高三物理一轮复习《光的波动性电磁波相对论》.ppt

第2讲 光的波动性 电磁波 相对论,【知识梳理】 知识点1 光的干涉 1.产生干涉的条件: 两列光的_,_,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的干涉图样。,频率相同,振动方向相同,2.杨氏双缝干涉:,观察干涉图样,总结明暗条纹出现的规律: (1)原理如图所示。,(2)明、暗条纹的条件。 单色光:形成明暗相间的条纹,中央为_。 a.光的路程差r=r2-r1=_(k=0,1,2),光屏上出 现明条纹。 b.光的路程差r=r2-r1=(2k+1) (k=0,1,2),光屏 上出现_。,明条纹,k,暗条纹,白光:光屏上出现彩色条纹,且中央亮条纹是_ (填写颜色)。 (3)条纹间距公式: _。,白色,3.薄膜干涉: (1)相干光:光照射到透明薄膜上,从_ 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_。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。,薄膜的两个表面,相等,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_,甚至比光的波长还小的时候,衍射现象才 会明显。,相差不多,2.衍射条纹的特点:,(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较。,明暗相间,越弱,越小,明暗相间,越弱,越小,减小,逐渐变暗,逐渐变窄,同心圆环,(2)泊松亮斑(圆盘衍射): 当光照射到不透明的_上时,在圆盘 的阴影中心出现_(在阴影外还有不等间距的明暗 相间的圆环)。,半径很小的小圆盘,亮斑,知识点3 光的偏振现象 1.偏振:光波只沿_的方向的振动。 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_振动的光,而且沿各个方 向振动的光波的_都相同,这种光叫作自然光。,某一特定,一切方向,强度,3.偏振光:在_于传播方向的平面上,只沿某个特定 方向振动的光。光的偏振证明光是_。自然光通过 偏振片后,就得到了偏振光。,垂直,横波,知识点4 电磁波的产生 电磁波的发射、传播 1.麦克斯韦电磁场理论与电磁场: 如图所示:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁 场;_总是相互联系成为一 个完整的整体,这就是电磁场。,变化的电场和变化的磁场,2.电磁波: (1)产生: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_(选填“纵波”或“横波”),在空间 传播不需要_。 真空中电磁波的速度为_。 公式v=f对电磁波同样适用。 电磁波能产生反射、_、干涉和_等现象。,横波,介质,c=3108m/s,折射,衍射,(2)发射电磁波的条件: 要有足够高的_。 电路必须_,使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。,振荡频率,开放,(3)电磁波的接收: 当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率 _时,激起的振荡电流最强。 从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过 程叫检波,检波是_的逆过程,也叫_。,相等,调制,解调,知识点5 电磁波谱 1.定义:按电磁波的波长从长到短分布是_、 红外线、_、紫外线、_和射线,形成电磁 波谱。,无线电波,可见光,X射线,2.电磁波谱中各波的特性与应用:,热效应,荧光效应,贯穿本领,知识点6 狭义相对论的基本假设 质能关系 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_。 (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_,光速与光源、观测者间的相对运动没 有关系。,相同的,相同的,2.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,【易错辨析】 (1)只有横波才能产生干涉和衍射现象 ( ) (2)太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的干涉的结果 ( ) (3)泊松亮斑支持了光的波动说 ( ) (4)光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象 ( ) (5)光的双缝干涉实验中,若仅将入射光从红光改为紫光,则相邻亮条纹间距一定变小 ( ),(6)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 ( ) (7)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 ( ) (8)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 ( ),提示:(1)。无论横波还是纵波都可以发生衍射现象,只要条件合适也都可以发生干涉现象。 (2)。太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的折射色散的结果。 (3)。泊松亮斑证明了波动说的正确性。,(4)。照相机的镜头上的增透膜是光的干涉现象。照相机的镜头呈现淡紫色,因为可见光有“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”七种颜色,而膜的厚度是唯一的,所以只能有一种颜色的光完全进入镜头,一般情况下都是让绿光全部进入的,这种情况下,你在可见光中看到的镜头反光颜色就是蓝紫色,因为反射光中已经没有了绿光。,(5)。在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由红光 改为紫色光,根据条纹间距公式x= ,波长变短,故 干涉条纹间距变窄。 (6)。均匀变化的电场产生稳定的磁场,稳定的磁场 不能再产生电场,故不能激发电磁波。,(7)。在真空中传播的电磁波,它的传播速度不变,由 v= 可知,当它的频率增加时,波长变短。 (8)。根据相对论的光速不变原理:真空中的光速在 不同的惯性参考系中都是相同的。,考点1 光的干涉、衍射、偏振 【核心要素精讲】 1.光的干涉、衍射比较:,2.自然光与偏振光:,【高考命题探究】 【典例1】如图所示,a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是 世纪金榜导学号42722306( ),A.a、b是光的干涉图样 B.c、d是光的干涉图样 C.形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短 D.形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长短,【解析】选A。干涉条纹是等距离的条纹,因此,a、b图 是干涉图样,c、d图是衍射图样,故A项正确、B项错误; 由公式x= 可知,条纹宽的入射光的波长长,所以a 图样的光的波长比b图样的光的波长长,故C项错误;c图 样的光的波长比d图样的光的波长长,故D项错误。,【强化训练】 1.(2017滁州模拟)如图所示, 两光屏间放有两个透振方向相 互平行的偏振片,现让太阳光沿 轴线通过光屏M上的小孔照射到偏振片P上,再通过偏振片Q,现以光的传播方向为轴使偏振片P由图示位置旋转90度,下列说法正确的是 ( ),A.MN间为偏振光 B.PQ间为自然光 C.PQ间的光线亮度逐渐变暗 D.光屏N上的亮度逐渐变暗,【解析】选D。MP间为自然光,经过偏振片P后变为偏振 光,因此PN间为偏振光,故A错误;MP间为自然光,经过偏 振片P后变为偏振光,因此PQ间为偏振光,故B错误;由于 自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同,因此经 过偏振片P后,使偏振片P由图示位置旋转90度的过程 中,PQ间的光线亮度不变,故C错误;自然光沿轴线通过,光屏M上的小孔照射到偏振片P上,再使偏振片P由图示位置旋转90度的过程中,当偏振片P与偏振片Q垂直时,光屏上没有亮度,则光屏上光的亮度逐渐变暗,故D正确。,2.劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图甲所示,将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,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。现若在图甲装置中再增加一张纸片,则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜上后,从上往下观察到的干涉条纹 ( ),A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失,【解析】选B。从空气膜的上下表面分别反射的两列光 是相干光,其光程差为x=2d,即光程差为空气层厚度 的2倍,当光程差x=n时表现为亮条纹,故相邻亮条 纹之间的空气层的厚度差为 ,显然增加一张纸片后 空气层的倾角变大,故相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距 离变小。故干涉条纹变密,故B正确。,【加固训练】 (2017温州模拟)一个半径较大的透明玻璃球体,截去其下面的一部分,然后将这一部分放在标准的水平面上,现让单色光竖直射向截面,如图所示,从上往下看到的是 ( ),A.一片黑暗 B.只能看到同颜色的平行的反射光 C.环形的明暗相间的干涉条纹 D.平行的明暗相间的干涉条纹 【解析】选C。玻璃球体的下表面和水平面的反射光是两束相干光,频率相同,发生干涉现象,干涉条纹是明暗相间的同心圆,故A、B、D错误,C正确。,考点2 实验:用双缝干涉测光的波长 【核心要素精讲】 1.实验装置:,2.实验方法: (1)根据公式x= 得= x。 (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x= 。 双缝间距d是已知的,这样就可以计算出波长。,3.实验步骤: (1)将光源、单缝、遮光筒、毛玻璃屏依次安装在光具座上。 (2)接好光源,打开开关,使灯丝正常发光。 (3)调节各器材的高度,使光源灯丝发出的一束光,能沿轴线到达光屏。,(4)安装双缝,使双缝与单缝的缝平行,二者间距约510 cm,观察白光的干涉条纹。 (5)在单缝和双缝间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹,安装测量头,调节至可清晰观察到干涉条纹。 (6)使分划板中心刻线对齐某明(或暗)条纹的中央,记下手轮上的读数a1,转动手轮使分划板中心刻线移动,记下干涉条纹的条数n和移动后手轮的读数a2,a1与a2的差即为n条亮纹的间距。,(7)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。 (8)重复测量、计算,求平均值作为波长的测量结果。 (9)换用不同的滤光片,重复实验。,4.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。,【高考命题探究】 【典例2】(2015全国卷)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x1与绿光的干涉条纹间距x2 相比,x1_(选填“”“”或“=”)x2。若,实验中红光的波长为630nm,双缝与屏幕的距离为1.00m,测得第一条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5mm,则双缝之间的距离为_mm。 世纪金榜导学号42722307,【解析】根据x= ,因为红光的波长比绿光的长, 所以红光的干涉条纹间距x1比绿光的干涉条纹间距 x2大;由题意得相邻亮条纹的间距为x= =2.110-3m,再由x= 可以解得d=0.300mm。 答案: 0.300,【强化训练】 1.(2017怀化模拟)双缝干涉实验装置如图所示,双缝间的距离为d,双缝到屏的距离为l,用红色激光照射双缝,调整实验装置使得屏上可以见到清晰的干涉条纹,关于干涉条纹,下列说法正确的是 ( ),A.若只将屏向右移动一小段距离,屏上条纹会变得模糊不清 B.若只将屏向右移动一小段距离,屏上相邻两亮纹间的距离变小 C.若只将双缝间的距离减小,屏上相邻两亮纹间的距离变小 D.若只将红色激光变为绿色激光,屏上相邻两亮纹间的距离变小,【解析】选D。在波的干涉中,干涉条纹的间距x= , 由公式可得,条纹间距与波长、缝屏之间的距离成正比, 与双缝间的距离d成反比,若只将屏向右移动一小段距 离,则干涉条纹的间距变大,不会变得模糊不清,故A、B 错误;若只将双缝间的距离减小,则可得条纹间距变大, 故C错误;若只将红色激光变为绿色激光,则波长变小, 所以屏上相邻两亮纹间的距离变小,故D正确。,2.现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在如图所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红光的波长。,(1)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,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、_、_、_、A。,(2)本实验的步骤有: 取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮; 按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上;,用米尺测量双缝到屏的距离; 用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。 在操作步骤时还应注意,(3)将测量头的分划板中心刻线 与某亮纹中心对齐,将该亮纹定 为第1条亮纹,此时手轮上的示 数如图甲所示。然后同方向转 动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,记下此时图乙中手轮上的示数_mm,求得相邻亮纹的间距x为_mm。,(4)已知双缝间距d为2.010-4m,测得双缝到屏的距离l为0.700m,由计算式=_,求得所测红光波长为_nm。,【解析】(1)滤光片E是从白光中选出单色红光,单缝屏是获取线光源,双缝屏是获得相干光源,最后成像在毛玻璃屏上,所以排列顺序为C、E、D、B、A(顺序不能交换)。 (2)在操作步骤时应注意的事项有:放置单缝、双缝时,单缝、双缝间距离为510cm;使单缝与双缝相互平行。,(3)螺旋测微器的读数应该先读整数刻度,然后看半刻 度是否露出,最后看可动刻度,图乙读数为13.870mm,图 甲读数为2.320 mm,所以相邻条纹间距x= =2.310mm。 (4)由条纹间距离公式x= 得:= ,代入数值 得:=6.610-7m=6.6102nm。,答案:(1)E D B (2)单缝与双缝必须平行,其间距为 510cm,保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中 心在同一轴线上 (3)13.870 2.310 (4) 6.6102,【加固训练】 (1)(多选)如图所示是用双缝干涉测光波波长的实验示意图,图中是光源、是滤光片、是单缝、是双缝、是光屏。下列操作能增大光屏上相邻两亮条纹之间距离的是 ( ),A.增大和之间的距离 B.增大和之间的距离 C.将绿色滤光片改成红色滤光片 D.增大双缝之间的距离,(2)如果将灯泡换成激光光源,该实验照样可以完成,这时可以去掉的部件是_(填数字代号)。,(3)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮条纹,读出手轮的读数如图甲所示。继续转动手轮,使分划板中心刻线对准第10条亮条纹,读出手轮的读数如图乙所示,则相邻两亮条纹的间距是_mm(结果保留三位有效数字)。,(4)在(3)前提下,如果已经量得双缝的间距是0.30mm,双缝和光屏之间的距离是900mm,则待测光的波长是_m。(结果保留三位有效数字),【解析】(1)由x= 知相邻两亮条纹之间的距离与 单缝和双缝之间的距离无关,A错误;增大和之间的 距离即是增大l,x增大,B正确;红光的波长大于绿光 的波长,C正确;增大双缝之间的距离,x减小,D错误。 (2)由于激光是相干光源,故可以去掉的部件是、。,(3)甲图读数是0.045mm,乙图读数是14.535mm,它们 的差值是14.490mm,所以相邻两亮条纹间距是x= mm=1.610 mm。 (4)待测光的波长= 5.3710-7m 答案:(1)B、C (2) (3)1.610 (4)5.3710-7,考点3 电磁波和电磁波谱 【核心要素精讲】 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。 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3.0108m/s; v=f对电磁波同样适用; 电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。,2.电磁波的发射和接收: (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;递变规律:直线传播能力增强,衍射能力减弱。,电磁波谱的特性、应用。,【高考命题探究】 【典例3】(多选)(2016全国卷)关于电磁波,下列说法正确的是 世纪金榜导学号42722308( ) 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】选A、B、C。电磁波在真空中传播速度不变,与波长、频率无关,选项A正确;电磁波的形成是变化的电场和变化的磁场互相激发得到,选项B正确;电磁波传播方向与电场方向和磁场方向垂直,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。,【强化训练】 1.关于麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的 是 ( ) A.稳定的电场产生稳定的磁场 B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场 C.变化的电场产生的磁场一定是变化的 D.振荡的电场在周围空间产生的磁场也是振荡的,【解析】选D。麦克斯韦的电磁场理论要点是变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场),若磁场(电场)的变化是均匀的,产生的电场(磁场)是稳定的,若磁场(电场)的变化是振荡的,产生的电场(磁场)也是振荡的,由此可判定正确答案为D项。,2.(2017朔州模拟)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,【加固训练】 (多选)为了测量储罐中不导电液体的 高度,将与储罐外壳绝缘的两块平行 金属板构成的电容器C置于储罐中,电 容器可通过开关S与线圈L或电源相连, 如图所示。当开关从a拨到b时,由L与C构成的回路中产生 周期T=2 的振荡电流。当罐中的液面上升时( ),A.电容器的电容减小 B.电容器的电容增大 C.LC回路的振荡频率减小 D.LC回路的振荡频率增大,【解析】选B、C。液面上升时,两板间的电介质变多, 根据电容的决定式C= 知,电容器的电容C增大,选 项B正确、A错误;根据振荡电流的周期T=2 可知, 周期变大,由f= 可知,频率变小,选项C正确、D错误。,考点4 狭义相对论的简单应用 【核心要素精讲】 狭义相对论: (1)狭义相对论的两个基本假设。 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。,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。,【高考命题探究】 【典例4】1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的,这两条基本假设是 世纪金榜导学号42722