高考物理一轮复习 第14章 第4节 第4节　光的波动性　电磁波　相对论

这是一份高考物理一轮复习 第14章 第4节 第4节　光的波动性　电磁波　相对论，共11页。试卷主要包含了条件，双缝干涉，注意事项等内容，欢迎下载使用。


知识点1 光的干涉
1．条件
两列光的频率相同，相位和振动情况都完全相同的光相遇．
2．双缝干涉
(1)条纹间距公式：Δx＝eq \f(L,d)λ，其中λ为波长，d为双缝间距，l为双缝到屏的距离．
(2)薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂膜)前后两表面的反射光波相遇而形成的干涉．
知识点2 光的衍射
1．光发生明显衍射的条件
当障碍物的尺寸跟光的波长相比相差不多，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
单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹宽度比中央窄且暗；白光的衍射图样为中间宽且亮的白色条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹．
知识点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，这种光叫自然光．如由太阳、电灯等普通光源发出的光．
2．偏振光
在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动的光．如自然光经偏振片作用后的光．
知识点4 电磁波的特点和狭义相对论
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＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)).
②长度的相对性
l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2).
(3)相对论速度变换公式：u＝eq \f(u′＋v,1＋\f(u′v,c2)).
(4)质能方程：E＝mc2.
知识点5 实验：用双缝干涉测光的波长
1．实验装置(如图14­4­1所示)
图14­4­1
2．实验原理
(1)根据公式Δx＝eq \f(l,d)λ得λ＝eq \f(d,l)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＝eq \f(a,n－1).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．
1.杨氏双缝干涉
(1)原理(如图14­4­2所示)
图14­4­2
(2)明、暗条纹的条件：
①单色光
a．光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹．
b．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．
②白光：光屏上出现彩色条纹．
(3)条纹间距公式：Δx＝eq \f(l,d)λ.
2．薄膜干涉
(1)薄膜特点：如图14­4­3所示，由于重力作用，薄膜上薄下厚．
图14­4­3
(2)相干光线：薄膜前表面AA′和后表面BB′的反射光线叠加．
(3)亮纹条件：在P1、P2处，薄膜厚度的2倍为前后表面反射光的光程差，当光程差等于波长整数倍时，形成亮条纹．
(4)暗纹条件：在Q处，光程差等于半波长的奇数倍时，形成暗条纹．
3．单缝衍射与双缝干涉的比较
4.自然光和偏振光的比较
[题组通关]
1．(2017·吉林模拟)下列说法正确的是( )
A．光在介质中传播的速度仅由介质本身所决定
B．雨后路面上的油膜形成的彩色条纹是由光的干涉形成的
C．杨氏双缝干涉实验中，当两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定时，红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距小
D．光的偏振特征说明光是横波
E．水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故
BDE [光在介质中传播的速度由介质本身及光的频率共同决定，故A错误．油膜形成的彩色条纹，是油膜的前后表面反射光，进行光的叠加，形成的干涉条纹，故B正确．根据光的干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ可知，红光的波长长，则红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距大，故C错误．光的偏振现象说明光是一种横波而不是纵波，故D正确．水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，即从光密介质射向光疏介质时，一部分光在界面上发生了全反射，故E正确．]
2．(2017·河南省实验中学模拟)下列关于光的说法中正确的是( )
A．雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生全反射形成的
B．“和谐号”动车组高速行驶时，地面上测得其车厢长度将明显变短
C．在双缝干涉实验中，用红光代替黄光作为入射光可增大干涉条纹的间距
D．白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的波长不同
E．光从一种介质进入另一种介质发生折射是因为光在不同介质中的传播速度不同
CDE [雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的，故A错误；“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远小于光速c，故狭义相对论的“尺缩效应”不明显，车厢长度不会明显变短，故B错误；双缝干涉实验中，用红光代替黄光后，波长变长，则导致干涉条纹的间距增大，故C正确；白光通过双缝后产生干涉，因波长不一，导致干涉条纹间距不同，从而出现彩色条纹，故D正确；光从一种介质进入另一种介质发生折射是因为光在不同介质的折射率不同，根据c＝nv，可知，传播速度也不同，故E正确．]
分析光的干涉、衍射及偏振的几点注意
1．白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同．
2．区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分．
3．光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理．在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹．
4．不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了．
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

4.对“同时”的相对性的理解
(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．
(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的．
[题组通关]
1．下列说法错误的是( )
A．根据狭义相对论可知，时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关
B．波的图象表示介质中“某个质点”在“各个时刻”的位移
C．当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的波的频率比波源频率小
D．在波的传播过程中，质点没有随波传播走，但能量和运动形式可以传播走
E．电磁波具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，但不会发生多普勒效应
ABE [根据狭义相对论，时间也是相对的，A错误；波的图象表示介质中“所有质点”在“同一时刻”的位置，B错误；由多普勒效应可知，当波源与观察者相互远离时，观察者接收到波的频率比波源频率小，C正确；在波的传播过程中，传播的就是运动形式和能量，D正确；电磁波具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，也会发生多普勒效应，E错误．]
2．(2016·全国甲卷)关于电磁波，下列说法正确的是( )
【导学号：92492432】
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祖互激发，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．]
对电磁波的三点说明
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.
3．不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的．
[母题] 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14­4­4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．
图14­4­4
(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)本实验的实验步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②按合理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用米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)测量数条亮纹间的距离．
在操作步骤②时还应注意_____________________________________
和__________________________________________________________．
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图14­4­5甲所示．然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数______________mm，求得相邻亮纹的间距Δx为____________mm.
甲 乙
图14­4­5
(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算公式λ＝________，求得所测红光波长为________mm.
【解析】 (1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为：光源、滤光片、单缝、双缝、屏，因此应填：E、D、B.
(2)单缝与双缝的间距为5 cm～10 cm；使单缝与双缝相互平行
(3)甲图的读数为2.320 mm
乙图的读数为13.870 mm
Δx＝eq \f(13.870－2.320,6－1) mm＝2.310 mm.
(4)由Δx＝eq \f(l,d)λ可得：λ＝eq \f(d,l)Δx
可求出λ＝eq \f(2.0×10－4,0.700)×2.310 mm＝6.6×10－4 mm.
【答案】 (1)E、D、B (2)单缝与双缝的间距为5 cm～10 cm 使单缝与双缝相互平行 (3)13.870 2.310 (4)eq \f(d,l)Δx 6.6×10－4
[母题迁移]
(2017·宁德模拟)在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，光具座上放置的光学元件如图14­4­6所示．
图14­4­6
(1)图中②③④光学元件分别是( )
A．滤光片、单缝、双缝
B．单缝、双缝、滤光片
C．双缝、滤光片、单缝
D．单缝、滤光片、双缝
(2)以下操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间距离的是( )
A．将红色滤光片改为绿色滤光片
B．增大双缝之间的距离
C．减小④和⑥之间的距离
D．增大④和⑥之间的距离
【解析】 (1)A [在该装置中，用双缝干涉测定光的波长，由于灯泡发出的光是复色光，需要分离出某种单色光，因此，灯泡前面应该放置滤光片将某种单色光分离出，分离出的单色光经过单缝变成单色线光源，然后再经过双缝变成振动步调完全一致的单色相干光，到达光屏上形成干涉条纹．按正确的放置位置，选项A正确．]
(2)D [根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ可知，影响条纹宽度的因素有双缝到光屏的距离l，双缝间距离d以及干涉光的波长λ，要增大亮纹间距需要增加双缝到光屏的距离l，选项C错误，选项D正确；若增大双缝之间的距离，亮纹间距会减小，选项B错误；若将红色滤光片改为绿色滤光片，干涉光的波长变短，亮纹间距变小，选项A错误．]
1．数据处理
(1)条纹间距的计算：移动测量头的手轮，分划板中央刻线在第1条亮条纹中央时读数为a1，在第n条亮条纹中央时读数为an，则Δx＝eq \f(an－a1,n－1).
(2)根据条纹间距与波长的关系Δx＝eq \f(l,d)λ得λ＝eq \f(d,l)Δx，其中d为双缝间距，l为双缝到屏的距离．
(3)测量时需测量多组数据，求λ的平均值．
2．误差分析
(1)双缝到屏的距离l的测量存在误差．
(2)测条纹间距Δx带来的误差：
①干涉条纹没有调整到最清晰的程度．
②误认为Δx为亮(暗)条纹的宽度．
③分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心．
④测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清．

光的干涉、衍射及偏振
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，亮度基本相等
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
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过起偏振器后的光
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
电磁场与电磁波 相对论
用双缝干涉测光的波长