江苏专用2025版高考物理新增分大一轮复习第十三章机械振动与机械波光电磁波与相对论第4讲光的波动性电磁波和相对论讲义含解析

PAGEPAGE15第4讲光的波动性电磁波和相对论一、光的干涉1.定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮条纹，某些区域的光被减弱，出现暗条纹，且加强和减弱相互间隔的现象叫做光的干涉现象.2.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形成两束振动状况总是相同的相干光波，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹.相邻的亮条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝eq\f(l,d)λ.4.薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的.图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同.二、光的衍射1.光的衍射现象光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照耀到阴影区域的现象.2.光发生明显衍射现象的条件当孔或障碍物的尺寸比光波波长小或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象.3.衍射图样(1)单缝衍射：中心为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同.(2)圆孔衍射：出现明暗相间的不等距圆环.(3)泊松亮斑：光照耀到一个半径很小的不透光的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一.三、光的偏振1.偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光.光的偏振现象证明光是横波.2.自然光：太阳、电灯等一般光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光.3.偏振光的产生通过两个共轴的偏振片视察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫做起偏振器，其次个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫做检偏振器.自测1(多选)下列属于光的干涉现象的是()答案BC解析图A属于单缝衍射，图B属于薄膜干涉，图C属于薄膜干涉，图D属于白光的色散，故属于光的干涉现象的是B、C.四、电磁场和电磁波1.电磁波的产生(1)麦克斯韦电磁场理论：改变的磁场产生电场，改变的电场产生磁场.(2)电磁场：改变的电场和改变的磁场总是相互联系成为一个整体，这就是电磁场.(3)电磁波：电磁场(电磁能量)由近及远地向四周传播形成电磁波.①电磁波是横波，在空间传播不须要介质.②真空中电磁波的速度为3×108m/s.③v＝λf对电磁波适用.④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象.2.电磁波的放射与接收(1)放射电磁波的条件：①要有足够高的振荡频率.②电路必需开放，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：①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γ射线，形成电磁波谱.②电磁波谱的特性、应用.频率/Hz真空中波长/m特性应用无线电波<3×1011>10－3波动性强，易发生衍射无线电技术红外线1011～101510－7～10－3热效应红外线遥感可见光101510－7引起视觉照明、摄影紫外线1015～101710－9～10－7化学效应、荧光效应、能杀菌医用消毒、防伪X射线1016～101910－11～10－8贯穿性强检查、医用透视γ射线>1019<10－11贯穿本事最强工业探伤、医用治疗自测2电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了.下面说法正确的是()A.雷达是利用声波的反射来测定物体位置的B.银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线C.微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应D.机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本事答案D五、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.时间和空间的相对性(1)时间间隔的相对性：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)长度的相对性：l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).3.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＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2)).(2)物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.4.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.

命题点一光的干涉现象1.双缝干涉(1)光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，且具有恒定的相位差，双缝干涉时，两光的振动步调相同.(2)双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝eq\f(l,d)λ.(3)用白光照耀双缝时，形成的干涉条纹的特点：中心为白条纹，两侧为彩色条纹.2.亮暗条纹的推断方法(1)如图1所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上出现亮条纹.图1(2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹.3.条纹间距：Δx＝eq\f(l,d)λ，其中l是双缝到光屏的距离，d是双缝间的距离，λ是光波的波长.4.薄膜干涉(1)形成：如图2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.光照耀到薄膜上时，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2(2)亮、暗条纹的推断①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出现亮条纹.②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出现暗条纹.(3)薄膜干涉的应用干涉法检查平面如图3所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照耀，假如被检查平面是平整光滑的，我们会视察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲.图3例1(2024·江苏单科·12B(2))两束单色光A、B的波长分别为λA、λB，且λA>λB，则(选填“A”或“B”)在水中发生全反射时的临界角较大.用同一装置进行杨氏双缝干涉试验时，可以视察到(选填“A”或“B”)产生的条纹间距较大.答案AA解析依据c＝λν知，因λA>λB，则νA<νB，在同一介质中频率越高，折射率越大，即nA<nB而sinC＝eq\f(1,n)，故CA>CB.依据Δx＝eq\f(l,d)λ，由于λA>λB，故ΔxA>ΔxB，即A光产生的条纹间距大.变式1(多选)(2024·如皋市调研)在探讨材料A的热膨胀特性时，可采纳如图4所示的干涉试验法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透亮的平行板B，B与A上表面平行，在它们之间形成一个厚度匀称的空气膜.现在用波长为λ的单色光垂直照耀，同时对A缓慢加热，在B上方视察到B板的亮度发生周期性改变.当温度为t1时最亮，然后亮度渐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则()图4A.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eq\f(λ,4)D.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加eq\f(λ,2)答案BD解析出现最亮时，是B下表面反射光与A上表面反射光发生干涉，叠加后加强，故A错误，B正确；温度从t1升到t2的过程中，亮度由最亮又变到最亮，知路程差为λ，则A的高度增加eq\f(λ,2)，故C错误，D正确.命题点二光的衍射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.在任何状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”只是一种特别状况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看成是沿直线传播的.2.单缝衍射与双缝干涉的比较单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中心最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度状况中心条纹最亮，两边变暗条纹清楚，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹3.光的干涉和衍射的本质光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相像的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的.例2(多选)(2024·南京市、盐城市一模)如图所示的四种明暗相间条纹，是红光、紫光分别通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和通过同一个单缝形成的衍射图样.图中黑色部分代表亮条纹，下列四幅图中由红光形成的图样是()答案AD变式2(2024·如皋市模拟四)1971年，屠呦呦等获得了青蒿乙醚提取物结晶，探讨人员通过X射线衍射分析确定了青蒿素的结构.X射线衍射是探讨物质微观结构的最常用方法，用于分析的X射线波长在0.05nm～0.25nm范围之间，因为X射线的波长(选填“接近”或“远小于”)晶体内部原子间的距离，所以衍射现象明显.分析在照相底片上得到的衍射图样，便可确定晶体结构.X射线是(选填“纵波”或“横波”).答案接近横波解析能发生明显的衍射现象的条件是：孔或障碍物的尺寸比波长小或者相差不多.当X射线透过晶体内部原子间隙时，发生了明显的衍射现象，用于分析的X射线波长应接近晶体内部原子间的距离；因为X射线是电磁波，所以X射线是横波.命题点三光的偏振1.自然光与偏振光的比较类别自然光(非偏振光)偏振光光的来源从一般光源发出的光自然光通过起偏振器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿随意方向，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2.偏振光的应用加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消退车灯眩光等.例3(2024·淮阴中学月考)如图5所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，(选填“a”或“b”)光为偏振光.人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则以SP为轴将B转过(选填“90°”或“180°”)后，在P处将看到光亮.图5答案b90°解析由题意可知，人眼在P处看不到光亮，是因为偏振片A与偏振片B的透振方向相互垂直，a光是自然光，经过偏振片后，b光是偏振光；由上分析可知，以SP为轴将B转过180°后，偏振片B仍旧与偏振片A的透振方向相互垂直，在P处仍旧不能看到光亮；当以SP为轴将B转过90°，两个偏振片的透振方向平行，在P处将能看到光亮.

命题点四电磁波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6所示.图6(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振荡的电场、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＝3×108m/s在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340m/s)传播是否须要介质不须要介质(在真空中仍可传播)必需有介质(在真空中不能传播)能量传播电磁能机械能例4(多选)(2024·江苏单科·12B(1))梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波.该电磁波()A.是横波B.不能在真空中传播C.只能沿着梳子摇动的方向传播D.在空气中的传播速度约为3×108m/s答案AD解析电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，既能在真空中传播，也能在介质中传播.电磁波在空气中的传播速度约为3×108m/s，故选项A、D正确.变式3(多选)(2024·南京市、盐城市二模)我国胜利研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它是我国雷达探讨创新的里程碑.米波雷达放射无线电波的波长在1～10m范围内，则对该无线电波的推断正确的有()A.必需依靠介质传播B.频率比厘米波的频率低C.比可见光更简单产生衍射现象D.遇到厘米波有可能产生干涉现象答案BC解析无线电波是电磁波，电磁波的传播不须要介质，A错误；由c＝λf知，波长越长频率越低，B正确；波长越长越简单产生衍射现象，无线电波的波长远大于可见光的波长，C正确；米波和厘米波的波长不同，频率也不同，所以不能产生干涉现象，D错误.命题点五相对论简介例5(2024·盐城市三模)如图7所示，宽度为l的宇宙飞船沿其长度方向以0.9c(c为真空中的光速)远离地球，地球上的人看到宇宙飞船宽度(选填“大于”“等于”或“小于”)l.飞船和地面上各有一只铯原子钟，地球上的人视察到(选填“飞船上钟较快”“地面上钟较快”或“两只钟一样快”).图7答案等于地面上钟较快变式4(2024·苏锡常镇一调)如图8所示，一束光频率为ν0，传播方向正对卫星飞行方向，已知真空中光速为c，卫星速度为u，则卫星上观测到该光的传播速度是，卫星接收到该光的频率ν0(选填“大于”“等于”或“小于”).图8答案c大于解析由光速不变原理可知，卫星上观测到该光的速度是c，依据多普勒效应可知，卫星接收到该光的频率ν大于ν0.1.(2024·扬州中学下学期开学考)目前雷达发出的电磁波频率多在200MHz～1000MHz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，上述频率范围的电磁波的波长在30m～150m之间B.电磁波是由匀称改变的电场或磁场产生的C.波长越短的电磁波，越简单绕过障碍物，便于远距离传播D.测出电磁波从放射到接收的时间，就可以确定障碍物的位置答案D2.(多选)(2024·扬州中学月考)如图9所示是用干涉法来检查某块厚玻璃板上表面是否平整的装置，所用红色光是用一般光源加红色滤光片产生的，从上往下视察到的干涉条纹如图所示，则下列推断正确的是()图9A.若视察到的条纹如图甲所示，则说明厚玻璃板上表面是平整的B.若视察到的条纹如图乙所示，则厚玻璃板上表面有下凹的位置C.若视察到的条纹如图乙所示，则厚玻璃板上表面有上凸的位置D.若是用黄色滤光片产生的黄色光做该试验，则干涉条纹变密答案ABD解析薄膜干涉形成的条纹是膜的上、下表面的反射光干涉产生的，若视察到的条纹如题图甲所示，则说明厚玻璃板上表面是平整的，故A正确；薄膜干涉是等厚干涉，即亮条纹处空气膜的厚度相同，从弯曲的条纹可知，检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知该处凹陷，故B正确，C错误；若是用黄色滤光片产生的黄色光做该试验，因波长变短，则干涉条纹变密，故D正确.3.(2024·南通等六市一调)地球与月球相距为L0，若飞船以接近光速的速度v经过地球飞向月球，地面上的人测得飞船经过t1时间从地球到达月球，在飞船内宇航员测得飞船经过t2时间从地球到达月球，则t1(选填“>”“＝”或“<”)t2；在飞船内宇航员测得地球、月球相距为L，则L(选填“>”“＝”或“<”)L0.答案><解析依据相对论长度公式：L＝L0eq\r(1－\f(v,c)2)，可知，飞船内宇航员观测到地球、月球两点距离小于地面上人观测的距离，即L＜L0；又t1＝eq\f(L0,v)，t2＝eq\f(L,v)，所以t1>t2.1.(2024·南京师大附中5月模拟)电磁波已广泛运用于许多领域.下列关于电磁波的说法符合实际的是()A.电磁波不能产生衍射现象B.常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机C.依据多普勒效应可以推断遥远天体相对于地球的运动速度D.光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同答案C解析任何波都能发生衍射现象，故A选项错误；常用的遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，故B选项错误；依据多普勒效应可以推断遥远天体相对于地球的运动速度，故C选项正确；由相对论知光在真空中的传播速度在不同的惯性参考系中数值相同，D选项错误.2.(2024·盐城中学4月检测)下列说法中正确的是()A.光学镜头上的增透膜是利用光的偏振现象B.用标准平面检查光学平面的平整程度利用了光的干涉现象C.当视察者和波源间存在相对运动时肯定能视察到多普勒效应现象D.在高速运行的航天器上看地球上的时间进程变慢答案B3.(多选)(2024·江苏百校12月大联考)在下面的几种说法中，对现象与规律的描述正确的有()A.在不同的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相同的B.光的干涉和衍射不仅说明白光具有波动性，还说明白光是横波C.当视察者远离波源运动时，接收到的波的频率减小，但波源自身的频率不变D.在改变的电场四周肯定产生改变的磁场，在改变的磁场四周肯定产生改变的电场答案AC4.(多选)(2024·扬州中学月考)以下说法中正确的是()A.光的偏振现象说明光是一种纵波B.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关C.麦克斯韦预言并用试验验证了电磁波的存在D.在光的双缝干涉试验中，若仅将入射光由绿光变为红光，则条纹间距变宽答案BD解析光的偏振现象说明光是一种横波，而不是纵波，故A错误；相对论认为空间和时间与物质的运动快慢有关，故B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，而赫兹用试验证明白电磁波的存在，故C错误；光的双缝干涉试验中，若仅将入射光由绿光变为红光，波长变长，则由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，条纹间距变宽，故D正确.5.(多选)(2024·江苏省调考压轴卷)下列关于光的说法中正确的是()A.雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生全反射形成的B.“和谐号”动车组高速行驶时，地面上测得其车厢长度将明显变短C.在双缝干涉试验中，用红光代替黄光作为入射光可增大干涉条纹的间距D.白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其缘由是不同色光的波长不同答案CD解析雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的，故选项A错误；“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远小于光速c，故狭义相对论的“尺缩效应”不明显，车厢长度不会明显变短，故选项B错误；在双缝干涉试验中，用红光代替黄光后，波长变长，则导致干涉条纹的间距增大，故选项C正确；白光通过双缝后产生干涉，因不同色光的波长不同，导致干涉条纹间距不同，从而出现彩色条纹，故选项D正确.6.如图1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()图1A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫答案B解析双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中心亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都渐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹.双缝干涉条纹的间距Δx＝eq\f(l,d)λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即1、3分别对应红光和蓝光.而在单缝衍射中，当单缝宽度肯定时，波长越长，衍射越明显，即中心条纹越宽、越亮，2、4分别对应紫光和黄光.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正确.

7.劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图2甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，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，干涉条纹有如下特点：图2(1)随意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)随意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下视察到的干涉条纹()A.变疏B.变密C.不变D.消逝答案A解析如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，A正确.8.(2024·扬州市5月考前调研)如图3所示，两束单色光a、b同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面，进入玻璃砖后形成复合光束c，则穿过玻璃砖的过程中光所用时间较长；在相同的条件下，光更简单发生衍射.图3答案ba9.(2024·江苏单科·12B(2)、(3))(1)杨氏干涉试验证明光的确是一种波，一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上，两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满意干涉的必要条件，即两列光的相同.如图4所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷，假如放置光屏，在(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹.图4(2)在上述杨氏干涉试验中，若单色光的波长λ＝5.89×10－7m，双缝间的距离d＝1mm，双缝到屏的距离l＝2m.求第1个亮条纹到第11个亮条纹的中心间距.答案(1)频率C(2)1.178