【物理】2020届一轮复习人教版光的波动性　电磁波和相对论学案

【物理】2020届一轮复习人教版光的波动性　电磁波和相对论学案

‎　　1.光的干涉、衍射及偏振 ‎ ‎(1)两种衍射图样:①小孔衍射,明暗相间的同心圆环,越向外,环间距离越小。②单缝衍射,明暗相间的平行条纹,中央条纹较宽,两侧条纹较窄。若用白光做单缝衍射实验,则中央亮处为白色。‎ ‎(2)光的干涉和衍射的关系: ①光的干涉和衍射,都证明了光的波动性,只有波才可以发生干涉和衍射现象。 ②光的干涉和衍射有一定的联系,光的双缝干涉中就有光的衍射。③光的干涉条纹中,各条纹能量分布较均匀;而在光的衍射条纹中,中央亮纹所具有的能量,超过了总能量的一半。‎ ‎(3)自然光与偏振光:①自然光,自然光的一般概念是“光振动沿各个方向均匀分布的光”,即包含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:偏振光的一般概念是“光振动沿不同方向分布不均匀的光”,包括两种情况,一种是只有沿单一方向振动的光,通常称为完全偏振光,即线偏振光;另一种是包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,但沿不同方向振动的光波的强度都不同,这种光通常称为部分偏振光。‎ ‎【温馨提示】　产生稳定干涉的条件,两列光的频率相等且振动状态相同,相干光源可用同一束光分成两列获得。双缝干涉图样,单色光时是明暗相间条纹,且宽度相等,白光时是彩色条纹。‎ ‎2.电磁波 ‎ ‎(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。④v=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,所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)。②调制方式,a.调幅,使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。b.调频,使高频电磁波的频率随信号的强弱而变化。‎ ‎(4)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作电磁波谱。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。‎ ‎【温馨提示】　无线电波的接收,①当接收电路的固有频率跟接收到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作调谐,能够调谐的接收电路叫作调谐电路;③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程,叫作检波;检波是调制的逆过程,也叫作解调。‎ ‎　　3.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,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系。‎ ‎(2)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=m‎0‎‎1-‎vc‎2‎。②物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0。‎ ‎(3)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。‎ ‎【温馨提示】　对于狭义相对论的相对性原理来说,力学规律对惯性系都是相同的,由于光速是不变的,造成了一些与经典理论不同的结论,这些结论在低速的世界里是不易搞清的,但从天体的物理现象中却得到了证实。‎ ‎1.(2018安徽芜湖9月模拟)如图为双缝干涉的实验示意图,若要使干涉条纹的间距变大,可改用波长更　　　　(选填“长”或“短”)的单色光,或是使双缝与光屏间的距离　　　　(选填“增大”或“减小”)。 ‎ 答案　长　增大 ‎2.(2018湖北荆州五校联考)下列光学现象的说法中正确的是(　　)。‎ A.用光导纤维束传送图像信息,这是光的衍射的应用 B.太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的干涉的结果 C.在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物,可使景象更清晰 D.透过平行于日光灯的窄缝看正常发光的日光灯时能观察到彩色条纹是光的色散现象 答案　C ‎3.(2018陕西延安阶段考试)(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1000 MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是(　　)。‎ A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m~1.5 m之间 B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达与目标之间的距离 D.波长越短的电磁波,反射性能越强 答案　ACD ‎4.(2018河南洛阳诊断考试)(多选)下列说法中符合实际的是(　　)。‎ A.医院里常用X射线对病房和手术室消毒 B.医院里常用紫外线对病房和手术室消毒 C.在人造卫星上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的分辨能力 D.在人造卫星上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力 答案　BD ‎5.(2018江西新余单元检测)(多选)在相对论中,下列说法正确的有(　　)。‎ A.一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速 B.质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关 C.时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关 D.在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件,在其他一切惯性系中也是同时发生的 答案　AB ‎6.(2018四川西昌质量检测)下列说法错误的是(　　)。‎ A.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关 B.光的偏振现象说明光是一种纵波 C.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 D.赫兹用实验证实了电磁波的存在 答案　B ‎1.(2017全国卷Ⅱ,34)(多选)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 ‎　　解析　在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx=ldλ,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作光源。故A、C、D三项正确。‎ ‎　　答案　ACD ‎2.(2016全国卷Ⅱ,34)(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 解析　电磁波在真空中传播速度不变,与频率无关,A项正确;电磁波由周期性变化的电场和变化的磁场互相激发得到,B项正确;电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直,C项正确;光是一种电磁波,光可在光导纤维中传播,D项错误;电磁波具有能量,电磁振荡停止后,已形成的电磁波仍会在介质或真空中继续传播,E项错误。‎ 答案　ABC 见《自学听讲》P258‎ 一 光的干涉现象 ‎　　1.双缝干涉 ‎(1)条纹间距公式:Δx=ldλ,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:如图所示,光源S1、S2发出的光到屏上P'点的路程差Δr=r2-r1。‎ 当Δr=kλ(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现明条纹。‎ 当Δr=(2k+1)λ‎2‎(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现暗条纹。‎ 例1　(多选)如图所示是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样,则(　　)。‎ A.在同种均匀介质中,a光的传播速度比b光的大 B.在真空中a、b两光传播速度相同 C.从真空射入同种介质发生全反射时,a光全反射临界角小 D.从同种介质射入真空发生全反射时,a光全反射临界角小 E.在相同的条件下,b光比a光更容易产生明显的衍射现象 解析　根据题图可知,b光的干涉条纹间距大于a光的干涉条纹间距。由双缝干涉条纹间距公式Δx=Ldλ可知,b光 的波长比a光的大。由λ=cf可知,b光的频率比a光的小,则在同种介质中,b光的折射率小于a光,根据n=cv可知,在介质中,a光的传播速度比b光的小,A项错误;在真空中a、b两光传播速度相同,均为光速,B项正确;从真空射入同种介质不会发生全反射,C项错误;由介质射入真空发生全反射的临界角公式sin C=‎1‎n可知,a光折射率较大,从同种介质射入真空发生全反射时a光全反射临界角小,D项正确;由于b光的波长比a光的大,根据发生明显衍射现象的条件可知,在相同的条件下,b光比a光更容易产生明显的衍射现象,E项正确。‎ 答案　BDE 变式1　如图所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10-6 m,现分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹?‎ ‎(1)已知A光在折射率n=1.5的介质中波长为4×10-7 m。‎ ‎(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)。‎ ‎(3)若用A光照射时,把其中一条缝遮住,请分析光屏上能观察到的现象。‎ 解析　(1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2,由n=cv=λ‎1‎λ‎2‎得 λ1=6×10-7 m 已知路程差Δr=2.1×10-6 m 所以N1=Δrλ‎1‎=3.5‎ 由此可知,P点为暗条纹。‎ ‎(2)根据临界角与折射率的关系sin C=‎1‎n得n=‎‎5‎‎3‎ 由此可知,B光在空气中波长 λ3=nλ介=5.25×10-7 m 所以N2=Δrλ‎3‎=4‎ 可见P点为亮条纹。‎ ‎(3)光屏上仍出现明暗相间的条纹,但中央条纹最宽最亮,两边条纹变窄变暗。‎ 答案　(1)暗条纹　(2)亮条纹　(3)见解析 ‎2.薄膜干涉 ‎(1)薄膜干涉 如图所示,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。‎ ‎①在P1、P2处,从两个表面处反射回来的两列光波的路程差Δx等于波长的整数倍,即Δx=nλ(n=0,1,2,…),薄膜上出现亮条纹。‎ ‎②在Q处,从两个表面处反射回来的两列光波的路程差Δx等于半波长的奇数倍,即Δx=(2n+1)λ‎2‎(n=0,1,2,…),薄膜上出现暗条纹。‎ ‎(2)薄膜干涉的应用 ‎①检查精密零件的表面是否平整 如图所示,将被检查平面和放在上面的透明标准样板的一端之间垫一薄片,使标准样板的平面与被检查平面间形成一个楔形空气薄层,单色光从上面照射,入射光在空气层的上表面a和下表面b反射出两列光波叠加,从反射光中看到干涉条纹,根据干涉条纹的形状来确定工件表面的情况。‎ 若被检查平面平整则干涉图样是等间距明暗相间的平行直条纹。若某处凹下,则对应亮(暗)条纹提前出现,如图甲所示;若某处凸起,则对应亮(暗)条纹延后出现,如图乙所示。‎ ‎②增透膜 在光学元件(透镜、棱镜)的表面涂上一层薄膜(如氟化镁),当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的‎1‎‎4‎时,在薄膜的两个面上的反射光的光程差恰好等于半个波长,因而相互抵消,达到减小反射光、增大透射光强度的目的。‎ 例2　(多选)如图甲所示,在一块平板玻璃上放置一平薄凸透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单一波长的光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹,称为牛顿环,以下说法正确的是(　　)。‎ A.干涉现象是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B.干涉现象是由凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的 解析　由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜,所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和玻璃上表面,A项正确;由于凸透镜的下表面是圆弧面,所以形成的薄膜厚度不是均匀变化的,形成不等间距的干涉条纹,C项正确。‎ 答案　AC 二 光的衍射和光的偏振现象 ‎　　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。任何情况下都可以发生衍射现象,只有明显与不明显的差别。‎ ‎(2)衍射现象说明“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,光才可以看作是沿直线传播的。‎ ‎2.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 例3　(多选)关于波的干涉和衍射,下列说法正确的是(　　)。‎ A.衍射是一切波特有的现象 B.两列波发生干涉时,振动加强区域的质点的位移一定始终最大 C.声波容易发生衍射是因为声波的波长较长 D.观察薄膜干涉时,应该在入射光的同一侧 E.医院中用于体检的“B超”利用了超声波的衍射原理 解析　衍射是一切波特有的现象,A项正确;两列波发生干涉时,振动加强区域的质点振动始终加强,不是位移始终最大,B项错误;声波容易发生衍射是因为声波的波长较长,C项正确;薄膜干涉是两列频率相同的反射光在薄膜上出现的现象,因此应在入射光的同一侧观察,D项正确;医院中用于体检的“B超”利用了超声波的反射原理,E项错误。‎ 答案　ACD 变式2　如图所示的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(　　)。‎ A.红黄蓝紫　　　　　　B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫 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。双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮、暗条纹间距)Δx=ldλ,红光波长大于蓝光波长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,即1、3分别对应于红光和蓝光。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分别对应于紫光和黄光。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项正确。‎ 答案　B 三 实验:用双缝干涉测光的波长 ‎　　1.实验原理与操作 ‎　　2.数据处理与分析 ‎(1)数据处理 用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l,由公式Δx=ldλ得波长λ=dlΔx,重复测量、计算,求出波长的平均值。‎ ‎(2)误差分析 ‎①测条纹间距Δx时带来误差。‎ ‎②测量双缝到光屏间距离l时产生误差。‎ ‎(3)注意事项 ‎①保证灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒共轴。‎ ‎②保持单缝和双缝平行。‎ 例4　在观察光的双缝干涉现象的实验中:‎ ‎(1)将激光束照在如图乙所示的双缝上,在光屏上观察到的现象是图甲中的　　　　。 ‎ ‎(2)换用间隙更小的双缝,保持双缝到光屏的距离不变,在光屏上观察到的条纹宽度将　　　　;保持双缝间隙不变,减小光屏到双缝的距离,在光屏上观察到的条纹宽度将　　　　(以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”)。 ‎ 解析　(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹,A图正确。‎ ‎(2)根据Δx=ldλ知,双缝间的距离d减小时,条纹间距变宽;当双缝到屏的距离l减小时,条纹间距变窄。‎ 答案　(1)A　(2)变宽　变窄 变式3　如图甲所示,在“用双缝干涉测光的波长”实验中,将实验仪器按要求安装在光具座上,并选用缝间距d=0.20 mm 的双缝屏。然后,接通电源使光源正常工作。已知像屏与双缝屏间的距离L=700 mm。‎ ‎(1)已知测量头上主尺的最小刻度是毫米,副尺(游标尺)上有20分度。某同学调整手轮后,从测量头的目镜看去,使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐,如图乙所示,此时测量头上主尺和游标尺的示数如图丙所示,则此示数为　　　　mm;再转动手轮,使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐,测得A条纹到B条纹间的距离为8.40 mm。利用上述测量结果,经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长λ=　　　　m(结果保留2位有效数字)。 ‎ ‎(2)另一同学按实验装置安装好仪器后,观察到光的干涉现象很明显。若他对实验装置进行改动后,在像屏上仍能观察到清晰的条纹,且条纹数目有所增加。以下改动可能会实现这个效果的是　　　　。 ‎ A.仅将滤光片移至单缝和双缝之间 B.仅将单缝与双缝间距增大少许 C.仅将单缝与双缝的位置互换 D.仅将红色滤光片换成绿色滤光片 解析　(1)测量头上示数为5×0.05 mm=0.25 mm;A条纹与B条纹间的中心距离为8.40 mm,共5个条纹间隔,则相邻条纹间隔Δx=1.68 mm,由Δx=Ldλ,解得经滤光片射向双缝的色光的波长λ=4.8×10-7 m。‎ ‎(2)根据条纹间隔公式Δx=Ldλ知,若要使观察到清晰的条纹数目增加,即减小条纹间距,则可以减小滤光片射向双缝的色光的波长λ,即可以将红色滤光片换成绿色滤光片,D项正确。‎ 答案　(1)0.25　4.8×10-7　(2)D 四 电磁波与相对论 ‎　　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,如图所示。‎ ‎(2)电磁波与机械波的比较 ‎　　名称 项目　　‎ 电磁波 机械波 产生 由周期性变化的电场、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c=3×108 m/s 在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340 m/s)‎ 是否需要 介质　　‎ 不需要介质(在真空中仍可传播)‎ 必须有介质(真空中不能传播)‎ 能量传播 电磁能 机械能 ‎　　例5　(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是(　　)。‎ 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项错误;在电磁波谱中,最容易发生衍射现象的是无线电波,D项错误。‎ 答案　ABE