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第十三章 第4讲 光的波动性 电磁波 相对论—2022高中物理一轮复习学案
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这是一份第十三章 第4讲 光的波动性 电磁波 相对论—2022高中物理一轮复习学案，共12页。
知识梳理·自测巩固
知识点1 光的干涉
1．产生条件
两列光的__频率__相同，振动方向__相同__，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。
2．两种典型的干涉
(1)杨氏双缝干涉。
①原理如图所示。
②明、暗条纹的条件。
(Ⅰ)单色光：形成__明暗相间__的条纹，中央为明条纹。
a．光的路程差Δr＝r2－r1＝__kλ__(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹。
b．光的路程差Δr＝r2－r1＝__(2k＋1)eq \f(λ,2)__(k＝0,1,2，…)，光屏上出现暗条纹。
(Ⅱ)白光：光屏上出现__彩色__条纹，且中央亮条纹是__白色__(填写颜色)。
③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝__eq \f(L,d)λ__。
(2)薄膜干涉。
①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面__反射__的两列光波。
②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的__厚度__相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。
知识点2 光的衍射
1．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。
2．衍射条纹的特点：
(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较。
(2)泊松亮斑(圆盘衍射)：
当光照射到不透明的__半径很小的小圆盘__上时，在圆盘的阴影中心出现__亮斑__(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)。
知识点3 光的偏振
1．偏振现象
横波只沿某一__特定方向__振动，称为波的偏振现象。
2．自然光
若光源发出的光，包含着在垂直于光传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的__强度__都相同，这种光叫自然光。
3．偏振光
在垂直于光传播方向的平面上，只沿一个__特定方向__振动的光，叫偏振光。
例如：自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。见示意图。
知识点4 电磁波与相对论
1．电磁波的产生
(1)麦克斯韦电磁场理论
变化的磁场产生__电场__，变化的电场产生__磁场__。
(2)电磁场
变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场。
(3)电磁波
电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波。
①电磁波是横波，在空间传播__不需要__介质；
②真空中电磁波的速度为__3.0×108__ m/s；
③v＝λf对电磁波__同样适用__。
④电磁波能产生反射、折射、__干涉__和衍射等现象。
2．电磁波的发射和接收
(1)发射电磁波的条件
①要有足够高的__振荡频率__。
②电路必须__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；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。
②电磁波谱的特性、应用
3．狭义相对论
(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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。
(2)相对论的质速关系
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m总要__大于__静止时的质量m0。
4．相对论质能关系
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__。
思维诊断：
(1)光的颜色取决于折射率。( × )
(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。( × )
自测巩固
ZI CE GONG GU
1．在杨氏双缝干涉实验中，如果( B )
A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹
B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹
C．若仅将入射光由红光改为蓝光，则条纹间距一定变大
D．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹
[解析] 用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间，B对；λ变小，Δx变小，C错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错。
2．在拍摄日落时分水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是( A )
A．减弱反射光，从而使景物的像清晰
B．增强反射光，从而使景物的像清晰
C．增强透射光，从而使景物的像清晰
D．减弱透射光，从而使景物的像清晰
[解析] 让偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱进入镜头的反射光，使水下景物的像清晰。
3．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是( B )
A．声波可以传递信息，电磁波不能传递信息
B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
[解析] 声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误。
4．(2017·江苏卷)(多选)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( AC )
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，由于飞船上的人观测飞船上的钟是静止的，观测到地球上的钟是运动的，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运动的，地球上的钟是静止的，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。
HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO
核心考点·重点突破
考点一 光的干涉、衍射及偏振
1．双缝干涉与单缝衍射的比较：
2．自然光和偏振光的比较：
特别提醒：(1)从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理，衍射条纹可以认为从单缝通过多列频率相同的光波在屏上叠加形成的干涉图样。
(2)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，衍射现象说明只有在光的波长比障碍物小得多时才可看作沿直线传播。
例1 (2019·昆明模拟改编)(多选)如图所示，一束光斜射向水面，入水后分成a、b两束，下列说法正确的是( AD )
A．a光比b光更容易发生衍射现象
B．a光的频率大于b光的频率
C．在水中a光的速度比b光的速度小
D．当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角
[解析] 由n＝eq \f(sin i,sin r)知，a的折射率小于b的折射率，而折射率越大，光的频率越大，波长越短，则a光波长较长，又由于波长越长的光越容易发生衍射现象，故a光比b光更容易发生衍射现象，a光的频率小于b光的频率，选项A正确，B错误；由v＝eq \f(c,n)可得，在水中a光的速度比b光的速度大，选项C错误；由sin C＝eq \f(1,n)可得，当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角，选项D正确。
〔类题演练1〕
(2020·吉林模拟改编)(多选)下列说法正确的是( BD )
A．光在介质中传播的速度仅由介质本身所决定
B．雨后路面上的油膜形成的彩色条纹是由光的干涉形成的
C．杨氏双缝干涉实验中，当两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定时，红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距小
D．光的偏振特征说明光是横波
[解析] 光在介质中传播的速度由介质本身及光的频率共同决定，故A错误；油膜形成的彩色条纹，是油膜的前后表面反射光，进行光的叠加，形成的干涉条纹，故B正确；根据光的干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ可知，红光的波长长，则红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距大，故C错误；光的偏振现象说明光是一种横波而不是纵波，故D正确。
考点二 实验：用双缝干涉测光的波长
1．实验原理：相邻两条明条纹间距Δx与入射光波长λ，双缝S1、S2间距d及双缝与屏的距离l满足的关系式为Δx＝eq \f(l,d)λ。
2．实验器材：双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。
3．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。
②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，使双缝和单缝的缝平行。
(2)观察与记录。
①调单缝与双缝间距为5～10 cm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，记下手轮上的读数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条相邻的明条纹中心对齐时，记下手轮上的刻度数a2，则相邻两条纹间的距离Δx＝eq \f(|a1－a2|,n－1)。
④换用不同的滤光片，测量其他色光的波长。
(3)数据处理：用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l，由公式λ＝eq \f(d,l)Δx计算波长，重复测量、计算，求出波长的平均值。
4．注意事项：
(1)调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
(2)放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上。
(3)调节测量头时，应使分划板中心刻线和条纹的中心对齐，记清此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线和另一条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两个条纹间的距离。
(4)不要直接测Δx，要测几个条纹的间距，计算得Δx，这样可以减小误差。
(5)白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外边。
特别提醒：(1)实验中滤光片的作用是获得单色光，要测量某种单色光的波长，实验中必须使用滤光片。
(2)单缝相当于一个单色光光源，双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源。
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、__E__、__D__、__B__、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，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②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；
③用米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)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤②时还应注意__单缝与双缝必须平行，其间距为5～10 cm，保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上__。
(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，记下此时图乙中手轮上的示数为__13.870__ mm，求得相邻亮纹的间距Δx为__2.310__ mm。
(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝__eq \f(dΔx,l)__，求得所测红光波长为__6.6×102__ 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上，所以排列顺序为C、E、D、B、A。(顺序不能交换)
(2)在操作步骤②时应注意的事项有：放置单缝、双缝时，单缝、双缝间距离大约为5～10 cm；使单缝与双缝相互平行。
(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
Δx＝eq \f(13.870－2.320,5) mm＝2.310 mm
(4)由条纹间距离公式Δx＝eq \f(l,d)λ得：
λ＝eq \f(dΔx,l)，代入数值得：λ＝6.6×10－7 m＝6.6×102nm。
考点三 电磁波与相对论
对电磁波谱的四点说明
(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。
(3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。
(4)电磁波的能量随频率的增大而增大。
例3 (多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是 ( ABE )
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线
E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信
[解析] 紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，D错误。A、B、E的说法正确。
〔类题演练2〕
(2019·江西樟树中学等九校联考)(多选)下列说法中正确的是( BDE )
A．根据爱因斯坦的相对论可判断物体的质量与运动快慢无关
B．机械波的频率等于单位时间内经过介质中一点的完全波的个数
C．在接收电磁波的过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫调制
D．偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向(也称透振方向)的夹角从0°增大到90°的过程中，透过的光的强度越来越弱
E．赫兹在实验中发现，当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环的空隙中产生火花，由此证实了电磁波的存在
[解析] 本题考查相对论、电磁波的常识。根据爱因斯坦的相对论可知高速运动的物体的质量与运动快慢有关，故A错误；机械波在传播过程中，各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移，质点每经过一个完全波时完成一次全振动，根据v＝λf有f＝eq \f(v,λ)，故单位时间内经过介质中一点的完全波的个数就是这列波的频率，故B正确；在电磁波的接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫解调，故C错误；从实验现象可知，光振动方向与偏振片透振方向平行的光才能通过偏振片，则在偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向(也称透振方向)的夹角从0°增大到90°的过程中，透过的光的强度越来越弱，故D正确；赫兹在实验中发现，当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环的空隙中产生火花，由此证实了电磁波的存在，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础，故E正确。
2 NIAN GAO KAO MO NI XUN LIAN
2年高考·模拟训练
1．(2019·北京卷，14)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是( A )
图1
甲
乙
图2
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
D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大
[解析] 单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。 根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A选项正确。
2．(2018·北京，15)用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹，在光源与单缝之间加上红色滤光片后( D )
A．干涉条纹消失
B．彩色条纹中的红色条纹消失
C．中央条纹变成暗条纹
D．中央条纹变成红色
[解析] 在光源与单缝之间加上红色滤光片后，只透过红光，屏上出现红光(单色光)的干涉条纹。故选D。
3．(2019·江西临川一中期末)(多选)下列说法正确的是( ADE )
A．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的
B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，会在镜头前加装偏振片以增加透射光的强度
C．狭义相对论认为：光在真空中的传播速度会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变
D．横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期
E．自然光在玻璃表面的反射光是偏振光
[解析] 本题考查薄膜干涉、偏振、狭义相对论等。水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的，选项A正确；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减弱反射光的强度，使照片清晰，选项B错误；狭义相对论认为光在真空中的传播速度不会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，选项C错误；横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期，选项D正确；自然光在玻璃表面的反射光是偏振光，选项E正确。
4．(2019·甘肃武威六中一诊)(多选)关于相对论，下列说法中正确的是( ADE )
A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中不同
C．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
D．运动速度很高的微观粒子，它的质量明显大于静止时的质量
E．在一个确定的参考系中观察，运动物体上面的物理过程的快慢跟物体的运动状态有关
[解析] 本题考查对相对论的认识。由狭义相对性原理可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，选项A正确，选项B错误；根据尺缩效应，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，选项C错误；根据相对论质量公式可知，运动速度很高的微观粒子，它的质量明显大于静止时的质量，选项D正确；由时间间隔的相对性可知，在一个确定的参考系中观察，运动物体上面的物理过程的快慢跟物体的运动状态有关，选项E正确。
5．[2019·江苏卷，13B(2)]将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的__衍射__(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度__接近__(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。
[解析] 光能绕过障碍物或小孔的现象叫作衍射；产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸跟波长相等或相差不多。
6．[2019·全国卷Ⅱ，34(2)]某同学利用图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__B__。
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＝__eq \f(Δxd,n－1l)__。
(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__630__ nm(结果保留3位有效数字)。
[解析] (1)相邻明(暗)干涉条纹的宽度Δx＝eq \f(l,d)λ，要增加观察到的条纹个数，即减小Δx，需增大d或减小l，因此应将屏向靠近双缝的方向移动，选项B正确。
(2)第1条到第n条暗条纹间的距离为Δx，则相邻暗条纹间的距离Δx′＝eq \f(Δx,n－1)，又Δx′＝eq \f(l,d)λ，解得λ＝eq \f(Δxd,n－1l)。
(3)由λ＝eq \f(Δxd,n－1l)，代入数据解得λ＝630 nm。
单缝衍射
圆孔衍射
单色光
中央为亮且宽的条纹，两侧为__明暗相间__的条纹，且越靠外，亮条纹的亮度__越弱__，宽度__越小__
①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着__明暗相间__的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度__越弱__，宽度__越小__
②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而__越小__
白光
中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度__逐渐变暗__、宽度__逐渐变窄__的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光
中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的__同心圆环__
电磁波谱
特性
应用
红外线
__热效应__
红外线遥感
紫外线
化学效应、__荧光效应__、能杀菌
医用消毒、防伪
X射线
贯穿性强
检查、医用透视
γ射线
贯穿本领最强
工业探伤、医用治疗
内容
干涉
衍射
现象
在光叠加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更小
典型实验
杨氏双缝干涉
单缝衍射(圆孔衍射、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
各相邻条纹间距相等
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
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过起偏器后的光
光的振
动方向
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，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
知识梳理·自测巩固
知识点1 光的干涉
1．产生条件
两列光的__频率__相同，振动方向__相同__，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。
2．两种典型的干涉
(1)杨氏双缝干涉。
①原理如图所示。
②明、暗条纹的条件。
(Ⅰ)单色光：形成__明暗相间__的条纹，中央为明条纹。
a．光的路程差Δr＝r2－r1＝__kλ__(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹。
b．光的路程差Δr＝r2－r1＝__(2k＋1)eq \f(λ,2)__(k＝0,1,2，…)，光屏上出现暗条纹。
(Ⅱ)白光：光屏上出现__彩色__条纹，且中央亮条纹是__白色__(填写颜色)。
③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝__eq \f(L,d)λ__。
(2)薄膜干涉。
①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面__反射__的两列光波。
②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的__厚度__相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。
知识点2 光的衍射
1．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。
2．衍射条纹的特点：
(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较。
(2)泊松亮斑(圆盘衍射)：
当光照射到不透明的__半径很小的小圆盘__上时，在圆盘的阴影中心出现__亮斑__(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)。
知识点3 光的偏振
1．偏振现象
横波只沿某一__特定方向__振动，称为波的偏振现象。
2．自然光
若光源发出的光，包含着在垂直于光传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的__强度__都相同，这种光叫自然光。
3．偏振光
在垂直于光传播方向的平面上，只沿一个__特定方向__振动的光，叫偏振光。
例如：自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。见示意图。
知识点4 电磁波与相对论
1．电磁波的产生
(1)麦克斯韦电磁场理论
变化的磁场产生__电场__，变化的电场产生__磁场__。
(2)电磁场
变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场。
(3)电磁波
电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波。
①电磁波是横波，在空间传播__不需要__介质；
②真空中电磁波的速度为__3.0×108__ m/s；
③v＝λf对电磁波__同样适用__。
④电磁波能产生反射、折射、__干涉__和衍射等现象。
2．电磁波的发射和接收
(1)发射电磁波的条件
①要有足够高的__振荡频率__。
②电路必须__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；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。
②电磁波谱的特性、应用
3．狭义相对论
(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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。
(2)相对论的质速关系
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m总要__大于__静止时的质量m0。
4．相对论质能关系
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__。
思维诊断：
(1)光的颜色取决于折射率。( × )
(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。( × )
自测巩固
ZI CE GONG GU
1．在杨氏双缝干涉实验中，如果( B )
A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹
B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹
C．若仅将入射光由红光改为蓝光，则条纹间距一定变大
D．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹
[解析] 用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间，B对；λ变小，Δx变小，C错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错。
2．在拍摄日落时分水面下的景物时，在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是( A )
A．减弱反射光，从而使景物的像清晰
B．增强反射光，从而使景物的像清晰
C．增强透射光，从而使景物的像清晰
D．减弱透射光，从而使景物的像清晰
[解析] 让偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，减弱进入镜头的反射光，使水下景物的像清晰。
3．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是( B )
A．声波可以传递信息，电磁波不能传递信息
B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
[解析] 声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误。
4．(2017·江苏卷)(多选)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( AC )
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，由于飞船上的人观测飞船上的钟是静止的，观测到地球上的钟是运动的，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运动的，地球上的钟是静止的，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。
HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO
核心考点·重点突破
考点一 光的干涉、衍射及偏振
1．双缝干涉与单缝衍射的比较：
2．自然光和偏振光的比较：
特别提醒：(1)从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理，衍射条纹可以认为从单缝通过多列频率相同的光波在屏上叠加形成的干涉图样。
(2)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，衍射现象说明只有在光的波长比障碍物小得多时才可看作沿直线传播。
例1 (2019·昆明模拟改编)(多选)如图所示，一束光斜射向水面，入水后分成a、b两束，下列说法正确的是( AD )
A．a光比b光更容易发生衍射现象
B．a光的频率大于b光的频率
C．在水中a光的速度比b光的速度小
D．当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角
[解析] 由n＝eq \f(sin i,sin r)知，a的折射率小于b的折射率，而折射率越大，光的频率越大，波长越短，则a光波长较长，又由于波长越长的光越容易发生衍射现象，故a光比b光更容易发生衍射现象，a光的频率小于b光的频率，选项A正确，B错误；由v＝eq \f(c,n)可得，在水中a光的速度比b光的速度大，选项C错误；由sin C＝eq \f(1,n)可得，当a、b两种光从水射向空气时，a光的临界角大于b光的临界角，选项D正确。
〔类题演练1〕
(2020·吉林模拟改编)(多选)下列说法正确的是( BD )
A．光在介质中传播的速度仅由介质本身所决定
B．雨后路面上的油膜形成的彩色条纹是由光的干涉形成的
C．杨氏双缝干涉实验中，当两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定时，红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距小
D．光的偏振特征说明光是横波
[解析] 光在介质中传播的速度由介质本身及光的频率共同决定，故A错误；油膜形成的彩色条纹，是油膜的前后表面反射光，进行光的叠加，形成的干涉条纹，故B正确；根据光的干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ可知，红光的波长长，则红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距大，故C错误；光的偏振现象说明光是一种横波而不是纵波，故D正确。
考点二 实验：用双缝干涉测光的波长
1．实验原理：相邻两条明条纹间距Δx与入射光波长λ，双缝S1、S2间距d及双缝与屏的距离l满足的关系式为Δx＝eq \f(l,d)λ。
2．实验器材：双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。
3．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。
②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，使双缝和单缝的缝平行。
(2)观察与记录。
①调单缝与双缝间距为5～10 cm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，记下手轮上的读数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条相邻的明条纹中心对齐时，记下手轮上的刻度数a2，则相邻两条纹间的距离Δx＝eq \f(|a1－a2|,n－1)。
④换用不同的滤光片，测量其他色光的波长。
(3)数据处理：用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l，由公式λ＝eq \f(d,l)Δx计算波长，重复测量、计算，求出波长的平均值。
4．注意事项：
(1)调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
(2)放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上。
(3)调节测量头时，应使分划板中心刻线和条纹的中心对齐，记清此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线和另一条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两个条纹间的距离。
(4)不要直接测Δx，要测几个条纹的间距，计算得Δx，这样可以减小误差。
(5)白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外边。
特别提醒：(1)实验中滤光片的作用是获得单色光，要测量某种单色光的波长，实验中必须使用滤光片。
(2)单缝相当于一个单色光光源，双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源。
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、__E__、__D__、__B__、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，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②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；
③用米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)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤②时还应注意__单缝与双缝必须平行，其间距为5～10 cm，保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上__。
(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，记下此时图乙中手轮上的示数为__13.870__ mm，求得相邻亮纹的间距Δx为__2.310__ mm。
(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝__eq \f(dΔx,l)__，求得所测红光波长为__6.6×102__ 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上，所以排列顺序为C、E、D、B、A。(顺序不能交换)
(2)在操作步骤②时应注意的事项有：放置单缝、双缝时，单缝、双缝间距离大约为5～10 cm；使单缝与双缝相互平行。
(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
Δx＝eq \f(13.870－2.320,5) mm＝2.310 mm
(4)由条纹间距离公式Δx＝eq \f(l,d)λ得：
λ＝eq \f(dΔx,l)，代入数值得：λ＝6.6×10－7 m＝6.6×102nm。
考点三 电磁波与相对论
对电磁波谱的四点说明
(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。
(3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。
(4)电磁波的能量随频率的增大而增大。
例3 (多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是 ( ABE )
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线
E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信
[解析] 紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，D错误。A、B、E的说法正确。
〔类题演练2〕
(2019·江西樟树中学等九校联考)(多选)下列说法中正确的是( BDE )
A．根据爱因斯坦的相对论可判断物体的质量与运动快慢无关
B．机械波的频率等于单位时间内经过介质中一点的完全波的个数
C．在接收电磁波的过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫调制
D．偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向(也称透振方向)的夹角从0°增大到90°的过程中，透过的光的强度越来越弱
E．赫兹在实验中发现，当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环的空隙中产生火花，由此证实了电磁波的存在
[解析] 本题考查相对论、电磁波的常识。根据爱因斯坦的相对论可知高速运动的物体的质量与运动快慢有关，故A错误；机械波在传播过程中，各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移，质点每经过一个完全波时完成一次全振动，根据v＝λf有f＝eq \f(v,λ)，故单位时间内经过介质中一点的完全波的个数就是这列波的频率，故B正确；在电磁波的接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫解调，故C错误；从实验现象可知，光振动方向与偏振片透振方向平行的光才能通过偏振片，则在偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向(也称透振方向)的夹角从0°增大到90°的过程中，透过的光的强度越来越弱，故D正确；赫兹在实验中发现，当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环的空隙中产生火花，由此证实了电磁波的存在，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础，故E正确。
2 NIAN GAO KAO MO NI XUN LIAN
2年高考·模拟训练
1．(2019·北京卷，14)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是( A )
图1
甲
乙
图2
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
D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大
[解析] 单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。 根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A选项正确。
2．(2018·北京，15)用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹，在光源与单缝之间加上红色滤光片后( D )
A．干涉条纹消失
B．彩色条纹中的红色条纹消失
C．中央条纹变成暗条纹
D．中央条纹变成红色
[解析] 在光源与单缝之间加上红色滤光片后，只透过红光，屏上出现红光(单色光)的干涉条纹。故选D。
3．(2019·江西临川一中期末)(多选)下列说法正确的是( ADE )
A．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的
B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，会在镜头前加装偏振片以增加透射光的强度
C．狭义相对论认为：光在真空中的传播速度会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变
D．横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期
E．自然光在玻璃表面的反射光是偏振光
[解析] 本题考查薄膜干涉、偏振、狭义相对论等。水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的，选项A正确；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减弱反射光的强度，使照片清晰，选项B错误；狭义相对论认为光在真空中的传播速度不会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，选项C错误；横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期，选项D正确；自然光在玻璃表面的反射光是偏振光，选项E正确。
4．(2019·甘肃武威六中一诊)(多选)关于相对论，下列说法中正确的是( ADE )
A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中不同
C．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
D．运动速度很高的微观粒子，它的质量明显大于静止时的质量
E．在一个确定的参考系中观察，运动物体上面的物理过程的快慢跟物体的运动状态有关
[解析] 本题考查对相对论的认识。由狭义相对性原理可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，选项A正确，选项B错误；根据尺缩效应，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，选项C错误；根据相对论质量公式可知，运动速度很高的微观粒子，它的质量明显大于静止时的质量，选项D正确；由时间间隔的相对性可知，在一个确定的参考系中观察，运动物体上面的物理过程的快慢跟物体的运动状态有关，选项E正确。
5．[2019·江苏卷，13B(2)]将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的__衍射__(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度__接近__(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。
[解析] 光能绕过障碍物或小孔的现象叫作衍射；产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸跟波长相等或相差不多。
6．[2019·全国卷Ⅱ，34(2)]某同学利用图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__B__。
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＝__eq \f(Δxd,n－1l)__。
(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__630__ nm(结果保留3位有效数字)。
[解析] (1)相邻明(暗)干涉条纹的宽度Δx＝eq \f(l,d)λ，要增加观察到的条纹个数，即减小Δx，需增大d或减小l，因此应将屏向靠近双缝的方向移动，选项B正确。
(2)第1条到第n条暗条纹间的距离为Δx，则相邻暗条纹间的距离Δx′＝eq \f(Δx,n－1)，又Δx′＝eq \f(l,d)λ，解得λ＝eq \f(Δxd,n－1l)。
(3)由λ＝eq \f(Δxd,n－1l)，代入数据解得λ＝630 nm。
单缝衍射
圆孔衍射
单色光
中央为亮且宽的条纹，两侧为__明暗相间__的条纹，且越靠外，亮条纹的亮度__越弱__，宽度__越小__
①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着__明暗相间__的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度__越弱__，宽度__越小__
②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而__越小__
白光
中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度__逐渐变暗__、宽度__逐渐变窄__的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光
中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的__同心圆环__
电磁波谱
特性
应用
红外线
__热效应__
红外线遥感
紫外线
化学效应、__荧光效应__、能杀菌
医用消毒、防伪
X射线
贯穿性强
检查、医用透视
γ射线
贯穿本领最强
工业探伤、医用治疗
内容
干涉
衍射
现象
在光叠加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更小
典型实验
杨氏双缝干涉
单缝衍射(圆孔衍射、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
各相邻条纹间距相等
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
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
自然光通过起偏器后的光
光的振
动方向
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，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
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