（课标通用版）2020版高考物理总复习第十四章04第4讲光的波动性电磁波相对论（实验_用双缝干涉测光的波长）课件.pptx

第4讲光的波动性电磁波相对论（实验：用双缝干涉测光的波长）,一光的干涉,二光的衍射,三光的偏振,基础过关,四电磁场电磁波电磁波谱,五相对论的简单知识,考点一光的干涉,考点二光的衍射和偏振现象,考点三电磁场电磁波电磁波谱,考点突破,考点四实验：双缝干涉测光的波长,基础过关,一、光的干涉1.光的干涉在两列光波叠加的区域,某些区域的光相互加强,出现亮条纹,某些区域的光相互减弱,出现暗条纹,且加强区域和减弱区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象。,2.干涉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,在屏上出现亮暗相间的条纹。白光的双缝干涉的条纹是中央为白色条纹,两边为彩色条纹,单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为x=。,4.薄膜干涉利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后两面反射的光相遇而形成的。干涉图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应的薄膜厚度相同。二、光的衍射1.光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)泊松亮斑(圆盘衍射):当光照到不透明(选填“透明”或“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)。,2.衍射条纹的特点(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较,三、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,反射光和折射光都是偏振光。,4.光的偏振现象说明光是一种横波。,四、电磁场电磁波电磁波谱,1.电磁场变化的电场在周围空间产生磁场,变化的磁场在周围空间产生电场,变化的电场和磁场总是相互联系成为一个完整的整体,这就是电磁场。,2.电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播,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是相同的(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。(4)v=f,f是电磁波的频率。,3.电磁波的发射(1)发射条件:开放电路和足够高的振荡频率。(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。调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段。b.调频:使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法调制。,4.无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相等时,激起的感应电流最强,这就是电谐振现象。(2)使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。能够调谐的接收电路叫做调谐电路。(3)由调谐电路接收到的感应电流,是经过调制的高频电流,还不是我们需要的声音或图像信号。因此还要使声音或图像信号从高频电流中还原出来,这个过程是调制的逆过程,所以叫做解调。调幅,波的解调也叫检波。,5.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做电磁波谱。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、射线。,(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,光速与光源和观测者间的相对运动没有关系。,五、相对论的简单知识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)物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0。3.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。,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=。,1.判断下列说法对错。(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。(),2.(2016天津理综,1,6分)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,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。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是(C),A.米波的频率比厘米波频率高B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象D.不可能产生干涉和衍射现象,3.下列关于电磁波的说法正确的是(B)A.麦克斯韦提出了电磁场理论,并用实验证实了电磁波的存在B.各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样,为3108m/sC.经过调幅后的电磁波是横波,经过调频后的电磁波是纵波D.红外线是波长比可见光波长还长的电磁波,常用于医院和食品消毒,4.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细,如图所示,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(ADE)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E.如果屏上条纹变细,表明抽制的丝变粗,考点一光的干涉,考点突破,1.双缝干涉中亮、暗条纹的确定双缝干涉实验中,光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差,记为。如图所示。,(1)若光程差是波长的整倍数,即=n(n=1,2,3,),P点将出现亮条纹;(2)若光程差是半波长的奇数倍,即=(2n+1)(n=0,1,2,3,),P点将出现暗条纹;(3)屏上到双缝S1、S2距离相等的点为加强点,故双缝干涉中央条纹为亮条纹。,2.薄膜干涉的理解(1)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。(2)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,两列光波同相叠加,出现亮条纹;反相叠加,出现暗条纹。,(3)原理分析单色光:在P1(或P2)处,两个表面反射回来的两列光波的光程差等于波长的整数倍,即=n(n=1,2,3,),薄膜上出现亮条纹;在Q处,两列反射回来的光波的光程差等于半波长的奇数倍,即=(2n+1)(n=0,1,2,3,),薄膜上出现暗条纹。白光:薄膜上出现水平彩色条纹。,(4)薄膜干涉的应用干涉法检查平面平整度的原理:如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光从上面照射时,从空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方,两列光波的路程差相同,两列光波叠加时相互加强或减弱的情况也相同,所以若被测表面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测表面不平。,被测平面凹下或凸起的形象判断法矮人行走法:即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走,始终保持脚踏被检板,头顶样板,在行走过程中:,a.若遇一凹下,他必向薄膜的尖端方向去绕,方可按上述要求过去,即条纹某处弯向薄膜尖端,该处为一凹下。(如图中P点)b.若某处有一凸起,他要想过去,必向薄膜底部方向去绕,即条纹某处弯向薄膜底部方向时,该处必为一凸起。(如图中Q点),例如图所示,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2.110-6m,今分别用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光在折射率为n=1.5的介质中波长为410-7m;(2)已知B光在某种介质中波长为3.1510-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37(sin37=0.6,cos37=0.8);(3)若用A光照射时,把其中一条缝遮住,试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1,在介质中波长为2。由n=,得1=n2=1.5410-7m=610-7m光程差x=2.110-6m所以N1=3.5由此可知,从S1和S2到P点的光程差x是波长1的3.5倍,所以P点为暗条纹。(2)根据临界角与折射率的关系sinC=得,答案(1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析,n1=由此可知,B光在空气中波长3为3=n1介=3.1510-7m=5.2510-7m所以N2=4P点为亮条纹。(3)若用A光照射时,把其中一条缝遮住,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。,考向1双缝干涉现象1.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,x1x2(填“”、“=”或“0.300解析根据公式x=,红光波长大于绿光波长,因此x1x2。根据题意,相邻亮条纹间距x=mm=2.1mm,所以d=3.0010-4m=0.300mm。,考向2薄膜干涉现象2.(多选)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上,一端用薄片垫起,构成空气劈尖,让单色光从上方射入,如图所示,这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法中正确的是(),A.干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两面反射形成的两列光叠加的结果B.干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.将上玻璃板平行上移,条纹向着劈尖移动D.观察薄膜干涉条纹时,应在入射光的另一侧,答案AC解析根据薄膜干涉的产生原理可知,题述现象是由空气劈尖膜上下两面反射的两列光叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振动加强,形成亮条纹,所以A项对,B项错;因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的一侧,故D项错误;条纹的位置与空气膜的厚度是对应的,当上玻璃板平行上移时,同一厚度的空气膜向劈尖移动,故条纹向着劈尖“移动”,故C项正确。,方法技巧,考点二光的衍射和偏振现象,1.光的干涉和衍射的比较(1)干涉和衍射的比较,(2)对光的衍射的理解干涉和衍射是波的特征,波长越长,干涉和衍射现象越明显。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。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,光才可以看做是沿直线传播的。,2.自然光和偏振光的比较,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(A)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图样的光的波长短,D.形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短,解析由双缝干涉和单缝衍射图样的特点可知,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,所以形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长长,故C项错误;由单缝衍射图样特点可知,形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长长,故D项错误。,2.假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置,使司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激,也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。以下措施中可行的是(D)A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是水平的B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向也是竖直的C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45D.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45,车灯玻璃的透振方向也是斜向右上45,解析首先,司机要能够看清楚自己车灯发出的经对面物体反射回来的光线,所以他自己车灯玻璃的透振方向和前窗玻璃的透振方向一定要平行;其次,他不能看到对面车灯发出的强光,所以对面车灯玻璃的透振方向与他自己车窗玻璃的透振方向一定要垂直。满足上述要求的只有D。,考点三电磁场电磁波电磁波谱,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E、磁场B、传播方向v三者两两垂直,如图所示。(2)电磁波与机械波不同,机械波在介质中传播的速度与介质有关,电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。,3.电磁波谱分析及应用,1.(多选)2016课标,34(1),5分关于电磁波,下列说法正确的是(ABC)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的传播速度为3108m/s,与频率无关,选项A正确;由麦克斯韦电磁场理论可知,选项B正确;变化的电场和磁场相互激发,且相互垂直,形成的电磁波的传播方向与电场和磁场均垂直,选项C正确;电磁波可以通过电缆、光缆传输,选项D错误;电磁振荡停止后,电磁波可以在空间继续传播,直到能量消耗完为止,选项E错误。,2.(1)下列关于电磁波的说法正确的是()A.均匀变化的磁场能够在空间产生电场B.电磁波在真空和介质中传播速度相同C.只要有电场和磁场,就能产生电磁波D.电磁波在同种介质中只能沿直线传播(2)目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内。请回答下列关于雷达和电磁波的有关问题。雷达发射电磁波的波长范围是多少?能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的距离?,解析(1)如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是恒定的,不能再产生新的电场(或磁场),因而不能产生电磁波,A正确,C错误;电磁波在真空中传播速度最大,在不同介质中传播速度不同,B错误;电磁波在同种均匀介质中能沿直线传播,D错误。(2)由c=f可得:1=m=1.5m,2=m=0.3m。故雷达发射电磁波的波长范围是0.3m1.5m。,答案(1)A(2)0.31.5m能,电磁波测距的原理就是通过发射和接收反射回来的电磁波的时间间隔来确定距离,所以可根据x=确定雷达和目标间的距离。,方法技巧,考点四实验:双缝干涉测光的波长,一、实验目的1.了解光波产生稳定的干涉现象的条件。2.观察白光和单色光的双缝干涉图样。3.测定单色光的波长。,二、实验原理单色光通过单缝后,经双缝产生稳定的干涉图样,图样中相邻两条亮(暗)条纹间的距离x与双缝间的距离d、双缝到屏的距离l、单色光的波长之间满足=。,三、实验器材双缝干涉仪(由光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成),另外还有学生电源、导线、刻度尺。四、实验步骤1.观察干涉条纹(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。如图所示。,(2)接好电源,打开开关,使灯丝正常发光。(3)调节各器件的高度,使光源灯丝发出的光能沿遮光筒的轴线到达光屏。(4)安装双缝和单缝,中心大致位于遮光筒的轴线上,使双缝与单缝的缝平行,二者间距约510cm,这时,可观察白光的干涉条纹。(5)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹。,2.测定单色光的波长(1)安装测量头,调节至可清晰观察到干涉条纹。(2)使分划板中心线对齐某条亮条纹的中央,记下手轮上的读数a1,将该条纹记为第1条亮条纹;转动手轮,使分划板中心线移动至另一亮条纹的中央,记下此时手轮上的读数a2;将该条亮纹记为第n条亮条纹,则相邻两亮条纹间距x=。(3)用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l(d是已知的)。(4)重复测量、计算,求出波长的平均值。,五、数据处理1.条纹间距x=。,2.波长=x。,3.计算多组数据,求的平均值。,3.光源灯丝最好为线状灯丝,并与单缝平行且靠近。4.照在光屏上的光很弱,主要原因是灯丝与单缝、双缝,测量头与遮光筒不共轴所致;干涉条纹不清晰的一般原因是单缝与双缝不平行所致,故应正确调节。,六、注意事项1.双缝干涉仪是比较精密的仪器,应轻拿轻放,且注意保养。2.安装时,注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上,并使单缝、双缝平行且间距适当。,七、误差分析1.双缝到屏的距离l的测量存在误差。2.测条纹间距x带来的误差:(1)干涉条纹没有调整到最清晰的程度。(2)误认为x为亮(暗)条纹的宽度。(3)分划板刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于条纹中心。(4)测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的条纹数未数清。,1.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)本实验的实验步骤有: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和。(2)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数如图(a)