江苏版高考物理一轮复习第13章第2节光的波动性电磁波课时学案

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一、光的干涉
1．产生干涉的条件
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．杨氏双缝干涉
(1)原理如图所示。
(2)形成亮、暗条纹的条件
①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。
光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)，光屏上出现亮条纹。
光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq \f(λ,2)(k＝0,1,2，…)，光屏上出现暗条纹。
②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条纹间距公式：Δx＝eq \f(l,d)λ。
3．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。
二、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
单缝衍射 圆孔衍射 圆盘衍射
(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)。
三、光的偏振现象
1．偏振：光波只沿某一特定的方向振动。
2．自然光：太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫作自然光。
3．偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。
4．偏振光的应用：应用于照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。
四、电磁波的产生 电磁波的发射、传播
1．麦克斯韦电磁场理论与电磁场
如图所示：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场；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。
2．电磁波
(1)产生：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(选填“纵波”或“横波”)，在空间传播不需要介质。
②真空中电磁波的速度为3×108 m/s。
③公式v＝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
①发射条件：足够高的振荡频率和开放电路。
②调制分类：调幅和调频。
(3)电磁波的接收
①调谐：使接收电路产生电谐振的过程。
②解调：使声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程。
3．电磁波谱
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。
五、狭义相对论的基本假设 质能关系
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．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。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播便形成了电磁波。(×)
(6)在真空中传播的电磁波，当它的频率增加时，它的传播速度不变，波长变短。(√)
二、教材习题衍生
1．(光的干涉)在五彩缤纷的大自然中，我们常常会见到一些彩色光的现象，下列现象中不属于光的干涉的是( )
A．洒水车喷出的水珠在阳光照耀下出现的彩色现象
B．小孩儿吹出的肥皂泡在阳光照耀下出现的彩色现象
C．雨后天晴马路上油膜在阳光照耀下出现的彩色现象
D．实验室用双缝实验得到的彩色条纹
A [A属于光的色散现象；B、C属于光的薄膜干涉现象；D属于光的双缝干涉现象。]
2．(光的衍射和偏振)下列说法正确的是( )
A．光不能像无线电波那样，作为载体来传递信息
B．摄影师为更清晰地拍摄玻璃橱窗里的陈列物，需在照相机镜头前装一特殊镜片，是利用了光的衍射现象
C．观看立体电影(3D电影)时，观众需戴上一副特殊的眼镜，是利用了光的干涉现象
D．激光精准测距，是利用了激光的平行度较高，且在传播很远的距离后仍能保持一定的强度的特点
D [根据麦克斯韦的理论知：光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体传递信息，故A错误；拍摄玻璃橱窗内的物品时，在照相机镜头前加偏振片可以减小玻璃表面反射光的强度，从而使玻璃后的影像清晰，是利用了光的偏振现象，故B错误；3D电影的屏幕上发出两种相互垂直的偏振光，所以观看3D电影时戴上特制的带偏振片的眼镜，才会产生立体感觉，这是利用了光的偏振现象，故C错误；激光精准测距，也就是平行度高，可以用来精确地测量较远的距离，因此在传播很远的距离后仍能保持一定的强度，是利用了激光平行度高的特点，故D正确。]
3．(电磁波)(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．是纵波
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
D [电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，可以沿任意方向传播，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D正确。]
光的干涉
1．双缝干涉中亮、暗条纹的确定
双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差，记为δ。如图所示。
甲 乙
(1)若光程差δ是波长λ的整数倍，即δ＝nλ(n＝1,2，3，…)，P点将出现亮条纹；
(2)若光程差δ是半波长的奇数倍，即δ＝(2n＋1)·eq \f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，P点将出现暗条纹；
(3)光屏上到双缝S1、S2距离相等的点为加强点，故双缝干涉中央条纹为亮条纹。
2．薄膜干涉的理解
(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′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，两列光波同相叠加，出现亮条纹；反相叠加，出现暗条纹。
(3)原理分析
单色光：
①在P1(或P2)处，两个表面反射回来的两列光波的光程差δ等于波长的整数倍，即δ＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹；
②在Q处，两列反射回来的光波的光程差δ等于半波长的奇数倍，即δ＝(2n＋1)·eq \f(λ,2)(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。
光的双缝干涉
1．(2023·淮安模拟)关于双缝干涉实验，下列说法正确的是( )
A．用复色光投射就看不到条纹
B．明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果
C．把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹
D．蓝光干涉条纹的间距比红光的大
B [复色光投射时也可以发生干涉，在光屏上呈现干涉条纹，故A错误；明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果，故B正确；把光屏前移或后移，也能看到明暗相间条纹，故C错误；根据Δx＝eq \f(L,d)λ，由于蓝光的波长小于红光波长，所以蓝光干涉条纹的间距比红光的小，故D错误。]
2. (双缝干涉中亮、暗条纹的判断)如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10－6 m，今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？
(1)已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7 m；
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°(sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8)。
[解析] (1)设A光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，
由n＝eq \f(c,v)＝eq \f(λ1,λ2)得
λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7 m＝6×10－7 m
根据路程差Δx＝2.1×10－6 m
所以N1＝eq \f(Δx,λ1)＝eq \f(2.1×10－6 m,6×10－7 m)＝3.5
由此可知，从S1和S2到P点的路程差Δx是波长λ1的3.5倍，所以P点为暗条纹。
(2)根据临界角与折射率的关系sin C＝eq \f(1,n′)得
n′＝eq \f(1,sin 37°)＝eq \f(5,3)
由此可知，B光在空气中波长λ3为
λ3＝n′λ介＝eq \f(5,3)×3.15×10－7 m＝5.25×10－7 m
所以N2＝eq \f(Δx,λ3)＝eq \f(2.1×10－6 m,5.25×10－7 m)＝4
可见，用B光作光源，P点为亮条纹。
[答案] (1)暗条纹 (2)亮条纹
薄膜干涉现象
3．把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图所示，这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法中正确的是( )
A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两面反射形成的两列光叠加的结果
B．干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果
C．将上玻璃板平行上移，条纹远离劈尖移动
D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧
A [根据薄膜干涉的产生原理可知，题述现象是由空气劈尖膜上下两面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项正确，B项错误；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的一侧，故D项错误；条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖方向移动，故条纹向着劈尖“移动”，故C项错误。]
4．(2021·江苏卷)铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置时，肥皂膜上的彩色条纹上疏下密，由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是( )

A B C D
C [薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹，在复色光时，出现彩色条纹，由于重力作用，肥皂膜前后表面的厚度从上到下逐渐增大，从而使干涉条纹的间距上疏下密，由于表面张力的作用，使得肥皂膜向内凹陷，故C正确，A、B、D错误。]
5．如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法不正确的是( )
甲 乙
A．干涉现象是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
B．干涉现象是由凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
C．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的
D．若使用半径大一些的凸薄透镜，则干涉条纹的间距要变大
B [由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故A正确，B错误；由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化的，形成不等间距的干涉条纹，故C正确；若使用半径大一些的凸薄透镜，则空气薄膜上的厚度变化更慢，则形成的干涉条纹的间距要变大，故D正确。]
光的衍射和偏振现象
1．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，光才可以看成是沿直线传播的。
2．自然光和偏振光的比较
光的衍射
1．在一束单色光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，在光屏上得到如下四幅图样，关于光屏前传播方向上放置的装置，以下说法正确的是( )
甲 乙 丙 丁
A．甲是单缝、乙是双缝
B．乙是双缝、丙是小圆孔
C．丁是小圆孔、甲是双缝
D．丙是小圆孔、丁是小圆板
D [根据衍射与干涉图样的区别是：前者是中间亮条纹明且宽大，越向两侧宽度越小；后者明暗条纹宽度相等，可知甲图是双缝干涉条纹，乙图是单缝衍射条纹；根据小孔衍射与泊松亮斑的区别可知，小圆孔衍射的图样是中央较大的区域内是亮的，周围是明暗相间的圆环，可知丙是小圆孔衍射，丁是小圆板衍射图样。所以只有D是正确的。]
2.抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化( )
A．这里应用的是光的衍射现象
B．这里应用的是光的直线传播性
C．这里应用的是光的干涉现象
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
A [当障碍物的尺寸与波的波长相当，或小于波的波长，会发生明显的衍射，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则说明衍射现象更加明显，可知金属丝变细。故B、C、D错误，A正确。]
光的偏振
3．假设所有的汽车前窗玻璃和车灯玻璃均按同一要求设置，使司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。以下措施中可行的是( )
A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的
B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向也是竖直的
C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向也是斜向右上45°
D [如果透振方向是竖直的话，那么会车时，两车的光不能叠加相消，也就是对方车辆的光仍会照到司机的眼睛，感到眼花；若前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°，则对方车辆的光与自己前窗正好成90度角，对方的光就通不过前窗射到司机的眼，不会感到眼花，故D正确。]
4．(2021·江苏省新高考适应性考试)小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光，转动镜片时发现光有强弱变化，下列说法能够解释这一现象的是( )
A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用
B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用
C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用
D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用
B [发现光有强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，故在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用。故选B。]
电磁场 电磁波 电磁波谱
1．对麦克斯韦电磁场理论的理解
2．LC振荡电路
(1)放电过程：电场能转化为磁场能，q↓→i↑，充电过程：磁场能转化为电场能，q↑ →i↓。
(2)充电完毕：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小；放电完毕：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小。
(3)LC回路的周期和频率T＝2πeq \r(LC)，f＝eq \f(1,2π\r(LC))。
3．对电磁波的理解
(1)电磁波是横波。电磁波的电场强度E、磁感应强度B、传播方向v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。
4．电磁波谱分析及应用
LC振荡电路
1.某个智能玩具的声响开关与LC电路中的电流有关，如图所示为玩具内的LC振荡电路部分。已知线圈自感系数L＝2.5×10—3 H，电容器电容C＝4 μF，在电容器开始放电时(取t＝0)，上极板带正电，下极板带负电，则( )
A．LC振荡电路的周期T＝π×10－4 s
B．当t＝π×10－4 s时，电容器上极板带正电
C．当t＝eq \f(2π,3)×10－4 s时，电路中电流方向为顺时针
D．当t＝eq \f(2π,3)×10－4 s 时，电场能正转化为磁场能
C [由公式T＝2πeq \r(LC)＝2π×eq \r(2.5×10－3×4×10－6) s＝2π×10－4 s，故A错误；当t＝π×10－4 s＝eq \f(T,2)，即电容器先放电再反向充电，所以电容器上极板带负电，故B错误；当t＝eq \f(2π,3)×10－4 s即eq \f(T,4)