14.2光的波动性　电磁波与相对论（原卷版）-2023年高考物理一轮复习提升核心素养

14.2光的波动性　电磁波与相对论

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   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．

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    ，甚至比光的波长    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      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)偏振光的形成

①让自然光通过     形成偏振光．

②让自然光在两种介质的界面发生反射和    ，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   波．

二、电磁波和相对论

1．电磁场、电磁波、电磁波谱

(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

①电磁场在空间由近及远的传播，形成    ．

②电磁波的传播不需要    ，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度    (都等于光速)．

③不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越   ．

④v＝λf，f是电磁波的频率．

(3)电磁波的发射

①发射条件：    电路和    信号，所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)．

②调制方式

a．调幅：使高频电磁波的   随信号的强弱而变．

b．调频：使高频电磁波的     随信号的强弱而变．

(4)无线电波的接收

①当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率    时，激起的振荡电流   ，这就是电谐振现象．

②使接收电路产生电谐振的过程叫做     ，能够调谐的接收电路叫做    电路．

③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做   ．检波是    的逆过程，也叫做    ．

(5)电磁波谱：按照电磁波的   或    的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱．

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．

2．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    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    ，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    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＝    .

光的干涉现象

例题1.

如图所示，用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为(　　)

A.  B.  C.  D.

(多选)(2021·浙江6月选考·16)肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄．下列说法正确的是(　　)

A. 过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形

B．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹

C．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化

D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，条纹也会跟着转动90°

以下现象不属于干涉的是(　　)

A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样

B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样

C．白光经过三棱镜得到彩色图样

D．白光照射水面油膜呈现彩色图样

光的衍射和偏振现象

例题2.

如图所示的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(　　)

A．红黄蓝紫   B．红紫蓝黄

C．蓝紫红黄   D．蓝黄红紫

奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了．如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间．

(1)偏振片A的作用是_______________________________________．

(2)偏振现象证明了光是一种________．

(3)以下说法中正确的是________．

A．到达O处光的强度会减弱

B．到达O处光的强度不会减弱

C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片B转过的角度等于α

D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α

用如图甲所示装置做圆孔衍射实验，在屏上得到的衍射图样如图乙所示，实验发现，光绕过孔的边缘，传播到了相当大的范围．下列说法正确的是(　　)

A．此实验说明了光沿直线传播

B．圆孔变小，衍射图样的范围反而变大

C．圆孔变小，中央亮斑和亮纹的亮度反而变大

D．用不同波长的光做实验，衍射图样完全相同

电磁振荡　电磁波

例题3.

(2020·浙江1月选考·8)如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电．t＝0时开关S打到b端，t＝0.02 s时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值．则(　　)

A．LC回路的周期为0.02 s

B．LC回路的电流最大时电容器中电场能最大

C．t＝1.01 s时线圈中磁场能最大

D．t＝1.01 s时回路中电流沿顺时针方向

例7　(多选)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

(多选)关于物理知识在生活中的应用，下列说法正确的是(　　)

A．机场、车站所用的测量人体温度的测温仪应用的是紫外线

B．雷达是利用无线电波中的微波来测定物体位置的无线电设备

C．γ射线可以用来治疗某些癌症

D．医院给病人做的脑部CT应用的是X射线的穿透本领较强

雪深雷达是2020珠峰高程测量主力设备之一，该系统主要利用天线发射和接收高频电磁波来探测珠峰峰顶冰雪层厚度，如图所示．下列说法正确的是(　　)

A．雷达利用电磁波的干涉特性工作

B．电磁波发射时需要进行调谐和解调

C．电磁波从空气进入雪地，频率减小，波长增大

D．在电磁波中，电场和磁场随时间和空间做周期性变化

狭义相对论

例题4. 如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)．地面上的人测得它们相距为L，则飞船A上的人测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L.当B向A发出一光信号，飞船A上的人测得该信号的速度为________．

1905年到1915年，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法正确的是（　　）

A．狭义相对论的两条基本假设是不确定关系与光速不变原理

B．飞船以的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为

C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

D．已知子低速运动时的平均寿命是。当它以的速度飞行，若以地面为参考系，此时子的平均寿命变长

如图所示,地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁,乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的光火箭沿AB方向飞行.两观察者身边各有一只事先在地面校准了的相同的时钟.下列对相关现象的描述中，正确的是（      ）

A．甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离

B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了

C．甲测得光速为c，乙测得的光速为c-v

D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为A先接收到闪光

一、单选题

1．如图所示，凸透镜的弯曲表面是个球面，球面的半径叫作这个曲面的曲率半径。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，可以看到亮暗相间的圆环状条纹。这个现象是牛顿首先发现的，这些环状条纹叫作牛顿环。下列说法正确的是（　　）

A．圆环状条纹是由于凸透镜上、下表面的反射光发生干涉形成的

B．圆环状条纹的间距不相等，从圆心向外条纹越来越稀疏

C．如果改用一个表面曲率半径更大的凸透镜，观察到的圆环状条纹间距将变小

D．如果改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环状条纹间距将变大

2．如图所示，一束复色光经玻璃三棱镜后分开成a、b、c和d四种单色光。用这四种单色光分别作为双缝干涉实验的光源。下列说法正确的是（　　）

A．d光的频率最高 B．a光在棱镜中的速度最大

C．d光产生的干涉条纹宽度最大 D．a光产生的干涉条纹宽度最大

3．如图甲所示为研究光的干涉现象的实验装置，狭缝S1、S2的间距d可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射在狭缝上，实验中在屏上得到了图乙所示图样（图中阴影部分表示暗条纹）。下列说法正确的是（　　）

A．图乙中双缝干涉图样的亮条纹，经过半个周期后变成暗条纹

B．仅减小狭缝S1、S2的间距d，图乙中相邻亮条纹的中心间距增大

C．仅增加L，图乙中相邻亮条纹的中心间距减小

D．若S1、S2到屏上P点的距离差为半波长的奇数倍，P点处是亮条纹

4．a光经过某干涉仪形成的光的干涉图样如图甲所示，若只将a光换成b光照射同一干涉仪，形成的光的干涉图样如图乙所示，则下列叙述正确的是（　　）

A．a光的频率较大 B．b光的频率较小

C．a光的波长较大 D．b光的波长较大

5．如图所示是杨氏双缝干涉实验示意图，其中S1、S2为双缝，D为光屏，实验中观察到屏上O点为中央亮条纹的中心，P1为第一级亮条纹的中心，若将双缝间的距离变小，其他条件不变，则（　　）

A．屏上的干涉条纹的间距将变大

B．屏上的O点可能出现暗条纹

C．屏上P1位置仍然可能为亮条纹的中心

D．屏上P1位置不可能为暗条纹的中心

6．对于以下的光学现象说法中正确的是（　　）

A．图甲是双缝干涉示意图，若只增大两个狭缝、间的距离d，相邻亮条纹间距离将减小

B．图乙是单色光单缝衍射实验现象，若在狭缝宽度相同情况下，上图对应光的波长较短

C．图丙是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，弯曲的干涉条纹说明被检测的平面在此处是凹下的

D．图丁中的P、Q是偏振片，当P固定不动，缓慢转动Q时，光屏上的光亮度将一明一暗交替变化，此现象表明光波是纵波

7．如图所示，一束激光照在一个很小的不透明的圆盘上，在影的中心有一个亮斑，这就是著名的“泊松亮斑”。“泊松亮斑”的形成说明光（　　）

A．能发生衍射 B．能发生干涉

C．能发生偏振 D．能沿直线传播

8．科学家早在1966年就研究发现蓝光可引起视网膜细胞的损伤，其中波长400~450纳米的蓝光对视网膜危害程度最大，生活中的电视、电脑、手机等各类LED发光屏为了画面靓丽却往往会提升蓝光强度。如图所示，人们可用防蓝光眼镜减小蓝光对眼睛的损害，关于防蓝光镜片制作的原理可能正确的是（　　）

A．用偏振片作为镜片，利用光的偏振将蓝光过滤

B．把镜片制作得很薄，利用光的衍射将蓝光过滤

C．在镜片上涂一层膜，利用光的干涉将蓝光过滤

D．用折射率较大的材料做镜片，利用光的全返射将蓝光过滤

9．如图所示，P是一偏振片，它的透振方向为竖直方向（图中用带箭头的实线表示）。现用四种入射光束分别照射P时，不能在P的另一侧观察到透射光的是（　　）

A．太阳光

B．沿竖直方向振动的光

C．沿水平方向振动的光

D．沿与竖直方向成45°角振动的光

10．如图所示，电源电动势为3 V，单刀双掷开关S先置于a端使电路稳定。在t=0时刻开关S置于b端，若经检测发现，t=0.02 s时刻，自感线圈两端的电势差第一次为1.5 V。如果不计振荡过程的能量损失，下列说法正确的是（　　）

A．0.04s时回路中的电流为零

B．0.08s时电感线圈中的自感电动势值最大为3V

C．0.07s~0.08s时间内，电容器极板间电场方向竖直向上且逐渐减小

D．0.04s~0.05s时间内，线圈中的磁场能逐渐增大