2020版新一线高考物理（新课标）一轮复习教学案：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

知识点一| 光的干涉、衍射及偏振

(对应学生用书第214页)

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。

(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。  (×)

考法1　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．(2015·全国卷Ⅰ)在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比，Δx1________Δx2(选填“>”“＝”或“<”)。若实验中红光的波长为630 nm，双缝与屏幕的距离为1.00 m，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5 mm，则双缝之间的距离为________mm。

解析：由公式Δx＝λ可知，Δx1＞Δx2。相邻亮条纹之间的距离为Δx＝ mm＝2.1 mm，双缝间的距离d＝，代入数据得d＝0.300 mm。

答案：＞　0.300

考法2　光的衍射

3．(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

考法3　光的偏振

4．奶粉中碳水化合物(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)(多选)以下说法正确的是________。

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后到达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，通过B到达O的光的强度不是最大，但当B转过了一个角度，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。

答案：(1)把自然光变成偏振光　(2)横波　(3)ACD

知识点二| 电磁场　电磁波　相对论

(对应学生用书第215页)

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)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。 (×)

(2)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。  (√)

(3)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。  (√)

(4)波长不同的电磁波在本质上完全不同。 (×)

1．(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。]

2．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)

知识点三| 实验：用双缝干涉测光的波长

(对应学生用书第215页)

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。

(1)实验安置时，要使遮光筒轴线与导轨平行。 (√)

(2)为了减少实验误差，应多次测双缝到屏间距，求平均值。 (√)

(3)选光源时，球形光源比线状光源好。 (×)

1．在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，实验装置如图所示。

(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，手轮上的示数如图甲所示，该读数为________ mm。

甲　　　　　　　乙　　　

(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。则在这种情况下来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。

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，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．(2019·信阳模拟)在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，请按照题目要求回答下列问题。

(1)图中甲、乙两图都是光的条纹形状示意图，其中干涉图样是________。

甲　　　　　　乙

丙

(2)将下表中的光学元件放在图丙所示的光具座上组装成用双缝干涉测光的波长的实验装置，并用此装置测量红光的波长。

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，表示各光学元件的排列顺序应为____________。(填写元件代号)

(3)已知该装置中双缝间距d＝0.50 mm，双缝到光屏的距离L＝0.50 m，在光屏上得到的干涉图样如图(a)所示，分划板在图中A位置时游标卡尺如图(b)所示，则其示数为________ mm；在B位置时游标卡尺如图(c)所示。由以上所测数据可以得出形成此干涉图样的单色光的波长为________ m。

解析：(1)题图甲中的条纹间距和亮度相同，是干涉图样，图乙是衍射图样。

(2)光源发出的白光，各种频率都有，加上E后通过的只有红光了，变成单色光，加上D和B，就得到两列频率相同、步调一致的相干光，最后放置光屏，干涉条纹呈现在光屏上，所以顺序为CEDBA。

(3)A位置的示数为111.10 mm，B位置的示数为115.45 mm，题图(a)中A、B之间的距离为(115.45－111.10) mm＝4.35 mm，则相邻条纹的间距为Δx＝ mm，再根据公式Δx＝λ，代入数据得波长为5.4×10－7 m。

答案：(1)甲　(2)CEDBA

(3)111.10　5.4×10－7