高考物理一轮复习讲义 2.2 光的波动性 电磁波 相对论简介 新人教版选修34.doc

第2讲光的波动性电磁波相对论简介光的干涉、衍射和偏振(考纲要求)1.光的干涉和衍射比较表内容干涉衍射现象在光重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或小得多典型实验杨氏双缝实验单缝衍射(圆孔衍射、不透明圆盘衍射)图样特点不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹等间距各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2.薄膜干涉(1)相干光来自于薄膜的前、后表面(或上、下表面)反射回来的两列反射光(2)薄膜干涉的应用：增透膜；检查工件的平整度3自然光和偏振光的比较表自然光(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偏振片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，且沿各个方向光振动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1明、暗条纹的条件(1)单色光光的路程差r2r1k(k0,1,2)，光屏上出现明条纹光的路程差r2r1(2k1)(k0,1,2)，光屏上出现暗条纹(2)白光：光屏上出现彩色条纹(3)条纹间距公式：x2观察薄膜干涉条纹时，应该与光源处在薄膜的同一侧观察实验：用双缝干涉测光的波长测量头的构造及使用如图221甲所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，分划板会向左右移动，测量时，应使分划板中心刻度对齐条纹的中心，如图221乙，记下此时手轮上的读数图221两次读数之差就表示这两条条纹间的距离实际测量时，要测出n条明纹(暗纹)的宽度，设为a，那么x.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.变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场电磁波的产生、发射及接收，电磁波及其传播(考纲要求)1电磁振荡的规律(1)产生原因：电容器的充、放电作用和线圈的自感作用(2)实质：电场能与磁场能的相互转化(3)具体表现：两组物理量的此消彼长，周期性变化，循环往复电容器的电荷量q，电势差u，场强e，线圈的自感电动势e自图222电路中的电流i，线圈内的磁感应强度b.分别如图222甲、乙放电过程：q减小、i增大充电过程：q增大、i减小放电完毕：q0、i最大充电完毕：q最大、i0.2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3电磁场变化电场在周围空间产生磁场，变化磁场在周围空间产生电场，变化的电场和磁场成为一个完整的整体，这就是电磁场4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)vf，f是电磁波的频率5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(包括调频和调幅)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6无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟接收到的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做调谐能够调谐的接收电路叫做调谐电路(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做检波检波是调制的逆过程，也叫做解调.电磁波谱(考纲要求)电磁波谱特性应用真空中波长/m频率/hz递变规律无线电波波动性强，易发生衍射无线电技术10331011波长减小频率增大红外线热效应红外线遥感10310710111015可见光引起视觉照明、摄影1071015紫外线化学效应、荧光效应、能杀菌医用消毒、防伪10710910151017x射线贯穿性强检查、医用透视108101110161019射线贯穿本领最强工业探伤、医用治疗1019狭义相对论的基本假设(考纲要求)质速关系质能关系(考纲要求)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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系2时间和空间的相对性(1)时间间隔的相对性：t(2)长度的相对性：ll0 .3相对论的三个结论(1)速度变换公式：u(2)相对论质量(质速关系)：m(3)质能方程(质能关系)：emc2.特别提醒由相对论质量m知回旋加速器中被加速的粒子速度增大，粒子的质量增大，从而使它做圆周运动的周期发生变化，不再与d形盒上的交变电压同步这样不会使粒子的速度无限增大图2231如图223是双缝干涉实验装置的示意图，s为单缝，s1、s2为双缝，p为光屏用绿光从左边照射单缝s时，可在光屏p上观察到干涉条纹下列说法正确的是()a减小双缝间的距离，干涉条纹间的距离减小b增大双缝到屏的距离，干涉条纹间的距离增大c将绿光换为红光，干涉条纹间的距离减小d将绿光换为紫光，干涉条纹间的距离增大解析由双缝干涉条纹间距公式x可知，减小双缝间的距离d，干涉条纹间的距离x增大，a错误；增大双缝到屏的距离l，干涉条纹间的距离增大，b正确；将绿光换为红光，入射光的波长增大，干涉条纹间的距离应增大，c错误；将绿光换为紫光，入射光的波长变短，干涉条纹间的距离应减小，d错误答案b图2242(2012成都一模)用如图224所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象图a是点燃的酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图b是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是()a当金属丝圈旋转30时干涉条纹同方向旋转30b当金属丝圈旋转45时干涉条纹同方向旋转90c当金属丝圈旋转60时干涉条纹同方向旋转30d干涉条纹保持原来状态不变解析金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，a、b、c错误，d正确答案d3声波能绕过某一建筑物传播而光波却不能绕过该建筑物，这是因为()a声波是纵波，光波是横波b声波振幅大，光波振幅小c声波波长较长，光波波长很短d声波波速较小，光波波速很大解析意在考查考生对产生明显波的衍射条件的理解根据波产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸与波的波长差不多或比波的波长小可知，声波有明显的衍射而光波的衍射不明显是因为声波的波长较长，c正确答案c4(2011广东梅州二模)电磁波与机械波相比较有()a电磁波传播不需要介质，机械波传播也不需要介质b电磁波在任何介质中的传播速率都相同，机械波在同一介质中的传播速率相同c电磁波与机械波都不能产生干涉现象d电磁波与机械波都能产生衍射现象解析电磁波传播不需要介质，且在不同介质中，传播速度不同，即v；故a、b错误；电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，故c错、d正确答案d5光的偏振现象说明光是横波下列现象中不能反映光的偏振特性的是()a一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化b一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90时，反射光是偏振光c日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰d通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹解析由光的偏振现象的知识可知a、b、c均反映了光的偏振特性，只有d选项是利用手指间的狭缝去观察光的衍射现象，故选d.答案d6如图225所示，a、b两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图样，其中图a是光的(填“干涉”或“衍射”)图样由此可以判断出图a所对应的圆孔的孔径(填“大于”或“小于”)图b所对应的圆孔的孔径图225解析a中出现明暗相间的条纹，是衍射现象，b中出现圆形亮斑只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象图a是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在107 m数量级上，所以图a对应的圆孔的孔径比图b所对应的圆孔的孔径小图b的形成可以用光的直线传播解释答案衍射小于7下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上(1)x光机，_.(2)紫外线灯，_.(3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好这里的“神灯”是利用_a光的全反射b紫外线具有很强的荧光作用c紫外线具有杀菌消毒作用dx射线的很强的贯穿力e红外线具有显著的热效应f红外线波长较长，易发生衍射解析(1)x光机是用来透视人的体内器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大的伤害的x射线，选择d.(2)紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，因此选择c.(3)“神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，因此选择e.答案(1)d(2)c(3)e8如图226所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为光源、遮光筒、光屏对于某种单色光，为增加相邻亮纹(暗纹)间的距离，可采取或的方法图226解析做该实验时用单色光，应特别注意，是滤光片，其他依次是单缝屏、双缝屏、遮光筒和毛玻璃屏由条纹间距公式x可知，要增大相邻条纹间距，应该增大双缝屏到光屏的距离或者减小两缝间距离答案滤光片单缝屏双缝屏增大双缝屏到光屏的距离减小两缝间距离考点一光的干涉、衍射及偏振图227【典例1】 (1)在研究材料a的热膨胀特性时，可采用如图227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；当温度升高到t2时，亮度再一次回到最亮在b板上方观察到的亮暗变化是由哪两个表面的反射光叠加形成的？温度由t1升高到t2时，a的高度升高多少？(2)肥皂泡在太阳光照射下呈现的彩色是_现象；露珠在太阳光照射下呈现的彩色是_现象；通过狭缝看太阳光时呈现的彩色是_现象凡是波都具有衍射现象，而把光看做直线传播的条件是_要使光产生明显的衍射，条件是_当狭缝的宽度很小并保持一定时，用红光和紫光照射狭缝，看到的衍射条纹的主要区别是_如图228所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片p和q，以光的传播方向为轴旋转偏振片p或q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明_.图228解析(1)a、b间为空气薄膜，在b板上方观察到的亮暗变化，是由b的下表面反射的光和a的上表面反射的光叠加产生的当温度为t1时，设空气薄膜厚度为d1，此时最亮说明：2d1k当温度为t2时，设空气薄膜厚度为d2，此时再一次最亮说明：2d2(k1)得d1d2故温度由t1升高到t2，a的高度升高.(2)肥皂泡呈现的彩色是光的干涉现象，露珠呈现的彩色是光的色散，通过狭缝看太阳光呈现的彩色是光的衍射现象障碍物或孔的尺寸比波长大得多时，可把光看做沿直线传播；障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时，可产生明显的衍射现象红光的中央亮纹宽，红光的中央两侧的亮纹离中央亮纹远这个实验说明了光是一种横波答案见解析【变式1】 下列说法或现象正确的是()a泊松亮斑是光通过圆孔发生衍射时形成的b为了使牛顿环的直径大些，应选用表面不太弯曲的凸透镜c照相机镜头上涂有一层增透膜的厚度应为绿光在真空中波长的d拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度解析泊松亮斑是光通过不透明的小圆盘发生衍射时形成的，a项错凸透镜表面不太弯曲时空气薄膜厚度小，牛顿环的直径大些，b项正确照相机镜头上涂有一层增透膜的厚度应为绿光在该介质中波长的，c项错加偏振片的作用是减弱反射光答案b考点二用双缝干涉测光的波长【典例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，要把它们放在图229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.图229(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2210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2210乙中手轮上的示数 mm，求得相邻亮纹的间距x为 mm.图2210(4)已知双缝间距d为2.0104 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，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所以排列顺序为：c、e、d、b、a.(2)在操作步骤时应注意的事项有：放置单缝、双缝时，必须使缝平行；单缝、双缝间距离大约为510 cm；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上(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13.870 mm，图甲读数为2.320 mm，所以相邻条纹间距x mm2.310 mm.(4)由条纹间距离公式x得：，代入数值得：6.6107 m6.6102 nm.答案(1)e、d、b(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行；单缝、双缝间距离大约为510 cm；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上(3)13.8702.310(4)6.6102【变式2】 (1)备有下列仪器：a白炽灯b双缝c单缝d滤光片e白色光屏把以上仪器装在光具座上时，正确的排列顺序应该是：_(填写字母代号)(2)已知双缝到光屏之间的距离l500 mm，双缝之间的距离d0.50 mm，单缝到双缝之间的距离s100 mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准a条亮纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准b条亮纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图2211所示则入射光的波长_m(结果保留两位有效数字)图2211(3)实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有_a改用波长较长的光(如红光)作为入射光b增大双缝到屏的距离c增大双缝到单缝的距离d增大双缝间距解析(1)课本知识，需熟练掌握基础知识(2)游标卡尺读数精确度为0.1 mm，a位置主尺读数为11 mm，游标尺读数为1，读数为x111 mm10.1 mm11.1 mm，同理b位置读数为x215.6 mm，则条纹间距x0.64 mm.利用 x6.4107 m.(3)由x可知，要增大条纹间距，可用波长更长的入射光或增大双缝到屏的距离，故选项a、b正确答案(1)adcbe(2)6.4107(3)ab考点三电磁场和电磁波【典例3】 (1)麦克斯韦电磁理论的内容是： _.(2)电磁波在传播过程中，每处的电场方向和磁场方向总是_的，并和该处电磁波的传播方向_，这就说明电磁波是_波(3)目前雷达发射的电磁波频率多在200 mhz至1 000 mhz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)麦克斯韦电磁理论的内容是：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场(2)电磁波在传播过程中，每处的电场方向和磁场方向总是垂直的，并和该处电磁波的传播方向垂直，这说明电磁波是横波(3)由cf可得：1 m1.5 m，2 m0.3 m.电磁波测距的原理就是通过发射和接收的时间间隔来确定距离，所以可根据xvt确定和目标间的距离答案见解析【变式3】 目前雷达发射的电磁波频率多在200 mhz至1 000 mhz的范围内，下列关于雷达和电磁波说法错误的是()a真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至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和目标的距离d波长越短的电磁波，反射性能越强解析据，电磁波频率在200 mhz至1 000 mhz的范围内，则电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间，故a正确雷达是利用电磁波的反射原理，电磁波的产生是依据麦克斯韦的电磁场理论变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，故b错误，c正确答案b考点四狭义相对论的简单应用【典例4】 如图2212所示，考虑几个问题：图2212(1)如图所示，参考系o相对于参考系o静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系o相对于参考系o以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参考系o相对于参考系o以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？解析根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是cv，第三种情况应是cv，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c.答案(1)c(2)c(3)c【变式4】 据报导，欧洲大型强子对撞机(lhc)已于2008年9月10日开启，并加速第一批质子，该对撞机“开足马力”后能把数以百万计的粒子加速至每秒钟30万公里，相当于光速的99.9%，粒子流每秒可在隧道内狂飙11 245圈，单束粒子能量可达7万亿电子伏特下列说法正确的是()a如果继续对粒子进行加速，粒子的速度将能够达到光速b如果继续对粒子进行加速，粒子的速度将能够超过光速c粒子高速运动时的质量将大于静止时的质量d粒子高速运动时的质量将小于静止时的质量解析根据公式u可知物体的速度u不可能等于或大于光速，所以a、b错误根据公式m可知高速运动的物体的质量m大于静止时的质量m0，所以c正确、d错误；本题答案为c.答案c一、光的干涉和衍射(中频考查)图22131(2009上海高考)如图2213所示为双缝干涉的实验装置示意图，若要使干涉条纹的间距变大可改用波长更_(填“长”或“短”)的单色光，或是使双缝与光屏间的距离_(填“增大”或“减小”)解析依据双缝干涉条纹间距规律x，可知要使干涉条纹的间距变大，需要改用波长更长的单色光，或增大双缝与屏之间的距离l.答案长增大2下列说法正确的是()a雨后路面的油膜出现彩色条纹，这是光的色散现象b太阳光斜射在铁栅栏上，地面出现明暗相同条纹，这是光的干涉现象c对着日光灯从两铅笔的狭缝中看到的彩色条纹，这是光的衍射现象d从月亮光谱可以分析月亮的化学成份答案c3(2010江苏高考)(1)激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛下面关于激光的叙述正确的是()a激光是纵波b频率相同的激光在不同介质中的波长相同c两束频率不同的激光能产生干涉现象d利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离(2)如图2214所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30107 m，屏上p点距双缝s1和s2的路程差为7.95107 m则在这里出现的应是_(填“明条纹”或暗条纹)现改用波长为6.30107 m的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将_(填“变宽”、变窄或“不变”)图2214解析激光是一种光，是横波，a错误；频率相同的激光在不同介质中的波长不同，b错误；两束频率不同的激光不能产生干涉现象，c错误；利用激光平行度好的特点可以测距，d正确(2)由1.5可知，波程差是半波长的奇数倍，是暗条纹由x可知，变大，x变大，故屏上条纹间距变宽答案(1)d(2)暗条纹变宽图22154(2011北京卷，14)如图2215所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝s时，在光屏p上观察到干涉条纹要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以()a增大s1与s2的间距b减小双缝屏到光屏的距离c将绿光换为红光d将绿光换为紫光解析在双缝干涉实验中，相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离x，要想增大条纹间距可以减小两缝间距d，或者增大双缝屏到光屏的距离l，或者换用波长更长的光做实验由此可知，选项c正确，选项a、b、d错误答案c图22165(2011上海单科，21)如图2216所示，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，这是光的_(填“干涉”、“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的_(填“波动说”、“微粒说”或“光子说”)解析激光束照射圆盘，中心形成的亮斑，说明激光绕过了圆盘，所以现象应是衍射，证实了激光具有波动性答案衍射波动说二、电磁波(低频考查)6(2009天津，2)下列关于电磁波的说法正确的是()a电磁波必须依赖介质传播b电磁波可以发生衍射现象c电磁波不会发生偏振现象d电磁波无法携带信息传播解析电磁波在真空中也能传播，a错；衍射是一切波所特有的现象，b对；电磁波是横波，横波能发生偏振现象，c错；所有波都能传递信息，d错答案b7(2009四川)关于电磁波，下列说法正确的是()a雷达是用x