江苏专用高考物理大一轮复习学案第15单元光学电磁波相对论

/29/29/第15单元光学电磁波相对论高考热点统计要求2014年2015年2016年2017年高考基础要求及冷点统计ⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅢⅠⅡⅢ光的折射定律Ⅱ34(2)34(2)34(1)34(2)34(2)34(2)34(2)34(2)狭义相对论的基本假设、质能关系(Ⅰ)实验:测定玻璃的折射率电磁波的产生包括了麦克斯韦电磁波理论,需要引起注意.相对论在近些年全国卷考查中是冷点.折射率、全反射、光导纤维、光的干涉、衍射和偏振现象Ⅰ34(2)34(2)34(1)34(2)34(2)34(2)34(2)34(2)电磁波的产生、发射、传播和接收、电磁波谱Ⅰ34(1)实验:用双缝干涉测量光的波长34(1)34(1)考情分析1.本章考查的热点有光的折射定律、折射率的计算、全反射的应用等,题型有选择、填空、计算等,难度中等偏下,光的折射与全反射的综合,以计算题的形式考查的居多。2.对于光学部分,分析几何光学中的折射、全反射和临界角问题时,应注意与实际应用的联系,作出正确的光路图;3.电磁波和相对论部分,以考查基本概念及对规律的简单理解为主,不可忽视任何一个知识点.第37讲光的折射、全反射一、光的折射定律1.折射现象:光从一种介质进入另一种介质时传播方向的现象.?2.折射定律(1)内容:折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的;入射角的正弦与成正比.?(2)表达式:=n12(θ1、θ2分别为入射角和折射角,n12是比例常数).二、折射率1.定义:光从真空射入某种介质发生折射时,与之比,叫作这种介质的折射率.?2.定义式:n=.折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定.?3.计算公式:n=,因为v<c,所以任何介质的折射率都大于.?对两种介质来说,若n1>n2,则折射率为n1的介质称为光密介质,折射率为n2的介质称为光疏介质.4.物理意义:折射率是表示光从一种介质进入另一种介质时,发生偏折程度的物理量,与入射角θ1及折射角θ2的大小无关.三、全反射1.定义:光从光密介质入射到光疏介质的分界面上时,当增大到某一角度时,折射光线消失,只剩下反射光线的现象.?2.条件:①光从介质射向介质;②入射角临界角.?3.临界角:折射角等于90°时的入射角.若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时,发生全反射的临界角为C,则sinC=.?4.应用:全反射棱镜、.?四、光的色散1.光的色散:含有多种颜色的光被分解为的现象叫作光的色散.白光通过三棱镜会分解为红、橙、、绿、、靛、紫七种单色光.?2.光谱:含有多种颜色的光被分解后,各种色光按其波长的排列.?【思维辨析】(1)无论是折射光路,还是全反射光路都是可逆的. ()(2)光线从光疏介质进入光密介质,入射角等于临界角时发生全反射现象. ()(3)若光从空气中射入水中,它的传播速度一定增大. ()(4)在同一种介质中,光的频率越大,折射率越大. ()(5)折射率跟折射角的正弦成正比. ()(6)只要入射角足够大,就能发生全反射. ()(7)折射定律是托勒密发现的. ()(8)密度大的介质一定是光密介质. ()考点一全反射现象的理解及应用1.对全反射的理解(1)光的反射和全反射现象均遵循光的反射定律,光路均是可逆的.(2)光线射向两种介质的界面时,往往同时发生折射和反射现象,但在全反射现象中只发生反射现象,不发生折射现象,当折射角等于90°时,实际上就已经没有折射光线了.(3)从能量角度分析,光从光密介质射向光疏介质时,随着入射角增大,反射光的能量增强,折射光的能量减弱,当入射角增大到临界角时,折射光的能量减小到零,发生全反射现象,折射光线消失.2.解题思路(1)画出恰好发生全反射的光路图;(2)利用几何关系找出临界角;(3)判断发生全反射的范围.1如图37-1所示,玻璃球冠的折射率为,其底面镀银,底面的半径是球半径的;在过球心O且垂直于底面的平面(纸面)内,有一与底面垂直的光线射到玻璃球冠上的M点,该光线的延长线恰好过底面边缘上的A点.求该光线从球面射出的方向相对于其初始入射方向的偏角.图37-1式题1[2014·全国卷Ⅱ]一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面,在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上,已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率.式题2[2013·全国卷Ⅱ]如图37-2所示,三棱镜的横截面为直角三角形ABC,∠A=30°,∠B=60°.一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜,在AC边发生反射后从BC边的M点射出.若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等.(1)求三棱镜的折射率;(2)在三棱镜的AC边是否有光线透出?写出分析过程.(不考虑多次反射)图37-2考点二光的色散1.光速与波长、频率的关系光速v与波长λ、频率f的关系为v=λf.光从一种介质进入另一种介质时,频率不变,波长改变,光速改变.2.各种色光的比较颜色红橙黄绿蓝靛紫频率低→高同一介质中折射率小→大同一介质中速度大→小波长大→小临界角大→小通过棱镜的偏折角小→大2(多选)[2015·全国卷Ⅱ]如图37-3所示,一束光沿半径方向射向一块半圆形玻璃砖,在玻璃砖底面上的入射角为θ,经折射后射出a、b两束光线,则 ()图37-3A.在玻璃中,a光的传播速度小于b光的传播速度B.在真空中,a光的波长小于b光的波长C.玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率D.若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大,则折射光线a首先消失E.分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验,a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距式题[2015·四川卷]直线P1P2过均匀玻璃球球心O,细光束a、b平行且关于P1P2对称,由空气射入玻璃球的光路如图37-4所示.a、b光相比 ()图37-4A.玻璃对a光的折射率较大B.玻璃对a光的临界角较小C.b光在玻璃中的传播速度较小D.b光在玻璃中的传播时间较短考点三折射定律与全反射综合求解光的折射与全反射的综合问题时,要抓住折射定律和发生全反射的条件这两个关键.基本思路如下:(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质.(2)判断入射角是否大于临界角,明确是否发生全反射现象.(3)画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图,然后结合几何知识进行推断和求解相关问题.(4)折射率n是讨论折射和全反射问题的重要物理量,是联系各物理量的桥梁,对跟折射率有关的所有关系式应熟练掌握.3[2017·全国卷Ⅰ]如图37-5所示,一玻璃工件的上半部是半径为R的半球体,O点为球心;下半部是半径为R、高为2R的圆柱体,圆柱体底面镀有反射膜.有一平行于中心轴OC的光线从半球面射入,该光线与OC之间的距离为0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次反射).求该玻璃的折射率.图37-5式题[2017·陕西五校三模]如图37-6所示为一巨大的玻璃容器,容器底部有一定的厚度,容器中装一定量的水,在容器底部有一单色点光源,已知水对该光的折射率为,玻璃对该光的折射率为1.5,容器底部玻璃的厚度为d,水的深度也为d.求:(1)该光在玻璃和水中传播的速度;(光在真空中的传播速度为c)(2)水面形成的光斑的面积.(仅考虑直接由光源发出的光线)图37-6考点四测定玻璃的折射率考向一实验原理与步骤1.实验原理实验原理图如图37-7所示,当光线AO1以一定的入射角θ1穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B,从而求出折射光线O1O2和折射角θ2,再根据n=算出玻璃的折射率.图37-72.实验步骤(1)用图钉把白纸固定在木板上.(2)在白纸上画一条直线aa',并取aa'上的一点O1为入射点,作过O1点的法线NN'.(3)画出线段AO1作为入射光线,并在AO1上插上P1、P2两根大头针.(4)在白纸上放上玻璃砖,使玻璃砖的一条长边与直线aa'对齐,并画出另一条长边的对齐线bb'.(5)眼睛在bb'的一侧透过玻璃砖观察两根大头针并调整视线方向,使P1的像被P2的像挡住,然后在眼睛这一侧插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P1、P2的像和P3.(6)移去玻璃砖,拔去大头针,由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O2B及出射点O2,连接O1、O2得线段O1O2.(7)用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.(8)改变入射角,重复实验,算出不同入射角时的,并取平均值.4在“测定玻璃的折射率”实验中,某同学经正确操作插好了4枚大头针,如图37-8所示.图37-8(1)在图37-9中画出完整的光路图.图37-9(2)对你画出的光路图进行测量和计算,求得该玻璃砖的折射率n=(保留三位有效数字).?(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象,某同学做了两次实验,经正确操作插好了8枚大头针,如图37-10所示.图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针,其对应出射光线上的2枚大头针是P3和(选填“A”或“B”).?图37-10式题某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率(如图37-11所示).实验的主要过程如下:图37-11A.把白纸用图钉固定在木板上,在白纸上作出直角坐标系xOy,在白纸上画一条线段AO表示入射光线.B.把半圆形玻璃砖M放在白纸上,使其底边aa'与x轴重合.C.用一束平行于纸面的激光从y>0区域沿y轴负方向射向玻璃砖,并沿x轴方向调整玻璃砖的位置,使这束激光从玻璃砖底面射出后,仍沿y轴负方向传播.D.在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.E.在坐标系y<0的区域内竖直地插上大头针P3,并使得从P3一侧向玻璃砖方向看去,P3能同时挡住P1和P2的像.F.移开玻璃砖,连接O、P3,用圆规以O点为圆心画一个圆(如图中虚线所示),此圆与AO线交点为B,与OP3线的交点为C.确定出B点到x轴、y轴的距离分别为y1、x1,C点到x轴、y轴的距离分别为y2、x2.(1)若实验中该同学没有将玻璃砖的底边aa'与x轴重合,而是向y>0方向侧移了一些,这将导致所测的玻璃折射率与其真实值相比(选填“偏大”“不变”或“偏小”).?(2)若实验中该同学在y<0的区域内,从任何角度都无法透过玻璃砖看到P1、P2,为能透过玻璃砖看到P1、P2,应采取的措施是:.?■注意事项(1)实验时,应尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O1、P3与O2之间距离要稍大一些.(2)入射角θ1不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°).太大:反射光较强,折射光较弱;太小:入射角、折射角测量的相对误差较大.(3)操作时,手不能触摸玻璃砖的光学面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线.(4)实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变.(5)玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5cm以上,若宽度太小,考向二数据处理与误差分析处理数据的3种方法:(1)计算法:用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.算出不同入射角时的,并取平均值.(2)图像法:改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作sinθ1-sinθ2图像,由n=可知图像应为直线,如图37-12所示,其斜率为折射率.图37-12(3)单位圆法:以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO'于E'点,过E作NN'的垂线EH,过E'作NN'的垂线E'H'.如图37-13所示,sinθ1=,sinθ2=,OE=OE'=R,则n=.只要用刻度尺测出EH、E'H'的长度就可以求出n.图37-135在做“测定玻璃折射率n”实验时:图37-14(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面ab和cd时不慎碰了玻璃砖使它向ab方向平移了一些,如图37-14甲所示,以后的操作都正确,但画光路图时,将折射点确定在ab和cd上,则测出的n值将.?(2)乙同学为了避免笔尖接触玻璃砖的界面,画出的a'b'和c'd'都比实际界面向外侧平移了一些,如图乙所示,以后的操作均正确,画光路图时将入射点和折射点都确定在a'b'和c'd'上,则所测出的n值将.?(3)丙同学在操作和作图时均无失误,但所用玻璃砖的两个界面明显不平行,这时测出的n值将.?式题某校开展研究性学习,某研究小组根据光学知识,设计了一个测液体折射率的仪器.如图37-15所示,在一个圆盘上,过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF.在半径OA上,垂直盘面插上两枚大头针P1、P2并保持位置不变.每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中,而且总使得液面与直径BC相平,EF作为界面的法线,而后在图中右上方区域观察P1、P2,在圆周EC部分插上P3,使P3挡住P1、P2的像.同学们通过计算,预先在圆周EC部分刻好了折射率的值,这样只要根据P3所插的位置,就可以直接读出液体折射率的值.图37-15(1)若∠AOF=30°,OP3与OC之间的夹角为30°,则P3处刻的折射率的值为.?(2)图中P3、P4两处,对应折射率大的是.?(3)作AO的延长线交圆周于K,K处对应的折射率为.?■注意事项(1)入射光线、出射光线确定的准确性造成误差,故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些.(2)入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差.第38讲光的波动性电磁波相对论一、光的干涉1.定义:在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现条纹,某些区域相互减弱,出现条纹,且加强区域和减弱区域相互间隔的现象.?2.条件:两束光的频率、相位差恒定.?3.双缝干涉图样特点:单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条纹;白光照射时,中央为条纹,其余为条纹.?二、光的衍射1.定义:光在传播的过程中遇到障碍物时,直线传播绕到障碍物阴影里去的现象.?2.发生明显衍射的条件:障碍物或小孔的尺寸跟光的波长,甚至比光的波长时,衍射现象明显.?3.衍射图样特点(1)单缝衍射:单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹,两侧是明暗相间的条纹,条纹宽度比中央窄且暗;白光的衍射图样为中间宽且亮的白条纹,两侧是渐窄且暗的彩色条纹.(2)圆孔衍射:明暗相间的不等距圆环.(3)圆盘衍射:明暗相间的不等距圆环,中心有一亮斑称为亮斑(证实光的波动性).?三、光的偏振1.自然光:包含着在垂直于传播方向上沿振动的光,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,只沿着某个的方向振动的光.?3.光的偏振现象说明光是一种波.?四、电磁场与电磁波1.麦克斯韦电磁场理论:变化的磁场能够在周围空间产生,变化的电场能够在周围空间产生.?2.电磁波:由近及远地传播形成电磁波.电磁波是波,在空间传播不需要依靠介质.真空中电磁波的速度为m/s;电磁波的传播速度v等于波长λ和频率f的乘积,即v=.?3.电磁波谱:按照电磁波的或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、、紫外线、X射线、γ射线.?五、相对论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的.?【思维辨析】(1)光的颜色由光的频率决定. ()(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. ()(9)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的. ()【物理学史】17世纪下半叶,以牛顿为首的“粒子说”和以惠更斯为首的“波动说”都能解释几何光学问题,但大家更倾向“粒子说”.19世纪初,波动光学初步形成,其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象,大家又倾向“波动说”.典型实验证据有:双缝干涉、单缝衍射、泊松亮斑、薄膜干涉、偏振等.1860年前后,麦克斯韦预言光就是一种电磁波,并且这个结论在1888年被赫兹的实验证实.但是同时赫兹发现了光电效应,特别是1905年爱因斯坦运用量子论解释了光电效应,这又支持了光的“粒子性”,后来还有康普顿效应.所以,光的本质是电磁波,但具有波粒二象性.最终人们意识到任何物体都有波粒二象性,即存在物质波.考点一光的双缝干涉现象1.亮、暗条纹的条件(1)亮条纹:屏上观察点到双缝的路程差等于波长的整数倍,即Δs=nλ(n=0,1,2,…).(2)暗条纹:屏上观察点到双缝的路程差等于半波长的奇数倍,即Δs=λ(n=0,1,2,…).2.条纹间距:Δx=λ,其中L是双缝到光屏的距离,d是双缝间的距离,λ是光的波长.1[2017·成都模拟]如图38-1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2.1×10-6m,今分别用A、B两种单色光在空气中做“双缝干涉”实验,问P(1)已知A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°;(sin37°=0.6,cos37°=0(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.图38-1式题一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到干涉条纹,除中央白色亮纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是 ()A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B.各色光的速度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同C.各色光的强度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D.上述说法都不正确考点二用双缝干涉实验测量光的波长考向一实验原理与实验操作1.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Δx与双缝间的距离d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ=.2.实验步骤(1)安装仪器①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如图38-2所示.图38-2②接好光源,打开开关,使白炽灯正常发光.调节各部件的高度,使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏.③安装单缝和双缝,中心位于遮光筒的轴线上,使双缝和单缝相互平行.(2)观察与记录①调整单缝与双缝间距为几厘米时,观察白光的干涉条纹.②在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹.③调节测量头,使分划板中心刻度线对齐第1条亮条纹的中心,记下手轮上的示数a1;转动手轮,使分划板向一侧移动,当分划板中心刻度线与第n条亮条纹中心对齐时,记下手轮上的示数a2,则相邻两亮条纹间的距离Δx=.④换用不同的滤光片,测量其他色光的波长.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38-3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.图38-3(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:①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能沿遮光筒的轴线把屏照亮;②按合理的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;③用刻度尺测量双缝到屏的距离;④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮条纹间的距离.在操作步骤②时还应注意和.?式题在观察光的双缝干涉现象的实验中:(1)将激光束照在如图38-4甲所示的双缝上,在光屏上观察到的现象是图乙中的.?图38-4(2)换用间距更小的双缝,保持双缝到光屏的距离不变,在光屏上观察到的干涉条纹将;保持双缝间距不变,减小光屏到双缝的距离,在光屏上观察到的干涉条纹将.(均选填“变宽”“变窄”或“不变”)?■注意事项(1)光源灯丝最好是线状灯丝,并与单缝平行且靠近;(2)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;(3)白光干涉观察到的是彩色条纹,中央亮条纹的中间部分是白色,边缘是红色.考向二数据处理与误差分析3[2015·全国卷Ⅰ](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Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比,Δx1(选填“>”“=”或“<”)Δx2.若实验中红光的波长为630nm,双缝到屏幕的距离为1.00m,测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5式题[2017·厦门联考]在“用双缝干涉测光的波长”的实验中,实验装置如图38-5所示.图38-5(1)某同学以线状白炽灯为光源,对实验装置进行调节并观察了实验现象后,总结出以下几点:A.灯丝与单缝和双缝必须平行放置B.干涉条纹与双缝垂直C.干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关D.干涉条纹的间距与光的波长有关以上几点中,你认为正确的是.?(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时,手轮上的示数如图38-6甲所示,其读数为mm.?图38-6(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,如图38-6乙所示.则在这种情况下来测量干涉条纹的间距Δx时,测量值(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值.?■注意事项光波波长很小,Δx、L的测量对波长λ的影响很大.L用毫米刻度尺测量,Δx用测量头上的游标尺测量.实验时可测多条亮条纹间距求Δx及采用多次测量求λ的平均值法减小误差.应注意:(1)干涉条纹应调整到最清晰的程度;(2)Δx不是亮(暗)条纹的宽度;(3)分划板刻线应与干涉条纹平行,中心刻线应恰好位于条纹中心;(4)测量多条亮条纹间的距离时,此间距中的条纹数应准确.考点三薄膜干涉的理解及应用1.薄膜干涉如图38-7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.图38-7(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)(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38-8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.图38-8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38-9甲所示;若某处凸起,则对应亮(暗)条纹延后出现,如图乙所示.图38-9(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.1.(薄膜干涉的理解)(多选)在研究材料A的热膨胀特性时,可采用如图38-10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λ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38-10A.出现最亮时,B上表面反射光与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D.温度从t1升至t2过程中,A的高度增加2.(增透膜的应用)(多选)关于光学镜头增透膜,以下说法中正确的是 ()A.增透膜是为了减少光的反射损失,增加透射光的强度B.增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的C.增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的D.因为增透膜的厚度一般适合绿光反射时相互抵消,红光、紫光的反射不能完全抵消,所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色E.涂有增透膜的镜头,进入的光线全部相互抵消,因此这种镜头的成像效果较好3.(薄膜干涉的应用)(多选)把一个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38-11所示,这时可以看到亮暗相间的条纹.下面关于条纹的说法中正确的是 ()图38-11A.将薄片远离劈尖移动使劈角变小时,条纹变疏B.将薄片向着劈尖移动使劈角变大时,条纹变疏C.将上玻璃板平行上移,条纹向着劈尖移动D.将上玻璃板平行上移,条纹远离劈尖移动4.(多选)如图38-12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 ()图38-12A.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考点四光的衍射及偏振现象1.对光的衍射的理解(1)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.(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.自然光与偏振光的比较类别自然光(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3.偏振光的应用:照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等.1.(光的偏振)(多选)如图38-13所示,电灯S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮,则 ()图38-13A.图中a光为偏振光B.图中b光为偏振光C.以SP为轴将B转过180°后,在P处将看到光亮D.以SP为轴将B转过90°后,在P处将看到光亮2.(光的衍射现象)让太阳光垂直照射一块大的遮光板,板上有一个可以自由收缩的三角形孔,当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时,在孔后的屏上将先后出现 ()A.由大变小的三角形光斑,直至光斑消失B.由大变小的三角形光斑,明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失C.由大变小的三角形光斑,明暗相间的黑白色条纹,直至黑白色条纹消失D.由大变小的三角形光斑,小圆形光斑,明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失3.(干涉与衍射)在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面看到彩色条纹,通过狭缝观察发光的白炽灯也会看到彩色条纹,这两种现象 ()A.都是光的衍射现象B.都是光的干涉现象C.前者是光的干涉现象,后者是光的衍射现象D.前者是光的衍射现象,后者是光的干涉现象4.如图38-14所示,A、B两幅图是由同一束单色光分别入射到圆孔而形成的图样,其中图A是光的(选填“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(选填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径.?图38-14考点五电磁场和电磁波相对论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、传播方向两两垂直,如图38-15所示.图38-15(2)电磁波与机械波的比较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(很大),c=3×108在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340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1.(对电磁波的理解)(多选)下列说法正确的是 ()A.根据麦克斯韦的电磁场理论,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B.发射电磁波的两个重要条件是采用高频和开放性LC电路C.机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象D.机械波的传播依赖于介质,而电磁波可以在真空中传播E.电磁波只能在真空中传播,因此当电磁波遇到介质时,会被介质挡住2.(电磁波谱)(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是 ()A.电磁波中最容易表现出明显衍射现象的是无线电波B.紫外线的频率比可见光低,长时间照射可以促进钙的吸收,改善身体健康C.X射线和γ射线的波长比较短,穿透力比较强D.红外线的显着作用是热作用,温度较低的物体不能辐射红外线E.频率越高的电磁波在真空中传播的速度越快3.(多选)[2016·全国卷Ⅱ]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4.(多选)在狭义相对论中,下列说法正确的是 ()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、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的C.惯性系中的观察者,观察一个与他做相对运动的时钟时,会看到这个时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些D.大型粒子加速器能够将带电粒子加速至光速的99.9%,如果继续加速,粒子的速度将超过光速5.[2016·江苏卷]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A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c■注意事项(1)波长不同的电磁波,表现出不同的特性.其中波长较长的无线电波和红外线等,易发生干涉、明显的衍射现象;波长较短的紫外线、X射线、γ射线等,穿透能力较强.(2)电磁波谱中,相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线,如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠,但它们产生的机理不同.教师详解(听课手册)第十五单元光学电磁波相对论第37讲光的折射、全反射【教材知识梳理】核心填空一、1.改变2.(1)两侧折射角的正弦二、1.入射角的正弦折射角的正弦2.1三、1.入射角2.①光密光疏②大于或等于3.4.光导纤维四、1.单色光黄蓝2.有序思维辨析(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×(8)×【考点互动探究】考点一例1150°[解析]设球半径为R,球冠底面中心为O',连接O、O',则OO'⊥AB.令∠OAO'=α,有cosα=即α=30°由题意MA⊥AB所以∠OAM=60°设图中N点为光线在球冠内底面上的反射点,光路图如图所示.设光线在M点的入射角为i、折射角为r,在N点的入射角为i',反射角为i″,玻璃折射率为n.由于△OAM为等边三角形,有i=60°由折射定律有sini=nsinr代入题给条件n=得r=30°作底面在N点的法线NE,由于NE∥AM,有i'=30°根据反射定律,有i″=30°连接O、N,由几何关系知△MAN≌△MON,故有∠MNO=60°则∠ENO=30°于是∠ENO为反射角i″,NO为反射光线.这一反射光线经球面再次折射后不改变方向.所以,经一次反射后射出玻璃球冠的光线相对于入射光线的偏角β为β=180°-∠ENO=150°变式题1[解析]如图所示,考虑从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线,假设它斜射到玻璃上表面的A'点折射,根据折射定律有nsinθ=sinα式中n是玻璃的折射率,θ是入射角,α是折射角.现假设A'恰好在纸片边缘,由题意,在A'点刚好发生全反射,故α=设AA'线段在玻璃上表面的投影长为L,由几何关系有sinθ=由题意,纸片的半径应为R=L+r联立可得n=变式题2(1)(2)没有分析过程[解析](1)光路图如图所示,图中N点为光线在AC边发生反射的入射点,设光线在P点的入射角为i、折射角为r,在M点的入射角为r'、折射角依题意也为i,有i=60°由折射定律有sini=nsinrnsinr'=sini联立得r=r'OO'为过M点的法线,∠C为直角,OO'∥AC.由几何关系有∠MNC=r'由反射定律可知∠PNA=∠MNC联立得∠PNA=r由几何关系得r=30°联立得n=(2)设在N点的入射角为i″,由几何关系得i″=60°此三棱镜的全反射临界角满足nsinθc=1联立得i″>θc此光线在N点发生全反射,三棱镜的AC边没有光线透出.考点二例2ABD[解析]a光的折射角更大,则玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率,在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度,在真空中,a光的波长小于b光的波长,A、B正确,C错误;a光的折射率大于对b光的折射率,a光的临界角小,改变光束的入射方向使θ角变大,则折射光线a首先消失,D正确;a光的波长小于b光的波长,通过同一双缝干涉实验装置,a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距,E错误.变式题C[解析]由a、b的光路图知b光在玻璃球中偏离入射方向的程度大,故b光折射率较大,由公式n=,sinC=知A、B错误,C正确;b光在玻璃中的速度小,路程大,故b光在玻璃中传播的时间长,D错误.考点三例31.43[解析]如图所示,根据光路的对称性和光路可逆性,与入射光线相对于OC轴对称的出射光线一定与入射光线平行.这样,从半球面射入的折射光线,将从圆柱体底面中心C点反射.设光线在半球面的入射角为i,折射角为r.由折射定律有sini=nsinr由正弦定理有由几何关系,入射点的法线与OC的夹角为i.由题设条件和几何关系有sini=式中L是入射光线与OC的距离.由②③式和题给数据得sinr=联立解得n=≈1.43[点评]正确解答本题,首先需要作出光路图,然后合理设定一些未知量,充分利用物理和数学知识,找出各物理量之间的关系,并准确解出结果.下面的变式题属于相似问题.变式题(1)c(2)[解析](1)由v=得,光在水中传播的速度为v1=c光在玻璃中传播的速度为v2=c.(2)根据几何关系画出光路图,如图所示.光恰好在水和空气的分界面发生全反射时,有sinC=在玻璃与水的分界面上,由相对折射关系可得解得sinθ=代入数据可计算出光斑的半径r=d(tanθ+tanC)=d水面形成的光斑的面积S=πr2=考点四例4(1)如图所示(2)1.53(1.50~1.56均可)(3)A[解析](1)如图所示.(2)用量角器测出入射角i与折射角r,根据折射定律n=得出结果;或者利用坐标纸结合入射角和折射角画两个直角三角形,然后用刻度尺测出所对应的直角边和斜边的长度,进一步计算出正弦值,再代入折射定律公式即可.(3)由图可知,由于入射光线比较靠近玻璃砖的右边,经过上表面折射后,再经过右侧面折射出来,故应该通过A点.变式题(1)偏大(2)减小光线AO的入射角[解析](1)折射率n=,玻璃砖的底边aa'与x轴未重合而向y>0方向侧移了一些,导致测量的x2偏大,x1不变,所以玻璃的折射率的测量值与真实值相比偏大.(2)在y<0的区域内,从任何角度都无法透过玻璃砖看到P1、P2,说明光线AO在界面aa'上发生了全反射,应该减小光线AO的入射角.例5(1)不变(2)偏小(3)不受影响[解析](1)玻璃砖平移以后,测量的折射角不变,入射角相同,故测得的折射率将不变.(2)乙同学的操作使入射角相同,所画出的折射角比实际折射角偏大,由n=知,测得的折射率偏小.(3)同样可根据入射光线和出射光线确定玻璃砖内折射光线,从而确定入射角和折射角,只要第二个界面不发生全反射即可,测出的折射率不受影响.变式题(1)1.73(2)P4(3)1[解析](1)根据折射定律n=,题中θ1=60°,θ2=∠AOF=30°,所以n=≈1.73.(2)在入射角相同的情况下,图中P4对应的折射角大于P3所对应的折射角,所以P4对应的折射率大.(3)因A、O、K在一条直线上,入射角等于折射角,所以K处对应的折射率应为1.1.图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图,玻璃丝长为L,折射率为n,AB代表端面.已知光在真空中的传播速度为c.(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面,求光线在端面AB上的入射角应满足的条件;(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间.[答案](1)sini≤(2)[解析](1)设光线在端面AB上C点的入射角为i,折射角为r,如图所示.由折射定律有sini=nsinr设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为α,为了使该光线可在此光导纤维中传播,应有α≥θ式中,θ是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角,它满足nsinθ=1由几何关系得α+r=90°联立得sini≤(2)光在玻璃丝中传播速度的大小为v=光速在玻璃丝轴线方向的分量为vz=vsinα光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为T=光线在玻璃丝中传播,在刚好发生全反射时,光线从端面AB传播到其另一端面所需的时间最长,联立得Tmax=2.[2014·全国卷Ⅰ]一个半圆柱形玻璃砖,其横截面是半径为R的半圆,AB为半圆的直径,O为圆心,如图所示.玻璃的折射率为n=.(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面,若光线到达上表面后,都能从该表面射出,则入射光束在AB上的最大宽度为多少?(2)一细束光线在O点左侧与O相距R处垂直于AB从下方入射,求此光线从玻璃砖射出点的位置.[答案](1)R(2)略[解析](1)在O点左侧,设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ,则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出,如图所示,由全反射条件有sinθ=由几何关系有OE=Rsinθ由对称性可知,若光线都能从上表面射出,光束的宽度最大为l=2OE联立解得l=R(2)设光线在距O点R的C点射入后,在上表面的入射角为α,由几何关系和已知条件得α=60°>θ光线在玻璃砖内会发生三次全反射,最后由G点射出,如图所示,由反射定律和几何关系得OG=OC=R射到G点的光有一部分被反射,沿原路返回到达C点射出.3.[2015·江苏卷]人造树脂是常用的眼镜镜片材料.如图所示,光线射在一人造树脂立方体上,经折射后,射在桌面上的P点.已知光线的入射角为30°,OA=5cm,AB=20cm,BP=[答案](或1.5)[解析]设折射角为γ,由折射定律得sin30°=nsinγ,由几何关系知sinγ=且OP=解得n=(或n≈1.5).4.[2015·海南卷]一半径为R的半圆柱形玻璃砖,横截面如图所示,已知玻璃的全反射临界角为γ(γ<).与玻璃砖的底平面成(-γ)角度、且与玻璃砖横截面平行的平行光射到玻璃砖的半圆柱面上.经柱面折射后,有部分光(包括与柱面相切的入射光)能直接从玻璃砖底面射出.若忽略经半圆柱内表面反射后射出的光,求底面透光部分的宽度.[答案]5.[2015·山东卷]半径为R、介质折射率为n的透明圆柱体,过其轴线OO'的截面如图所示.位于截面所在平面内的一细束光线,以角i0由O点入射,折射光线由上边界的A点射出.当光线在O点的入射角减小至某一值时,折射光线在上边界的B点恰好发生全反射.求A、B两点间的距离.[答案]R[解析]当光线在O点的入射角为i0时,设折射角为r0,由折射定律得=n设A点与左端面的距离dA,由几何关系得sinr0=若折射光线恰好发生全反射,则在B点的入射角恰好为临界角C,设B点与左端面的距离为dB,由折射定律得sinC=由几何关系得sinC=设A、B两点间的距离为d,可得d=dB-dA联立解得d=R6.[2014·江苏卷]Morpho蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒,这是因为光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉.电子显微镜下鳞片结构的示意图如图所示.一束光以入射角i从a点入射,经过折射和反射后从b点出射.设鳞片的折射率为n,厚度为d,两片之间空气层厚度为h.取光在空气中的速度为c,求光从a到b所需的时间t.[答案][解析]设光在鳞片中的折射角为γ,根据折射定律有sini=nsinγ在鳞片中传播的路程l1=传播速度v=传播时间t1=解得t1=同理,在空气中的传播时间t2=则t=t1+t2=.第38讲光的波动性电磁波相对论【教材知识梳理】核心填空一、1.亮暗2.相等3.白色亮彩色二、1.偏离2.差不多还小3.(3)泊松三、1.一切方向2.特定3.横四、1.电场磁场2.电磁场横3×108λf3.频率波长可见光五、1.相同2.相同思维辨析(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×(7)×(8)×(9)×【考点互动探究】考点一例1(1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析[解析](1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2,由n=可得λ1=nλ2=1.5×4×10-7m=6根据路程差Δx=2.1×10-所以N1==3.5由此可知,从S1和S2到P点的路程差Δx是A光波长λ1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得sinC=解得n=由此可知,B光在空气中波长λ3为λ3=nλ介=×3.15×10-7m=5.25×所以N2==4可见,用B光做“双缝干涉”实验,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.变式题A[解析]白光包含各种颜色的光,它们的波长不同,在相同条件下做“双缝干涉”实验时,它们的干涉条纹间距不同,所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹.考点二例2(1)EDB(2)放置单缝、双缝时,必须使缝平行单缝、双缝间的距离要适当[解析](1)滤光片E可以从白光中选出单色红光,单缝D是获取线光源,双缝B是获得相干光源,最后成像在毛玻璃屏A上.所以排列顺序为:C、E、D、B、A.(2)在操作步骤②时应注意的事项有:放置单缝、双缝时,必须使缝平行;单缝、双缝间的距离要适当;要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上.变式题(1)A(2)变宽变窄[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=λ知,双缝间的距离d减小时,干涉条纹间距变宽;当双缝到屏的距离l减小时,干涉条纹间距变窄.例3>0.300[解析]双缝干涉条纹间距Δx=λ,红光波长较长,所以红光的双缝干涉条纹间距较大,即Δx1>Δx2.根据题中数据可得条纹间距Δx==2.1mm=2.1×10-3m,根据Δx=m=3.00×10变式题(1)AD(2)0.700(3)大于[解析](1)为了获得清晰的干涉条纹,A正确.由干涉现象可知干涉条纹与双缝平行,B错误.干涉条纹的间距Δx=λ与单缝宽度无关,C错误,D正确.(2)手轮的读数为0.5mm+20.0×0(3)条纹与分划板不平行时,实际值Δx实=Δx测cosθ,θ为条纹与分划板间的夹角,故Δx实<Δx测.考点三1.BD[解析]该装置利用B下表面反射光与A上表面反射光发生干涉的原理,若最亮,说明干涉加强,路程差Δx=nλ(n=0,1,2,…),由于t1和t2两温度为连续变化,且出现两次最亮,所以两次路程差为一个波长,t1到t2过程中,A的高度应增加半个波长.2.ACD[解析]光学镜头前的增透膜是为了减少光的反射损失,增加透射光的强度,选项A正确;根据光的干涉理论,增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的,选项B错误,选项C正确;增透膜通常是针对人眼最敏感的绿光设计的,使从镜头反射的绿光干涉相消,而对太阳光中红光和紫光并没有显着削弱,所以看上去呈淡紫色,选项D正确.涂有增透膜的镜头,只能抵消某种色光的反射光线,选项E错误.3.AC[解析]楔形空气层的上、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,两列波的路程差相同,故如果被测表面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,当劈角α增大为β时,相邻的条纹由A、C处左移至A'、C'处,设CD-AB=Δs,则C'D'-A'B'=Δs,故AC=,A'C'=,因为β>α,所以AC>A'C',故劈角变大时,条纹变密,A正确,B错误;同理,当上玻璃板平行上移时,条纹向着劈尖移动,但间距不变,C正确,D错误.4.AC[解析]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,A正确,B错误.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正确,D错误.考点四1.BD[解析]自然光沿各个方向发散是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只沿着某一特定方向振动的光.从电灯直接发出的光为自然光,A错误;它通过A偏振片后,即变为偏振光,B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,P点无光亮,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,将B转过180°后,P处仍无光亮,C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确.2.D[解析]当孔足够大时,由于光的直线传播,所以屏上首先出现的是三角形光斑,之后随着孔的继续缩