第十四章 第四节 光的波动性-2022高考物理【导学教程】新编大一轮总复习（word）人教版学案

第四节　光的波动性、电磁波和相对论　

一、光的干涉、衍射和偏振

1．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__暗__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__相同__、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__白色亮__条纹，其余为__彩色__条纹。

(4)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是入射光波的波长。

2．光的衍射

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。

3．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)偏振光的两种形成方式

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__横__波。

(5)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。

二、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__电场__，变化的电场能够在周围空间产生__磁场__。

2．电磁波及其传播

(1)__电磁场__在空间由近及远的传播，形成电磁波。电磁波是横波。

(2)电磁波的传播不需要__介质__，在真空中不同频率的电磁波传播速度都等于光速。但在同一介质中，不同频率的电磁波传播速度是不同的，频率越高，波速越__小__(可联系v＝理解记忆)。

(3)波速公式：v＝__λf__，f是电磁波的频率。

3．电磁波的发射与接收

(1)发射电磁波需要开放的高频振荡电路，并对电磁波根据信号的强弱进行__调制__(两种方式：调幅、调频)。

(2)接收电磁波需要能够产生电谐振的调谐电路，再把信号从高频电流中__解调__出来。调幅波的解调也叫__检波__。

4．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的谱。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、γ射线。

三、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．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＝。

(2)物体运动时的质量总要__大于__静止时的质量m0。

3．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__。

[自我诊断]

判断下列说法的正误。

(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(√)

(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(×)

(3)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。(×)

(4)自然光是偏振光。(×)

(5)无线电波不能发生干涉和衍射现象。(×)

(6)波长不同的电磁波在本质上完全不同。(×)

(7)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(×)

考点一　光的干涉、衍射

1．光的干涉、衍射比较

2.亮暗条纹的判断方法

(1)如图所示，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。

(2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹。

3．薄膜干涉

(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′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，两列光波同相叠加，出现亮纹；反相叠加，出现暗纹。

(3)条纹特点：①单色光：明暗相间的水平条纹。

②白光：彩色水平条纹。

4．自然光和偏振光的比较

[题组突破]

[光的干涉现象]

1．(多选)(2017·全国卷Ⅱ)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是(　　)

A．改用红色激光

B．改用蓝色激光

C．减小双缝间距

D．将屏幕向远离双缝的位置移动

E．将光源向远离双缝的位置移动

[解析]　根据干涉图样中两相邻亮条纹的间距Δx＝λ可知，要使Δx增大，可以增大波长或增大双缝到屏的距离或缩小双缝间的距离，所以选项A、C、D正确，B、E错误。

[答案]　ACD

[光的衍射图样信息应用]

2．(多选)现有a、b两束光通过同一狭缝，分别产生了如图甲和乙所示的衍射图样，则下列说法正确的是(　　)

A．a光的波长小于b光

B．若用a光照射某金属板产生了光电效应，则用b光照射该板一定也会产生光电效应

C．两束光分别从同一光密介质射向同一光疏介质，入射角从90°逐渐减小到0°的过程中，最先看到折射光线的是b光

D．将分别能发出a光和b光的两个点光源安装在水下同一深度，水面上的人从光源的正上方看下去，感觉到a光的深度大

E．将a、b两束光分别通过同一杨氏双缝干涉仪，条纹间距较大的是a光

[解析]　由衍射图样可知，a光的衍射比较明显，则a光的波长较长，选项A错误；a光的波长较长，则频率较小，若用a光照射某金属板产生了光电效应，则用b光照射该板一定也会产生光电效应，选项B正确；a光频率较小，则折射率较小，临界角较大，则两束光分别从同一光密介质射向同一光疏介质，入射角从90°逐渐减小到0°的过程中，最先不能发生全反射的是a光，则首先看到折射光线的是a光，选项C错误；折射率越小，则由水中射向空气时偏折程度越小，则视深越大，选项D正确；将a、b两束光分别通过同一杨氏双缝干涉仪，根据Δx＝λ可知，a光波长大，则条纹间距较大的是a光，选项E正确。

[答案]　BDE

[光的偏振特性]

3．(多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象中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像更清晰

D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹

E．阳光在水面的反射光是自然光

[解析]　在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特性；选项C是偏振现象的应用；选项D是光的衍射现象，故选项D项错误；阳光在水面的反射光是偏振光，故选项E错误。

[答案]　ABC

考点二　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、传播方向三者两两垂直。

(2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度只与介质有关，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

[题组突破]

[电磁波的理解]

1．(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

[解析]　电磁波在真空中的传播速度等于光速，与电磁波的频率无关，选项A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，选项B正确；电磁波的传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直，选项C正确；电磁波可以通过光缆传输，选项D错误；电磁波波源的电磁振荡停止，波源不再产生新的电磁波，但空间中已产生的电磁波仍可继续传播，选项E错误。

[答案]　ABC

[狭义相对论的理解]

2．(多选)(2017·江苏卷)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，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．地球上的人观测到地球上的钟较慢

[解析]　相对论告诉我们，运动的钟会变慢，由于飞船上的人相对飞船上的钟是静止的，而观测到地球上的钟是高速运动的，因此飞船上的人观测到飞船上的钟相对于地球上的钟快，A项正确，B项错误；同样，地球上的人观测到飞船上的钟是高速运动的，因此地球上的人观测到地球上的钟比飞船上的钟快，C项正确，D项错误。

[答案]　AC

考点三　实验　用双缝干涉测光的波长

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)纹间距Δx与双缝间距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)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接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。

③调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达光屏。

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5～10 cm，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使分划板中心刻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条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹。

③用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。

④改变双缝间的距离d，双缝到屏的距离l，重复测量。

3．数据处理

(1)条纹间距Δx＝。

(2)波长λ＝Δx。

(3)计算多组数据，求λ的平均值。

4．误差分析

(1)测条纹间距Δx时带来误差。

(2)测量双缝到光屏间距离l时产生误差。

5．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。

[例]　(2019·全国卷Ⅱ)某同学利用图所示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：

(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可____________。

A．将单缝向双缝靠近

B．将屏向靠近双缝的方向移动

C．将屏向远离双缝的方向移动

D．使用间距更小的双缝

(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝____________。

(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波长为____________ nm(结果保留3位有效数字)。

[解析]　(1)增加目镜中观察到的条纹个数必须要减小条纹间距，由公式Δx＝λ可知B正确。

(2)由于第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则相邻两条暗条纹的中心间距Δx′＝，单色光的波长λ＝＝。

(3)λ＝＝ m＝6.30×10－7 m＝630 nm。

[答案]　(1)B　(2)　(3)630

[跟踪训练]

[实验原理及操作]

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)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____________________________。

[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、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上。

[答案]　(1)E　D　B　(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行　单缝、双缝间的距离要适当　要保证光源、滤光片、单缝、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上

[数据处理与分析]

2．在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，实验装置如图所示。

(1)以线状白炽灯为光源，对实验装置进行了调节并观察实验现象后，总结出以下几点：

A．灯丝和单缝及双缝必须平行放置

B．干涉条纹与双缝垂直

C．干涉条纹疏密程度与双缝宽度有关

D．干涉条纹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度线对齐某干涉条纹线时，手轮上的示数如图所示，该读数为____________ mm。

(3)如果测量头中的分划板中心刻度线与干涉条纹不在同一方向上，如图甲所示。则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值____________实际值(填“大于”“小于”或“等于”)。

(4)实验中某同学用游标卡尺代替螺旋测微器，选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm。

已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游标尺)上有20分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐，如图甲所示，此时测量头上主尺和游标尺的示数如图乙所示，则此示数为____________ mm；接着再转动手轮，使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐，测得A条纹到B条纹间的距离为8.40 mm。利用上述测量结果，经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长λ＝____________ m。

[解析]　(1)为使屏上的干涉条纹清晰，灯丝与单缝和双缝必须平行放置，所得到的干涉条纹与双缝平行；由Δx＝λ可知，条纹的疏密程度与双缝间距离d、光的波长λ、双缝到屏的距离L有关，所以A、C、D选项正确，B选项错误。

(2)固定刻度读数为0.5 mm，可动刻度读数为20.2，所以测量结果为0.5 mm＋20.2×0.01 mm＝0.702 mm。

(3)测量头中的分划板中心刻度线与干涉条纹不在同一方向上，由几何知识可知测量头的读数大于条纹间的实际距离。

(4)测量头上示数为5×0.05 mm＝0.25 mm；A条纹与B条纹间的中心距离为8.40 mm，共5个条纹间隔，则相邻条纹间隔Δx＝1.68 mm，由Δx＝λ，解得经滤光片射向双缝的色光的波长λ＝4.8×10－7 m。

[答案]　(1)ACD　(2)0.702　(3)大于　(4)0.25　4.8×10－7