人教版高考物理一轮复习第13章机械振动与机械波光电磁波与相对论第4讲光的波动性电磁波相对论学案

第4讲　光的波动性　电磁波　相对论

知识点1　光的干涉

1．产生条件

两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。

2．两种典型的干涉

(1)杨氏双缝干涉。

①原理如图所示。

②明、暗条纹的条件。

(Ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹。

a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹。

b．光的路程差Δr＝r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2，…)，光屏上出现暗条纹。

(Ⅱ)白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。

③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝λ。

(2)薄膜干涉。

①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波。

②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。

知识点2　光的衍射

1．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。

2．衍射条纹的特点：

(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较。

(2)泊松亮斑(圆盘衍射)：

当光照射到不透明的半径很小的小圆盘上时，在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)。

知识点3　光的偏振

1．偏振现象

横波只沿某一特定方向振动，称为波的偏振现象。

2．自然光

若光源发出的光，包含着在垂直于光传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

3．偏振光

在垂直于光传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫偏振光。

例如：自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。见示意图。

知识点4　电磁波与相对论

1．电磁波的产生

(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。

(2)电磁场

变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场。

(3)电磁波

电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波。

①电磁波是横波，在空间传播不需要介质；

②真空中电磁波的速度为3.0×108 m/s；

③v＝λf对电磁波同样适用。

④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。

2．电磁波的发射和接收

(1)发射电磁波的条件

①要有足够高的振荡频率。

②电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。

(2)调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程。

(3)电磁波谱

①定义：按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。

②电磁波谱的特性、应用

3．狭义相对论

(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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。

(2)相对论的质速关系

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＝。

②物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0。

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。

双基自测

一、堵点疏通

1．光的颜色取决于折射率。(　×　)

2．只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(　√　)

3．在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(　×　)

4．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。(　×　)

5．自然光是偏振光。(　×　)

6．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(　×　)

7．无线电波不能发生干涉和衍射现象。(　×　)

8．波长不同的电磁波在本质上完全不同。(　×　)

9．真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(　×　)

二、对点激活

1．下列现象中，属于光的干涉现象的是(　A　)

A．肥皂泡上的彩色条纹

B．雨后天边出现彩虹

C．早晨东方的天边出现红色朝霞

D．荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮

[解析]　肥皂泡上的彩色条纹属于干涉现象，雨后彩虹属于光的色散现象，朝霞属于光的折射现象，水珠晶莹透亮属于全反射现象，故只有A正确。

2．在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹。若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这时可以观察到的现象是(　C　)

A．只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失

B．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在

C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮

D．屏上无任何光亮

[解析]　只有频率相同的光才能发生干涉，形成稳定的干涉条纹，故A、B错误；屏上没有干涉条纹，但屏上仍有光亮，故C正确，D错误。

3．将两个紧靠在一起的偏振片放在一盏灯的前面，此时没有光通过。如果将其中的一个偏振片逐渐旋转180°，在旋转过程中，将会产生的现象是(　A　)

A．透过偏振片的光先增强，然后又减弱到零

B．透过偏振片的光先增强，然后减弱到非零的最小值

C．透过偏振片的光在整个过程中都增强

D．透过偏振片的光先增强，再减弱，然后又增强

[解析]　开始时没有光通过，说明两偏振片的透振方向垂直，其中一个偏振片旋转180°的过程中，透过偏振片的光先增强然后又减弱到零，故A正确。

4．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　B　)

A．声波可以传递信息，电磁波不能传递信息

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

[解析]　声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误。

核心考点·重点突破

HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO

考点一　光的干涉、衍射及偏振

1．双缝干涉与单缝衍射的比较：

2．自然光和偏振光的比较：

特别提醒：(1)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，衍射条纹可以认为从单缝通过多列频率相同的光波在屏上叠加形成的干涉图样。

(2)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，衍射现象说明只有在光的波长比障碍物小得多时才可看作沿直线传播。

例1　在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们中间形成一个厚度均匀的空气膜，现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化，当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次达到最亮，则(　D　)

A．出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强

B．出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消

C．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加

D．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加

[解析]　本题考查薄膜干涉问题。B板最亮时，是B板下表面的反射光与A上表面的反射光发生干涉，叠加后加强，故A、B错误；温度从t1升到t2的过程中，亮度由最亮变暗又变到最亮，当路程差(即薄膜厚度的2倍)等于半波长的偶数倍，出现明条纹，知路程差减小λ，薄膜厚度减小，则A的高度增加，故D正确，C错误。

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的作用是把自然光变成偏振光。

(2)偏振现象证明了光是一种横波。

(3)以下说法中正确的是ACD。

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

[解析]　(1)自然光源发出的光不是偏振光，但当自然光经过偏振片后就变成了偏振光，因此偏振片A的作用是把自然光变成偏振光。

(2)偏振现象证明了光是一种横波。

(3)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。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的旋转角度即为糖溶液的旋光度。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，故选项A、C、D正确。

〔变式训练1〕(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同。观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是(　AD　)

A．这里应用的是光的衍射现象

B．这里应用的是光的干涉现象

C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗

D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细

[解析]　由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，故A、D两项正确。

考点二　电磁波与相对论

对电磁波谱的四点说明

(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、明显衍射现象；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。

(4)电磁波的能量随频率的增大而增大。

例3　(多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是 (　ABE　)

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

[解析]　紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，D错误。A、B、E的说法正确。

〔变式训练2〕(多选)1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，给物理科学带来了巨大的进步。根据狭义相对论的理论，下列说法中正确的是(　ABD　)

A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的

B．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的

C．根据狭义相对论可知，同时是绝对的

D．根据狭义相对论可知，物体的长度、时间间隔和物体的质量都是相对的

E．根据狭义相对论可知，在相对地面以速度v高速运动的火车上，当人以相对火车速度u′沿火车前进的方向运动时，则该人相对地面的速度为u＝u′＋v

[解析]　根据狭义相对论的两个基本假设可知，A、B正确；根据相对论的两个假设，可得到直接推论，同时是相对的，C错误；根据狭义相对论的结论可知，长度、时间间隔、质量都是相对的，D正确；在高速运动的火车上，设车相对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，根据相对论速度交换公式得他相对地面的速度u<u′＋v，E错误。

2年高考·1年模拟

2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI

1．(2020·山东卷，3)双缝干涉实验装置的截面图如图所示。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，不计光的玻璃片内的反射。以下判断正确的是(　A　)

A．Δt＝　 B．Δt＝

C．Δt＝　 D．Δt＝

[解析]　光在玻璃中的传播速度为v＝，可知时间差Δt＝－＝，故选A。

2．(2020·浙江7月选考)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(　D　)

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．红外体温计的依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的

[解析]　人体在任何温度下都会辐射红外线，故A、B选项错误；人体温度越高，辐射红外线的强度越大，红外体温计正是根据这一特点来测体温的，而不是利用红外体温计发射红外线来测体温的，故C选项错误，D选项正确。

3．(2020·天津卷)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(　B　)

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

[解析]　与紫外线相比，红外线波长较长，频率较低，由ε＝hγ得红外线的光子能量比紫外线的小，A错误，B正确。红外线与紫外线均为电磁波，电磁波在真空中传播速度为c。所以两者在真空中的传播速度相等，C错误；红外线与紫外线均为横波，均可以发生偏振现象，D错误。