2023版（教科版）高考步步高大一轮复习讲义第十四章 机械振动与机械波 光 电磁波与相对论

第4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。
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：让自然光通过偏振片形成偏振光；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。
【自测1】 (多选)下列属于光的干涉现象的是(　　)

答案　BC
解析　图A属于单缝衍射，图B属于薄膜干涉，图C属于薄膜干涉，图D属于白光的色散，故B、C正确。
二、电磁波和相对论
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，要对传输信号进行调制(调幅或调频)。
(2)调制方式：
调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。
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做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路。
(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做检波。检波是调制的逆过程，也叫做解调。
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成谱叫做电磁波谱。
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。
6.相对论
(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。
(3)质速关系
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＝。物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0。
(4)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。
【自测2】 关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息，声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
答案　B

考点一　光的干涉现象
1.双缝干涉
(1)条纹间距公式：Δx＝λ，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。
(2)明暗条纹的判断方法
如图1所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr＝r2－r1。

图1
当Δr＝kλ(k＝0，1，2…)时，光屏上P′处出现亮条纹。
当Δr＝(2k＋1)(k＝0，1，2…)时，光屏上P′处出现暗条纹。
2.薄膜干涉
(1)形成原因：如图2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。

图2
(2)亮暗条纹的判断方法
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…)，薄膜上出现亮条纹。
在Q处，Δr＝(2n＋1)(n＝0，1，2，3…)，薄膜上出现暗条纹。

1.(光的双缝干涉)(多选)如图3所示，在利用双缝干涉测量光的波长的实验中，单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点位于双缝S1和S2的中垂线上，屏上P点处在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，若整个装置处于真空中，则下列说法正确的是(　　)

图3
A.P点到双缝S1和S2的路程差为3λ
B.来自双缝S1和S2的光传播到P点处的时间差为
C.屏上P点和P0点之间仅能观察到两条暗条纹
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
E.仅将屏向右(保持P0在双缝的中垂线上)移动的过程中，P点处能观察到暗条纹
答案　ABE
解析　来自双缝S1和S2的光传播到P点处的路程差为3λ，则时间差为，选项A、B正确；由题意可知，屏上P点和P0点之间能观察到三条暗条纹，选项C错误；根据Δx＝λ可知，仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中，条纹间距不变，则P点处仍是亮条纹，选项D错误；根据Δx＝λ可知，仅将屏向右(保持P0在双缝的中垂线上)移动的过程中，l变大，则条纹间距变大，则P点处能观察到暗条纹，选项E正确。
2.(薄膜干涉)(2021·山东卷)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图4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(　　)

图4

答案　D
解析　从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为Δx＝2d，即光程差为薄膜厚度的2倍，当光程差Δx＝nλ时，此处出现亮条纹，相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为λ，在图中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大，薄膜层的厚度逐渐变小，因条纹宽度逐渐变宽，则薄膜的厚度不是均匀减小，故选项D正确。
考点二　光的衍射现象
1.单缝衍射与双缝干涉的比较

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
2.光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的。

3.(光的衍射的理解)(2019·江苏卷)将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的________(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度________(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。
答案　衍射　接近
解析　通过两支并排放在一起的铅笔观察与其平行的日光灯，看到的彩色条纹是单缝衍射条纹；产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸跟波长相等或相差不多。
4.(光的衍射的应用)(多选)雾霾天气严重影响人们的身体健康，雾霾天气时能见度只有几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下(　　)
A.只有波长较短的一部分光才能到达地面
B.只有波长较长的一部分光才能到达地面
C.只有频率较大的一部分光才能到达地面
D.只有频率较小的一部分光才能到达地面
答案　BD
解析　根据光发生明显衍射的条件，雾霾天气时，只有波长较长、频率较小的一部分光发生衍射绕过空气中的颗粒物到达地面，选项A、C错误，B、D正确。
考点三　光的偏振
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

5.(多选)食品安全检验中碳水化合物(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5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(　　)

图5
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
答案　ACD
解析　偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度α，所以到达O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；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，故C正确；同理，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，故D正确。
考点四　电磁波与相对论
1.电磁波与机械波的主要区别
(1)电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质。
(2)电磁波是横波，机械波可能是横波，也可能是纵波。
2.电磁波谱的特性及应用
电磁波谱
特性
应用
递变规律
无线电波
容易发生衍射
通信和广播

红外线
热效应
红外线遥感
可见光
引起视觉
照明等
紫外线
荧光效应，能杀菌
灭菌消毒、防伪
X射线
穿透能力强
医用透视、安检
γ射线
穿透能力很强
工业探伤、医用治疗

6.(电磁波的产生及传播)(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
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
答案　ABC
解析　电磁波在真空中传播的速度均为光速，与频率无关，选项A正确；电磁波是变化的电场和变化的磁场互相激发得到的，选项B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，选项C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，选项D错误；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，选项E错误。
7.(电磁波的应用)(多选)(2020·江苏卷)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
答案　AB
解析　紫外线和X光从本质上说是电磁波，A、B项正确；治疗咽喉炎的超声波雾化器和检查血流情况的“彩超”机用的都是超声波，超声波属于机械波，C、D项错误。
考点五　实验十六：用双缝干涉实验测量光的波长
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)条纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光波长λ之间满足λ＝Δx。
2.观察双缝干涉图样
(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图6所示。

图6
(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，使光源灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏。
(4)安装单缝和双缝，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上，使单缝与双缝平行，二者间距约为5～10 cm。
(5)在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。
3.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，记下此时手轮上的读数，将该条纹记为第1条亮条纹；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，将该条纹记为第n条亮条纹。
(3)用刻度尺测量双缝与光屏间距离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。
4.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。
5.注意事项
(1)安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当。
(2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。
(3)调节的基本依据：照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴所致；干涉条纹不清晰，一般原因是单缝与双缝不平行所致。
【真题示例】 (2021·浙江6月选考)图7所示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置。实验中：

图7
(1)观察到较模糊的干涉条纹，要使条纹变得清晰，值得尝试的是________(单选)。
A.旋转测量头
B.增大单缝与双缝间的距离
C.调节拨杆使单缝与双缝平行
(2)要增大观察到的条纹间距，正确的做法是________(单选)。
A.减小单缝与光源间的距离
B.减小单缝与双缝间的距离
C.增大透镜与单缝间的距离
D.增大双缝与测量头间的距离
答案　(1)C　(2)D
解析　(1)若粗调后看不到清晰的干涉条纹，看到的是模糊不清的条纹，则最可能的原因是单缝与双缝不平行，要使条纹变得清晰，值得尝试的是调节拨杆使单缝与双缝平行，故C正确。
(2)根据Δx＝λ可知要增大条纹间距可以增大双缝到测量头间的距离l，减小双缝的间距d，故D正确。

8.在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，实验装置如图8所示。

图8
(1)(多选)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9甲所示，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，如图乙所示。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。

图9
答案　(1)AD　(2)0.700　(3)大于
解析　(1)为了获得清晰的干涉的亮条纹，灯丝与单缝和双缝必须平行放置，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