2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：14.2光的波动性　电磁理论　相对论

第二节　光的波动性　电磁理论　相对论

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.

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）偏振光的形成.

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.

1.（多选）下列属于光的干涉现象的是（　　）

A　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

解析：图A属于单缝衍射，图B属于薄膜干涉，图C属于薄膜干涉，图D属于白光的色散，故属于光的干涉现象的是B、C.

答案：BC

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电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场.

（2）电磁波.

①电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波.

②电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同（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，波速越小.

④v＝λf，f是电磁波的频率.

（3）电磁波的发射.

①发射条件：开放电路和高频、振荡信号，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：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变.

b.调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变.

（4）无线电波的接收.

①当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率相等时，激起的振荡电流最强，这就是电谐振现象.

②使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐，能够调谐的接收电路叫作调谐电路.

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

（5）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谱叫作电磁波谱.

按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、r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.

2.关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是（　　）

A.电磁波可以传递信息，声波不能传递信息

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：电磁波和声波都能传递信息，比如人们之间的语言交流，选项A错误；太阳光中的可见光属于电磁波，而“B超”中的超声波属于机械波，它们的传播速度不同，选项C错误；遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多，选项D错误；手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波，选项B正确.

答案：B

光是一种电磁波，具有波的特性能发生干涉、衍射和偏振现象.光同时具有粒子性，能照射金属时产生光电子，这就是光的物质性.

考点一  质点、参考系和位移

1.光的双缝干涉现象

（1）明暗条纹的判断方法.

①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，光屏上出现明条纹.

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

（2）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是光波的波长.

2.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.光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加.

（2）明、暗条纹的判断.

①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＝0，1，2，…），薄膜上出现明条纹.

②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，…），薄膜上出现暗条纹.

（3）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，我们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.

　（2019·湖南天心区期末）如图所示为光的双缝干涉实验装置示意图，下列说法正确的是（　　）

A.若P点是亮条纹，说明该处是光的加强区域，P点到双缝的路程差为半波长的奇数倍

B.照射单缝S的单色光的频率越大，光屏上出现的条纹间距越大

C.若将单缝S去掉，再将S1缝封住仅留下S2，则白光通过S2光屏上会出现彩色条纹，但不是干涉条纹

D.撤去双缝同时逐渐增大单缝宽度，光屏上一直出现明暗条纹

[思维点拨]　发生干涉的条件是两列光的频率相同；当路程差是半波长的偶数倍时，出现明条纹，路程差是半波长的奇数倍时，出现暗条纹；根据双缝干涉条纹的间距公式判断条纹间距的变化，并依据干涉条纹间距公式Δx＝λ，即可求解.

解析：在双缝干涉实验的装置中，缝的宽度跟光的波长相差不多，若P点是亮条纹，说明该处是光的加强区域，P点到双缝的路程差为波长的偶数倍，故A错误；照射单缝S的单色光的频率越大，波长越短，光屏上出现的条纹间距越小，故B错误；若将单缝S去掉，再将S1缝封住仅留下S2，则白光通过S2光屏上会出现单缝衍射的彩色条纹，故C正确；撤去双缝同时逐渐增大单缝宽度，光屏上将先出现衍射条纹后出现亮区，故D错误.

答案：C

解决本题的关键是知道干涉条纹，当路程差是半波长的偶数倍时，出现明条纹；路程差是半波长的奇数倍时，出现暗条纹，并掌握干涉条纹间距公式的内容.

考点二  光的衍射和光的偏振

1.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，光才可以看作是沿直线传播的.

2.光的偏振

（1）自然光与偏振光的比较.

（2）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.

　如图为条纹总宽度相同的4种明暗相同的条纹，其中有两种是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样，还有两种是黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样（灰黑色部分表示亮纹）.则图中从左向右排列，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

[思维点拨]　熟悉白光的干涉和衍射条纹的特点.

解析：由于双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹.双缝干涉条纹的宽度（即相邻明、暗条纹间距）Δx＝λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，所以1、3分别对应于红光和蓝光.而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽越亮，所以2、4分别对应于紫光和黄光.综上所述，1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄，B正确.

答案：B

单色光双缝干涉图样是以中央明纹为中心在两边对称等间距排列的条纹，亮度从中央向两边逐渐减小；单缝衍射的图样是间距不等的明暗条纹，中央最宽最亮，两旁的亮条纹强度逐渐递减.

考点三  电磁场和电磁波　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，如图所示.

（2）电磁波与机械波的比较.

3.对狭义相对论的理解

（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫作惯性系.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.

（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＝（m0为物体静止时的质量）.

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.

　（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

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

[思维点拨]　熟悉电磁波的相关特性逐一分析.

解析：电磁波在真空中的传播速度为光速，选项A正确；电磁波是由周期性变化的电场和磁场相互激发产生的，选项B正确；传播速度方向、电场方向、磁场方向三者两两垂直，选项C正确；电磁波可以通过光缆传播，选项D错误；当电磁振荡消失后，电磁波可继续传播，选项E错误.

答案：AC

对电磁波的三点说明

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、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.

1.（2018·北京卷）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（　　）

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.

答案：D

2.（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：在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx＝λ，因此要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距可减小双缝间的距离、增大屏幕与双缝的距离、换用波长更长或频率更小的光做光源.故选A、C、D正确.

答案：ACD

3.（多选）（2018·江苏卷）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：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.

答案：AD

4.奶粉中碳水化合物（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）（多选）以下说法正确的是（　　）

A.到达O处光的强度会明显减弱

B.到达O处光的强度不会明显减弱

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

解析：（1）自然光源发出的光不是偏振光，但当自然光经过偏振片后就变成了偏振光，因此偏振片A的作用是把自然光变成偏振光.

（2）偏振现象证明了光是一种横波.

（3）因为A、B的透振方向一致，故A、B间不放糖溶液时，自然光通过偏振片A后变成偏振光，通过B后到达O.当在A、B间加上糖溶液时，由于糖溶液的旋光作用，使通过A的偏振光的振动方向转动了一定角度，通过B到达O的光的强度不是最大，但当B转过了一个角度，恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光的振动方向一致时，O处光强又为最强，故B的旋转角度即为糖溶液的旋光度.若偏振片B不动而将A旋转一个角度，再经糖溶液旋光后光的振动方向恰与B的透振方向一致，则A转过的角度也为α，故选项A、C、D正确.

答案：（1）把自然光变成偏振光　（2）横波　（3）ACD