高中物理一轮复习学案：光的波动性 相对论

第2讲光的波动性相对论

学习目标1.知道双缝干涉和薄膜干涉，知道形成亮喑条纹的条件。2.知道光的衍射、偏振现

象。3.知道相对论的两个基本假设和两个时空观的结论。

夯实必备知识

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，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现喧条

纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。

2.条件:两束光的频率相回、相位差恒定。

3.双缝干涉

(1)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，中央为亘

鱼亮条纹，其余为彩色条纹。

⑵条纹间距:原=幺，其中/是双缝到屏的距离，d是双缝间的距离。

4.薄膜干涉

由薄膜(如肥皂液薄膜)鲍里后表现反射光相遇而形成。干涉图样中同一条亮(或暗)条纹所对应

的薄膜厚度蛔。

二、光的衍射

发生明显衍射现象的条件:在障碍物或狭缝的尺寸是鳗尘的时候，衍射现象十分明显。

三、光的偏振

1.自然光:包含着在垂直于传播方向上沿二^包振动的光，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，只沿着某个鲤的方向振动的光。

3.偏振光的形成

(I)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近射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振

光。

4.光的偏振现象说明光是一种逆波。

四、相对论

1.狭义相对论的两个基本假设

(1)狭义相对性原理:任不同的惯性参考系中，一切物理规律都是蛔的。

⑵光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是蛔的，光速与光源、观测者间的相对

运动没有关系。

2.相对论时空观的两个结论

(1)时间延缓效应

如果相对于地面以I，运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间

隔为Ar,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为,那么两者之间的关

系是Af二/'To

(2)长度收缩效应

如果与杆相对静止的人测得杆长是/o,沿着杆的方向，以u相对杆运动的人测得杆长是/,那么两

者之间的关系是/=/oJl-g)2o

1.思考判断

(1)光的颜色由光的频率决定。(J)

(2)频率不同的两列光波不能发生干涉。(J)

(3)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(X)

⑷在双缝干涉实验中，双缝的作用是用“分光”的方法使两列光的频率相同。(J)

⑸阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。(义)

(6)泊松亮斑是光的衍射形成的。(J)

⑺光遇到障碍物时都能产生衍射现象。(J)

(8)自然光是偏振光。(X)

2.(多选)以下四图均来自人教版选择性必修第一册:图甲(P95)、图乙(P100)、图丙(P106)、图丁

(Pl()8)o

IIIIIIIIIIII

甲乙

泊松亮斑

丙T

下列说法正确的是()

A.图甲中的肥皂膜呈现彩色条纹是光的干涉现象

B.图乙中用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度利用了薄膜干涉现象

C.图丙中泊松亮斑是光的偏振现象

D.图丁中的立体电影利用了光的衍射现象

答案AB

3.利用图示的装置，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图中甲和乙两种图样。下列关于

产处放置的光学元件说法正确的是()

IIIIIIlllllll

中乙

A.甲对应单缝，乙对应双缝

B.甲对应双缝，乙对应单缝

C.都是单缝，甲对应的缝宽较大

单色光十।t标准样板

口薄片

被检在平面

②白光:薄膜上出现水平彩色条纹。

（3）应用

①增透膜。

②检查平面的平整度，如图所示。

角度S双缝干涉

例1（多选）（2024•广西卷,9）如图，S为单色光源，S发出的光一部分直接照在光屏上，一部分通过

平面镜反射到光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面境中的虚像发出的，由此形成了两个相

干光源。设光源S到平面镜和到光屏的距离分别为。和镜面与光屏垂直，单色光波长为

Xo下列说法正确的是（）

光

屏

A.光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为4

2a

B.光屏上相邻两条暗条纹的中心间距为与

a

C.若将整套装置完全浸入折射率为〃的蔗糖溶液中此时单色光的波长变为加

D.若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为则该液体的

折射率为急

答案AD

解析根据光的反射对称性可知光源S与平面镜中的虚像距离为2〃,根据条纹间距公式可知

1二幺二一，故A正确，B错误;若将整套装置完全浸入折射率为〃的蔗糖溶液中，光的频率不

a2a

变,则有）片c,U二讨二，其中。为真空中的光速，则为二，故C错误;若将整套装置完全没入

某种透明溶液中,光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Av,根据以二;不得不二«丝，结合C

2ai

选项的分析可知为二竿二△，所以“二小，故D正确。

I%2aAx

衔接教材（人教版选择性必修第一册教材Pl15“复习与提高”B组T4）1801年，托马斯・杨用双缝

干涉实验研究了光波的性质。1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果（称洛埃镜实

验）。洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源。S发出的光直接照在光屏上，同时S发出

的光还通过平面镜反射在光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，这样就

形成了两个一样的相干光源。

光

屏

祀平面镜

一广__//////

1r---1-----------I

设光源S到平面镜的距离和到光屏的距离分别为。和/,光的波长为人写出相邻两条亮纹（或暗

纹）间距离Ar的表达式。

衔接分析教材中该题与广西高考题都结合平面镜成像原理考查光的双缝干涉实验，并利用类比

思想写出相邻两条亮纹（或暗纹）的表达式，高考题又通过改变实验条件，即将装置完全浸入溶液

中，拓展创新情景，提高了思维能力的考查。

跟踪训练

1.（2023・江苏卷，6）用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变

双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来

的（）

IDIIHII

乙皿1

A3倍B.净

C.2倍D.3倍

答案B

解析光的双缝干涉条纹中,相邻亮（暗）条纹之间的距离为Ax=处式中/为双缝到光屏的距

a

离，”为双缝的间距，人为光的波长，根据题图可知Ar乙二2Ax甲，/与7相同，贝ij"乙=3/甲，B

正确,A、C、D错误。

2.如图所示的双缝干涉实验中,光源S到缱8、S2距离相等，P。为SS2连线中垂线与光屏的交

点。用波长为400nm的光实验时，光屏中央益处呈现中央亮条纹（记为第0条亮条纹），P处呈现

第3条亮条纹。当改用波长为600nm的光实验时，。处将呈现（）

C.第2条暗条纹D.第3条暗条纹

答案A

解析由双缝干涉条纹间距公式Ax=5可知，出二,当改用波长为600nm的光实验时,则

a3a

有卓二%2,联立以上两式解得〃=2,即尸处将呈现第2条亮条纹，AIE确。

角度/薄膜干涉

例2如图所示，关于薄膜干涉现象及其应用,下列说法正真的是（）

肥皂液膜、

明〜i胞）

暗

明

甲乙

单色e£ti

光样板

薄上

被检杳平面

丙T

A.如图甲所示，竖直放置的肥皂液膜，来自前后两个面的反射光发生干涉，形成明暗相间的竖直

条纹

B.如图乙所示，照相机的镜头表面常常镀一层透光膜，膜的外表面和玻璃表面反射的光发生干涉

使镜头看起来有颜色，膜的厚度为光在膜中波长的：

C.如图丙所示，利用光的干涉检查平整度，用单色光从上面照射，空气膜的上下两个表面反射的

两列光波发生干涉，图中条纹弯曲说明此处是凹下的

D.如图丁所示，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入，从上往下看凸透镜，

可以看到等间距的明暗相间的圆环状条纹

答案C

解析竖直放置的肥皂液膜，来自前后两个面的反射光发生干涉，由于同一水平线上的薄膜厚度

近似相同，所以干涉后能产生的水平明暗相间条纹，故A错误;照相机的镜头表面常常镀一层透光

膜，从薄膜前后两表面反射的光发生干涉使镜头看起来有颜色，膜的厚度为光在膜中波长的工，故

4

B错误;利用光的干涉检查平整度，用单色光从上面照射，空气膜的上下两个表面反射的两列光波

发生干涉，根据条纹弯曲的方向，说明此处是凹下的，故C正确;把一个凸透镜压在一块平面玻璃

上，让单色光从上方射入，从上往下看凸透镜，由于凸透镜下表面是曲面，所以空气膜厚度越往

外越厚，所以看到的明暗相间的圆环状条纹，且越往外越密，故D错误。

跟踪训练

3.（2024•山东卷，4）检测球形滚珠直径是否合格的装置如图甲所示，将标准滚珠a与待测滚珠b、c

放置在两块平板玻璃之间，用单色平行光垂直照射平板玻漓，形成如图乙所示的干涉条纹。若待

测滚珠与标准滚珠的直径相等为合格，下列说法正确的是（）

甲乙

A.滚珠b、c均合格B.滚珠b、c均不合格

C.滚珠b合格，滚珠c不合格D.滚珠b不合格，滚珠c合格

答案C

解析单色平行光垂直照射平板玻璃，上玻璃的下表面与下玻璃上表面的反射光在上玻璃上表面

发生干涉，形成干涉条纹，光程差为两块玻璃间距离的两倍，根据光的干涉知识可知，同一条干

涉条纹位置处光的波程差相等，即滚珠a的直径与滚珠b的相等，即滚珠b合格，不同的干涉条

纹位置处光的波程差不同，则滚珠a的直径与滚珠c的不相等,即滚珠c不合格，C正确。

考点二光的衍射和偏振现象相对论

1.对光的衍射的理解

(1)波长越长，衍射现象越明显。光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.单缝衍射与双缝干涉的比较

单缝衍射双缝干涉

条纹条纹宽度不等，

条纹宽度相等

宽度中央最宽

不同条纹

各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距

点间距

亮度中央条纹最亮，

条纹清晰，亮度基本相同

情况两边变暗

干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗

相同点

相间的条纹

光波叠加的结果;光的干涉是两列波的叠加，光的单缝衍射是来自单

本质

缝不同位置的无限列光波通过缝之后叠加时加强或削弱的结果

3.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

从普通光源发出的光自然光通过起偏器后的光

来源

在垂直于光的传播方向的平面在垂直于光的传播方向的

光的振

内，光沿任意方向振动，且沿各平面内，光沿特定方向振

动方向

个方向振动的光的强度相同动

⑵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、消除车灯眩光等。

例3（多选）（2022・山东卷，10）某同学采用图中所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝

S、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为Lo同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了

图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是（）

—与1

—卜-----------O

F1屏

甲

乙丙

A.图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射

B.遮住一条狭缝,另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大

C.照射两条狭缝时，增加L,其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大

D.照射两条狭缝时，若光从狭绕Si、S2到屏上尸点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗

条纹

答案ACD

解析题图乙中间部分为等间距条纹，所以题图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时

也发生衍射，故A正确:狭缝越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽

度增大，则衍射现象减弱，题图丙中亮条纹宽度减小，故B错误;根据条纹间距公式限二今可知

照射两条狭缝时，增加£,其他条件不变，题图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确:照射

两条狭缝时，若光从狭缝片、S2到屏上尸点的路程差为半波长的奇数倍，尸点处一定是暗条纹，

故D正确。

例4（2024.江苏卷，2）用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，现在

将手机屏幕旋转90度，会观察到（）

A.两缠片都变亮B.两镜片都变暗

C.两镜片没有任何变化D.左镜片变暗，右镜片变亮

答案D

解析立体眼镜的左、右两镜片为透振方向相互垂直的偏振片，开始时左镜片明亮、右镜片暗，

则手机液晶屏幕发出的光的振动方向与左镜片的透振方向一致，手机屏幕旋转90。，其屏幕发出

的光的振动方向与右镜片的透振方向一致，则左镜片变暗，右镜片变亮，D正确。

例5（多选）接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的钠原子钟，飞船和地球上的人观测这两

只钟的快慢，下列说法正确的有（）

A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快

B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢

C.地球上的人观测到地球上的钟较快

D.地城上的人观测到地球上的钟较慢

答案AC

解析根据相对论，运动的时钟变慢，这是一种观测效应。结合运动的相对性，可知飞船上的人

观测到地球上的钟较慢，认为飞船上的钟较快。地球上的人观测到飞船上的钟较慢，认为地球上

的钟较快，故A、C正确。

考点三几何光学与物理光学的综合应用

1.光从一种介质进入另一种介质时，频率不变，光速改变，由u=知，波长改变。

2.同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，由〃二，口，〃越大，传播速度越小。

例6（多选）如图所示为一束太阳光射到截面为六边形的冰晶上时的光路图，a、b为其折射出的光

线中的两种单色光，下列说法正确的是（）

太阳光,4------壬工

A.在冰晶中，a光的传播速度较小

B.通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹中心间距较大

C.从同种玻璃中射入空气发生全反射时，a光的临界角较小

D.用同一装置做单缝衍射实验，a光的中央亮条纹更宽

答案BD

解析太阳光射入六边形冰晶时，a光的折射角大于b光的折射角，由折射定律〃二型知，冰晶

sin?,

对a光的折射率小于对b光的折射率，由