m，今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？

(1)已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7 m；

(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)。

[解析]　(1)设A光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，

由n＝＝得

λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7 m＝6×10－7 m

根据路程差Δx＝2.1×10－6 m

所以N1＝＝＝3.5

由此可知，从S1和S2到P点的路程差Δx是波长λ1的3.5倍，所以P点为暗条纹。

(2)根据临界角与折射率的关系sin C＝得

n′＝＝

由此可知，B光在空气中波长λ3为

λ3＝n′λ介＝×3.15×10－7 m＝5.25×10－7 m

所以N2＝＝＝4

可见，用B光做光源，P点为亮条纹。

[答案]　(1)暗条纹　(2)亮条纹

　光的衍射

3．(多选)关于光的衍射现象，下面说法正确的是(　　)

A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

B．白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹

C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射

D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，不存在光的衍射

E．在单缝衍射中增大单缝到屏的距离，衍射条纹变宽

ACE　[单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，A正确；白光的衍射图样是彩色条纹，故B错误；光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现亮点，是衍射现象，故C正确；光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在光的衍射现象，D错误；与双缝干涉相似，增大单缝到屏的距离，衍射条纹变宽，故E正确。]

4．(2019·日照模拟)光传感器可用来测量光屏上的光强分布。如图甲所示为某同学利用单缝做的一个光学实验，图乙为该同学使用光传感器对该实验所采集到的光屏上的光强分布图象，则该同学所做的实验是光的________(选填“干涉”或“衍射”)实验；根据图乙可以看出，光屏上中央亮条纹的光强分布特点是_____________。

甲　　　　　　　　乙

[解析]　由图乙可知，条纹中间亮、两边窄，是衍射条纹；根据光的衍射原理，则光屏上中央亮条纹的光强分布特点是中间强两边弱。

[答案]　衍射　中间强两边弱

　光的偏振

5．(多选)如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则(　　)

A．图中a光为自然光

B．图中a光为偏振光

C．图中b光为偏振光

D．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮

E．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮

ACE　[自然光沿各个方向发散是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光。从电灯直接发出的光为自然光，A对，B错；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则C对；设通过A的光沿竖直方向振动，P点无光亮，则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，将B转过180°后，P处仍无光亮，D错；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，E对。]

电磁波　相对论　[依题组训练]

1．(多选)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

E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信

ABE　[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。]

2．(多选)关于机械波、电磁波和相对论的下列说法正确的是(　　)

A．机械波和电磁波在介质中的传播速度仅由介质决定

B．假设火车以接近光速的速度通过站台，站台上的旅客观察到车上的乘客变矮了

C．简谐机械波传播时单位时间内经过介质中某点的完全波的个数就是这列波的频率

D．用光导纤维束传播图象信息利用了光的全反射

E．在真空中传播的两列电磁波，频率大的波长短

CDE　[机械波在介质中的传播速度由介质决定，与波的频率无关，电磁波在介质中的传播速度与介质和波的频率均有关，选项A错误；火车以接近光速的速度通过站台时，站台上的旅客观察到车上的乘客变瘦了，而不是变矮，选项B错误；简谐波的振动周期与传播周期相同，故单位时间内经过介质中某点的完全波的个数就是这列简谐波的频率，选项C正确；光导纤维束是用全反射来传输图象信息的，选项D正确；在真空中传播的两列电磁波，传播速度相同，由v＝＝λf知，频率越大，波长越短，选项E正确。]

3．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)。地面上的人测得它们相距为L，则飞船A上的人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，飞船A上的人测得该信号的速度为________。

[解析]　狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理，因此飞船A上的人测得信号的速度仍等于c(或光速)，以地面为参考系，在运动方向有尺缩效应现象，而B相对A是静止的，没有尺缩效应现象，则飞船A上的人测得两飞船距离应大于L。

[答案]　大于　c(或光速)

实验：用双缝干涉测光的波长　[依题组训练]

1．实验装置图及实验器材

双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。

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。

[题组训练]

1．在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，实验装置如图甲所示。

甲

(1)某同学以线状白炽灯为光源，对实验装置进行调节并观察了实验现象后，总结出以下几点，正确的是(　　)

A．灯丝与单缝和双缝必须平行放置

B．干涉条纹与双缝垂直

C．干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关

D．干涉条纹的间距与光的波长有关

(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时，手轮上的示数如图乙所示，该读数为________mm。

(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图丙所示。则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值。

乙　　　　　　　丙

[解析]　(1)为了获得清晰的干涉的亮条纹，A正确；干涉条纹与双缝平行，B错误；干涉条纹的间距Δx＝λ与单缝宽度无关，与光的波长有关，C错误，D正确。

(2)手轮的读数为0.5 mm＋20.0×0.01 mm＝0.700 mm。

(3)条纹与分划板不平行时，实际值Δx实＝Δx测cos θ，θ为条纹与分划板间的夹角，故Δx实<Δx测。

[答案]　(1)AD　(2)0.700　(3)大于

2．在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上，如图甲所示，并选用缝间距d＝0.2 mm的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离l＝700 mm。然后，接通电源使光源正常工作。

甲

乙　　　　　　　　丙

(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50个分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一次映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示，图乙(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图乙(b)中游标尺上的读数x1＝1.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图丙(a)所示，此时图丙(b)中游标尺上的读数x2＝________mm。

(2)利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx＝________mm；这种色光的波长λ＝________nm。

[解析]　(1)由游标尺的读数规则可知：

x2＝(15.0＋1×0.02)mm＝15.02 mm。

(2)题图乙(a)中暗纹与题图丙(a)中暗纹间的间隔为6个，故Δx＝＝2.31 mm；

由Δx＝λ可知λ＝＝660 nm。

[答案]　(1)15.02　(2)2.31　660