2020版高考物理新设计一轮复习江苏专版讲义：第十三章第4节光的波动性电磁波相对论

第4节光的波动性__电磁波__相对论

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(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。(×)

突破点(一)　光的干涉、衍射及偏振

1．光的干涉

(1)明暗条纹的判断方法

①单色光

a．如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上P点的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)时，光屏上出现亮条纹。

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

②白光：光屏上出现彩色条纹。

③中央条纹为亮条纹。

(2)双缝干涉条纹是等间距的

相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离与波长成正比(装置已确定的情况下)。利用双缝干涉实验可测量光波的波长。

(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。

③原理分析

单色光

a．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。

b．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)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。

白光：薄膜上出现水平彩色条纹。

(4)薄膜干涉的应用

干涉法检查平面如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。

2．光的干涉和衍射的比较

(1)干涉和衍射的比较

(2)对光的衍射的理解

①干涉和衍射是波的特征，波长越长，干涉和衍射现象越明显。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，光才可以看做是沿直线传播的。

[典例]　(2018·徐州二模)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和同一单缝衍射仪器形成的图样(灰黑色部分表示亮条纹)。则属于蓝光的干涉图样的是(　　)

[解析]　双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有亮条纹宽度相同且等间距，根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ可知，波长λ越大，Δx越大，故左边第一个是红光的，第三个是蓝光的。单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，故从左向右依次是红光(双缝干涉)、蓝光(单缝衍射)、蓝光(双缝干涉)和红光(单缝衍射)。由以上分析可知，A、B、D错误，C正确。

[答案]　C

[方法规律]

区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法

(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉条纹的宽度相同，而单缝衍射的条纹中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄。

(2)根据条纹的间距区分：双缝干涉条纹的间距是相等的，而单缝衍射的条纹越向两侧条纹间距越窄。

(3)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮条纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗。

[集训冲关]

1．(2019·泰州模拟)在双缝干涉实验中，保持狭缝间的距离及狭缝与屏的距离都不变，用不同的色光照射，则(　　)

A．红光的干涉条纹间距最大

B．紫光的干涉条纹间距最大

C．红光与紫光的干涉条纹间距一样大

D．用白光照射时会产生白色干涉条纹

解析：选A　根据条纹间距公式Δx＝·λ，当狭缝间的距离d和狭缝到屏的距离l都不变时，因为红光的波长比紫光的波长大，所以红光干涉条纹的间距大，故A正确，B、C错误；用白光做双缝干涉实验时，会出现色散现象，光屏上会出现彩色条纹，D错误。

2．下列说法不正确的是(　　)

A．检验工件平整度的操作中，如图1所示，上面为标准件，下面为待检测工件，通过干涉条纹可推断：P为凹处，Q为凸处

B．图2为光线通过小圆板得到的衍射图样

C．图3的原理和光导纤维传送光信号的原理一样

D．图4的原理和照相机镜头表面涂上增透膜的原理一样

解析：选D　薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，从弯曲的条纹可知，P处空气膜厚度与后面的相同，知P处凹陷，而Q处空气膜厚度与前面的相同，知Q处凸起，故A正确；图2为光线通过小圆板得到的衍射图样，若用光照射很小的不透明圆板时，后面会出现一亮点，故B正确；沙漠蜃景是光的全反射现象，且光导纤维利用了光的全反射现象，它们的原理相同，故C正确；立体电影是光的偏振，而照相机镜头表面涂上增透膜是利用光的干涉，它们的原理不相同，故D错误。

3．(2018·江苏高考)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实验时，可以观察到________(选填“A”或“B”)产生的条纹间距较大。

解析：因λA＞λB，根据c＝λν知，νA＜νB，同一介质对频率越高的光折射率越大，即nA＜nB，而sin C＝，故CA＞CB，即A光在水中发生全反射时的临界角较大。根据Δx＝λ知，ΔxA＞ΔxB，即A光产生的条纹间距较大。

答案：A　A

突破点(二)　电磁场和电磁波

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，如图所示。

(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

[特别提醒]

(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、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，但它们产生的机理不同。

[题点全练]

1．[多选](2018·江苏高考)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3×108 m/s

解析：选AD　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3×108 m/s，故选项A、D正确。

2．(2018·连云港二模)下列说法中正确的是(　　)

A．雷达是利用声波的反射来测定物体的位置的

B．在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光改为红光，则干涉条纹间距变窄

C．考虑相对论效应，一条沿自身长度方向运动的杆的长度总比杆静止时的长度短

D．调谐是电磁波发射应该经历的过程，调制是电磁波接收应该经历的过程

解析：选C　雷达是利用无线电波的反射来确定物体目标的仪器，A错误；根据公式Δx＝λ，双缝干涉条纹宽度正比于波长，红光波长比绿光大，干涉条纹宽，B错误；相对论效应是对不同参考系而言的，相对地面高速运动的杆在自身参考系内测量就是静止的长，而地面观察者测量时发现其长度变短，C正确；发射电磁波需要将低频信号加到高频信号上，此过程称为调制，接收到电磁波时，选择所需要的频率信号，称为调谐，D错误。

3．[多选](2018·南京三模)下列说法正确的是(　　)

A．共享单车是“新四大发明”之一，手机和互联网、互联网和单车之间都是通过红外线传递信息的

B．我国新型隐形战机J－20由于使用了吸收雷达电磁波材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，因此很难被发现

C．发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于发生沙尘暴时只有波长较长的一部分光才能到达地面

D．当声源相对于观察者运动时，观察者听到的声音的音调一定变高

解析：选BC　共享单车是“新四大发明”之一，手机和互联网、互联网和单车之间都是通过电磁波传递信息的，故A错误；我国新型隐形战机J－20由于使用了吸收雷达电磁波材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，因此很难被发现，故B正确；发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于发生沙尘暴时只有波长较长的一部分光才能到达地面，故C正确；当声源离观测者而去时，观察者听到的音调变得低沉，当声源接近观测者时，观察者听到的音调就变高，故D错误。

突破点(三)　狭义相对论的简单应用

1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

2．光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。

3．狭义相对论认为物体的质量m与物体的速度v有关，其关系式为m＝。

4．对“长度的相对性”的理解：狭义相对论中的长度公式：l＝l0中，l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可认为杆沿杆的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测出的杆的长度，还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度。

5．对“时间间隔的相对性”的理解：时间间隔的相对性公式Δt＝中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt则是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这就是狭义相对论中的时间膨胀。(动钟变慢)

[题点全练]

1．[多选](2017·江苏高考)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：选AC　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。

2．(2019·如皋模拟)如图所示，质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动。下列说法正确的是(　　)

A．乙观察到甲身高变高

B．甲观察到乙身高变低

C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快

D．若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播速度为c

解析：选D　因为人的身高是垂直于运动速度方向的，竖直方向上没有尺缩效应，即甲、乙观察对方身高时不变，故A、B错误；根据相对论的钟慢效应，可以推测两人在接近光速运动时，相对地球来说时间都变慢了，但乙相对于甲的速度更大，因此可以推测，乙观察到甲动作变慢，故C错误；根据爱因斯坦光速不变原理，乙观察到该光束的传播速度仍为c，故D正确。