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1、第 4 讲 光的波动性 电磁波和相对论第 4 讲 光的波动性 电磁波和相对论 一、光的干涉 1.定义 ： 在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮条纹，某些区域的光被减弱， 出现暗条纹，且加强和减弱互相间隔的现象叫做光的干涉现象. 2.条件：两列光的频率相等，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象. 3.双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光波，屏上某 点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹 ； 路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹.相 邻的亮条纹(或暗条纹)之间距离 x与波长、 双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为 x . l d 4.薄膜干涉：利用
2、薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的.图样中同一条亮(或 暗)条纹上所对应薄膜厚度相同. 二、光的衍射 1.光的衍射现象 光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象. 2.光发生明显衍射现象的条件 当孔或障碍物的尺寸比光波波长小或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象. 3.衍射图样 (1)单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同. (2)圆孔衍射：出现明暗相间的不等距圆环. (3)泊松亮斑 ： 光照射到一个半径很小的不透光的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这 是光能发生衍射的有力证据之一. 三、光的偏振 1.偏振光：在跟光传播方
3、向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱 的光即为偏振光. 光的偏振现象证明光是横波. 2.自然光 ： 太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光， 而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光. 3.偏振光的产生 通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫做起偏 振器，第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫做检偏振器. 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， 故属于光的干涉现象的是
4、B、C. 四、电磁场和电磁波 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. 电磁波是横波，在空间传播不需要介质. 真空中电磁波的速度为 3108m/s. vf对电磁波适用. 电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象. 2.电磁波的发射与接收 (1)发射电磁波的条件： 要有足够高的振荡频率. 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
5、波谱： 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 射线，形成电磁波谱. 电磁波谱的特性、应用. 频率/Hz 真空中 波长/m 特性应用 无线 电波 103波动性强， 易发生衍射无线电技术 红外线10111015107103热效应红外线遥感 可见光1015107引起视觉照明、摄影 紫外线10151017109107 化学效应、荧光效应、 能杀菌 医用消毒、防伪 X 射线101610191011108贯穿性强检查、医用透视 射线1019B，则 (选填 “A” 或 “B” )在水中发生全反射时的临界角较大.用同一装置进行杨氏双缝干涉实验时， 可以观察到(选填“A
6、”或“B”)产生的条纹间距较大. 答案 A A 解析 根据c知， 因AB， 则ACB. 1 n 根据 x，由于AB，故 xAxB，即A光产生的条纹间距大. l d 变式 1 (多选)(2018如皋市调研)在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图 4 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， 在它们之间形成一个厚度均匀的空气膜.现在用波长为的单色光垂直照射，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，亮度再一次回到最亮，则( ) 图 4 A.出现最亮时，B上表面反
7、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加强 C.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加 4 D.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加 2 答案 BD 解析 出现最亮时， 是B下表面反射光与A上表面反射光发生干涉， 叠加后加强， 故 A 错误， B 正确 ； 温度从t1升到t2的过程中，亮度由最亮又变到最亮，知路程差为，则A的高度增加 ，故 C 错误，D 正确. 2 命题点二 光的衍射命题点二 光的衍射 1.对光的衍射的理解 (1)衍射是波的特征，波长越长，衍射现象越明显.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. (2)衍射现象说
8、明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时， 光才可以看成是沿直线传播的. 2.单缝衍射与双缝干涉的比较 单缝衍射双缝干涉 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 不 同 点 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；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 3.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. 例 2 (多选)(2018南京市、盐城市一模)如
9、图所示的四种明暗相间条纹，是红光、紫光分 别通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和通过同一个单缝形成的衍射图样.图中黑色部分 代表亮条纹，下列四幅图中由红光形成的图样是( ) 答案 AD 变式 2 (2018如皋市模拟四)1971 年， 屠呦呦等获得了青蒿乙醚提取物结晶， 研究人员通 过 X 射线衍射分析确定了青蒿素的结构.X 射线衍射是研究物质微观结构的最常用方法， 用于 分析的 X 射线波长在 0.05nm0.25nm 范围之间， 因为 X 射线的波长(选填 “接近” 或 “远小于” ) 晶体内部原子间的距离， 所以衍射现象明显.分析在照相底片上得到的衍射图样， 便可确定晶 体结构.X 射线
10、是(选填“纵波”或“横波”). 答案 接近 横波 解析 能发生明显的衍射现象的条件是 ： 孔或障碍物的尺寸比波长小或者相差不多.当 X 射线 透过晶体内部原子间隙时，发生了明显的衍射现象，用于分析的 X 射线波长应接近晶体内部 原子间的距离；因为 X 射线是电磁波，所以 X 射线是横波. 命题点三 光的偏振命题点三 光的偏振 1.自然光与偏振光的比较 类别自然光(非偏振光)偏振光 光的 来源 从普通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 2.偏振光
11、的应用 加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等. 例 3 (2019淮阴中学月考)如图 5 所示， 电灯S发出的光先后经过偏振片A和B， (选填 “a” 或“b”)光为偏振光.人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则以SP为轴将B转过(选填 “90”或“180”)后，在P处将看到光亮. 图 5 答案 b 90 解析 由题意可知， 人眼在P处看不到光亮， 是因为偏振片A与偏振片B的透振方向相互垂直， a光是自然光，经过偏振片后，b光是偏振光；由上分析可知，以SP为轴将B转过 180后， 偏振片B仍然与偏振片A的透振方向相互垂直，在P处仍然不能看到光亮 ； 当以SP为轴将B
12、 转过 90，两个偏振片的透振方向平行，在P处将能看到光亮. 命题点四 电磁波命题点四 电磁波 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，如图 6 所示. 图 6 (2)电磁波与机械波的比较 名称 项目 电磁波机械波 产生由周期性振荡的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生 波的特点横波纵波或横波 波速在真空中等于光速c3108m/s 在空气中不大(如声波波速在空气 中一般为 340m/s) 传播是否 需要介质 不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(在真空中不能传播) 能量传播电磁能机械能 例 4 (多选)(2018江
13、苏单科12B(1)梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生 电磁波.该电磁波( ) A.是横波 B.不能在真空中传播 C.只能沿着梳子摇动的方向传播 D.在空气中的传播速度约为 3108m/s 答案 AD 解析 电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，既能在真空中传播，也能在介质中传播.电 磁波在空气中的传播速度约为 3108m/s，故选项 A、D 正确. 变式 3 (多选)(2018南京市、盐城市二模)我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身 飞机的克星，它是我国雷达研究创新的里程碑.米波雷达发射无线电波的波长在 110m 范围 内，则对该无线电波的判断正确的有( ) A.必须依靠介质传播
14、 B.频率比厘米波的频率低 C.比可见光更容易产生衍射现象 D.遇到厘米波有可能产生干涉现象 答案 BC 解析 无线电波是电磁波，电磁波的传播不需要介质，A 错误；由cf知，波长越长频率 越低，B 正确 ； 波长越长越容易产生衍射现象，无线电波的波长远大于可见光的波长，C 正确 ； 米波和厘米波的波长不同，频率也不同，所以不能产生干涉现象，D 错误. 命题点五 相对论简介命题点五 相对论简介 例 5 (2018盐城市三模)如图 7 所示，宽度为l的宇宙飞船沿其长度方向以 0.9c(c为真 空中的光速)远离地球，地球上的人看到宇宙飞船宽度(选填“大于”“等于”或“小于”)l. 飞船和地面上各有一
15、只铯原子钟， 地球上的人观察到(选填 “飞船上钟较快” “地面上钟较快” 或“两只钟一样快”). 图 7 答案 等于 地面上钟较快 变式 4 (2018苏锡常镇一调)如图 8 所示， 一束光频率为0， 传播方向正对卫星飞行方向， 已知真空中光速为c，卫星速度为u，则卫星上观测到该光的传播速度是， 卫星接收到该光的频率0(选填“大于”“等于”或“小于”). 图 8 答案 c 大于 解析 由光速不变原理可知，卫星上观测到该光的速度是c，依据多普勒效应可知，卫星接 收到该光的频率大于0. 1.(2018扬州中学下学期开学考)目前雷达发出的电磁波频率多在 200MHz1000MHz 的范围 内，下列关
16、于雷达和电磁波的说法正确的是( ) A.真空中，上述频率范围的电磁波的波长在 30m150m 之间 B.电磁波是由均匀变化的电场或磁场产生的 C.波长越短的电磁波，越容易绕过障碍物，便于远距离传播 D.测出电磁波从发射到接收的时间，就可以确定障碍物的位置 答案 D 2.(多选)(2018扬州中学月考)如图 9 所示是用干涉法来检查某块厚玻璃板上表面是否平整 的装置，所用红色光是用普通光源加红色滤光片产生的，从上往下观察到的干涉条纹如图所 示，则下列判断正确的是( ) 图 9 A.若观察到的条纹如图甲所示，则说明厚玻璃板上表面是平整的 B.若观察到的条纹如图乙所示，则厚玻璃板上表面有下凹的位置
17、C.若观察到的条纹如图乙所示，则厚玻璃板上表面有上凸的位置 D.若是用黄色滤光片产生的黄色光做该实验，则干涉条纹变密 答案 ABD 解析 薄膜干涉形成的条纹是膜的上、下表面的反射光干涉产生的，若观察到的条纹如题图 甲所示，则说明厚玻璃板上表面是平整的，故 A 正确；薄膜干涉是等厚干涉，即亮条纹处空 气膜的厚度相同，从弯曲的条纹可知，检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相 同，知该处凹陷，故 B 正确，C 错误 ； 若是用黄色滤光片产生的黄色光做该实验，因波长变短， 则干涉条纹变密，故 D 正确. 3.(2018南通等六市一调)地球与月球相距为L0，若飞船以接近光速的速度v经过地球飞向
18、月球， 地面上的人测得飞船经过t1时间从地球到达月球， 在飞船内宇航员测得飞船经过t2时 间从地球到达月球，则t1(选填“”“”或“”“”或“ t2. L0 v L v 1.(2018南京师大附中 5 月模拟)电磁波已广泛运用于很多领域.下列关于电磁波的说法符 合实际的是( ) A.电磁波不能产生衍射现象 B.常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机 C.根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度 D.光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同 答案 C 解析 任何波都能发生衍射现象，故 A 选项错误；常用的遥控器通过发出红外线脉冲信号来 遥控电视机， 故 B 选项错误
19、 ； 根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度， 故 C 选项正确；由相对论知光在真空中的传播速度在不同的惯性参考系中数值相同，D 选项错误. 2.(2018盐城中学 4 月检测)下列说法中正确的是( ) A.光学镜头上的增透膜是利用光的偏振现象 B.用标准平面检查光学平面的平整程度利用了光的干涉现象 C.当观察者和波源间存在相对运动时一定能观察到多普勒效应现象 D.在高速运行的航天器上看地球上的时间进程变慢 答案 B 3.(多选)(2018江苏百校 12 月大联考)在下面的几种说法中， 对现象与规律的描述正确的有 ( ) A.在不同的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相同的 B.光
20、的干涉和衍射不仅说明了光具有波动性，还说明了光是横波 C.当观察者远离波源运动时，接收到的波的频率减小，但波源自身的频率不变 D.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场 答案 AC 4.(多选)(2018扬州中学月考)以下说法中正确的是( ) A.光的偏振现象说明光是一种纵波 B.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关 C.麦克斯韦预言并用实验验证了电磁波的存在 D.在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光变为红光，则条纹间距变宽 答案 BD 解析 光的偏振现象说明光是一种横波，而不是纵波，故 A 错误；相对论认为空间和时间与 物质的运动快慢有关，故 B 正确
21、；麦克斯韦预言了电磁波的存在，而赫兹用实验证实了电磁 波的存在，故 C 错误；光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光变为红光，波长变长，则 由 x可知，条纹间距变宽，故 D 正确. l d 5.(多选)(2018江苏省调考压轴卷)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 答案 CD 解析 雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的，故选项 A 错
22、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，故选项 B 错误；在双缝干涉实验中，用红光代替黄光后，波长变长，则导致干 涉条纹的间距增大，故选项 C 正确；白光通过双缝后产生干涉，因不同色光的波长不同，导 致干涉条纹间距不同，从而出现彩色条纹，故选项 D 正确. 6.如图 1 所示的 4 种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的 干涉图样以及黄光、 紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹).在下面 的 4 幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是( ) 图 1 A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄 C
23、.蓝紫红黄D.蓝黄红紫 答案 B 解析 双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹 亮度、宽度都逐渐减小，因此 1、3 为双缝干涉条纹，2、4 为单缝衍射条纹.双缝干涉条纹的 间距 x， 红光波长比蓝光波长长， 则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距， 即 1、 3 l d 分别对应红光和蓝光.而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央 条纹越宽、越亮，2、4 分别对应紫光和黄光.综上所述，1、2、3、4 四个图中亮条纹的颜色 依次是：红、紫、蓝、黄，B 正确. 7.劈尖干涉是一种薄膜干涉， 其装置如图 2 甲所示， 将一块平板玻璃放置在另一
24、平板玻璃上， 在一端夹入两张纸片， 从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后， 从上 往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点： 图 2 (1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； (2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定. 现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察 到的干涉条纹( ) A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失 答案 A 解析 如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，A 正确. 8.(2017扬州市 5 月考前调研)如图 3 所示， 两束单色光a、b同时从空气中斜
25、射入平行玻璃 砖的上表面，进入玻璃砖后形成复合光束c，则穿过玻璃砖的过程中光所用时间较长；在相 同的条件下，光更容易发生衍射. 图 3 答案 b a 9.(2016江苏单科12B(2)、(3)(1)杨氏干涉实验证明光的确是一种波，一束单色光投射 在两条相距很近的狭缝上，两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满足干涉的必要条件， 即两列光的相同.如图 4 所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷， 如果放置光屏，在(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹. 图 4 (2)在上述杨氏干涉实验中，若单色光的波长5.89107m，双缝间的距离d1mm，双缝 到屏的距离l2m.求第 1
26、 个亮条纹到第 11 个亮条纹的中心间距. 答案 (1)频率 C (2)1.178102m 解析 (1)产生稳定干涉图样的条件是两束光的频率相同；A、B两点为振动加强点，出现亮 条纹，C点为波峰与波谷相遇，振动减弱，为暗条纹. (2)相邻亮条纹的中心间距 x l d 由题意知，亮条纹的数目n10 解得x，代入数据得x1.178102m. nl d 10.(2018如皋市调研)如图 5 所示， 在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝， 右侧AA为光屏，A 与S2的距离与A与S1的距离之差为 1.5106m，S1、S2连线的中垂线与光屏的交点为O，A 点与A点关于O点对称.用波长为 600nm 的黄色
27、激光照射双缝，则A点为(填“亮条纹”或 “暗条纹”)，点A与A点之间共有条亮条纹. 图 5 答案 暗条纹 5 解析 单色光的波长为：600nm6.0107m,1.5106m2.55，可知A点到 2 双缝的距离之差是半波长的奇数倍，该点出现暗条纹 ； 令 2.5(2k1)，可得k3，这 2 是第 3 条暗条纹，那么A点与A点之间共有 5 条亮条纹. 11.(2018如皋市调研)一艘太空飞船静止时的长度为 30m， 它以 0.6c(c为光速)的速度沿长 度方向飞行经过地球， 地球上的观测者测得该飞船的长度(选填 “小于” “等于” 或 “大于” )30m， 飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度
28、(选填“小于”“等于”或“大于”)c. 答案 小于 等于 解析 地球上的观测者测得该飞船的长度是以 0.6c的速度沿长度方向飞行时的长度， 为 ：l l024m30m； 根据狭义相对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的 1 v c 2 光信号速度等于c. 12.(2018兴化一中四模)根据气体吸收谱线的红移现象推算， 有一类星体远离我们的速度高 达光速c的 80%，则在该类星体上测得它发出光的速度是，我们观测到它的体积比它实际体 积(填“大”或“小”)， 该类星体上的 介子平均寿命比在地球上(填“长”或“短”). 答案 c 小 长 解析 根据爱因斯坦相对论的原理可知，在该类星体上测得它发出光的速度等于c，根据相 对论效应可知， 我们观测到它的尺寸比它实际尺寸小， 则观测到它的体积比它实际体积也小， 该类星体上的 介子平均寿命比在地球上长.