2022年度高考物理一轮复习 第十四章 机械振动与机械波 光 电磁波与相对论 第4讲 光的波动性 电磁波和相对论学案

2022年度高考物理一轮复习 第十四章 机械振动与机械波 光 电磁波与相对论 第4讲 光的波动性 电磁波和相对论学案一、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)偏振光的形成让自然光通过偏振片形成偏振光.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.自测1(多选)下列属于光的干涉现象的是()答案BC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.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电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场.(2)电磁波电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波.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).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.vf，f是电磁波的频率.(3)电磁波的发射发射条件：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).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.使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路.从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做检波.检波是调制的逆过程，也叫做解调.(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、可见光、紫外线、X射线、射线.2.相对论(1)狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.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.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：Emc2.自测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射线波长相同答案B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.自测3关于狭义相对论的说法，不正确的是()A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D.狭义相对论在任何情况下都适用答案D命题点一光的干涉现象1.双缝干涉(1)条纹间距公式：x，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大.(2)明暗条纹的判断方法：如图1所示，光源S1、S2发出的光到屏上P点的路程差为rr2r1.图1当rk(k0,1,2)时，光屏上P处出现明条纹.当r(2k1)(k0,1,2)时，光屏上P处出现暗条纹.2.薄膜干涉(1)形成原因：如图2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.图2(2)明暗条纹的判断方法：两个表面反射回来的两列光波的路程差r，等于薄膜厚度的2倍.在P1、P2处，rn(n1,2,3)，薄膜上出现明条纹.在Q处，r(2n1)(n0,1,2,3)，薄膜上出现暗条纹.类型1光的双缝干涉例1关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是()A.单缝的作用是获得频率相同的两相干光源B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.光屏上距两缝的路程差等于半个波长的整数倍处出现暗条纹D.照射到单缝的单色光的频率越高，光屏上出现的条纹越宽答案B解析单缝的作用是获得一束细光，故A错误；双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源，B正确；屏上出现暗条纹处距两缝的路程差等于半个波长的奇数倍，故C错误；单色光的频率越高，波长越短，根据x，知相邻条纹的间距越小，条纹越窄，故D错误.例2如图3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2.1106 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？图3(1)已知A光在折射率为n1.5的介质中波长为4107 m；(2)已知B光在某种介质中波长为3.15107 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37(sin 370.6，cos 370.8)；(3)若用A光照射时，把其中一条缝遮住，试分析光屏上能观察到的现象.答案(1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析解析(1)设A光在空气中波长为1，在介质中波长为2，由n得1n21.54107 m6107 m根据路程差r2.1106 m所以N13.5由此可知，从S1和S2到P点的路程差r是波长1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得n由此可知，B光在空气中波长3为3n介3.15107 m5.25107 m所以N24可见，用B光做光源，P点为亮条纹.(3)光屏上仍出现明暗相间的条纹，但中央条纹最宽最亮，两边条纹变窄变暗.类型2光的薄膜干涉例3劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图4甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点：图4(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹()A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失答案A解析如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，A正确.变式1一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色亮条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是()A.各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B.各色光的速度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同C.各色光的强度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D.上述说法都不正确答案A解析白光包含各种颜色的光，它们的波长不同，在相同条件下做双缝干涉实验时，它们的干涉条纹间距不同，所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹，A正确.命题点二光的衍射和偏振现象1.对光的衍射的理解(1)波长越长，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.2.单缝衍射与双缝干涉的比较单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹3.光的干涉和衍射的本质光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的.4.光的偏振(1)自然光与偏振光的比较类别自然光(非偏振光)偏振光光的来源从普通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(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.例4如图5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()图5A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫答案B解析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(即相邻亮、暗条纹间距)x，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，即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，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.例5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，这一角度称为“旋光度”，的值只与糖溶液的浓度有关，将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6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.图6(1)偏振片A的作用是_.(2)偏振现象证明了光是一种_.(3)(多选)以下说法中正确的是()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转过的角度等于答案(1)把自然光变成偏振光(2)横波(3)ACD变式2让太阳光垂直照射一块遮光板，板上有一个可以自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时，在孔后的屏上将先后出现()A.由大变小的三角形光斑，直至光斑消失B.由大变小的三角形光斑、明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失C.由大变小的三角形光斑，明暗相间的条纹，直至黑白色条纹消失D.由大变小的三角形光斑、圆形光斑、明暗相间的彩色条纹，直至条纹消失答案D解析当孔足够大时，由于光的直线传播，所以屏上首先出现的是三角形光斑，之后随着孔继续缩小，出现小孔成像，成的是太阳的像，故为小圆形光斑，随着孔的进一步缩小，当尺寸与光波波长相当时，出现明暗相间的彩色条纹，最后随孔的闭合而全部消失，故D正确.命题点三电磁波与相对论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7所示.图7(2)电磁波与机械波的比较名称项目电磁波机械波产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生波的特点横波纵波或横波波速在真空中等于光速c3108 m/s在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340 m/s)是否需要介质不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(真空中不能传播)能量传播电磁能机械能类型1对电磁波的理解例6(多选)(2016全国卷34(1)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答案ABC解析电磁波在真空中传播速度等于光速，与频率无关，A正确；电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的，B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，E错误.变式3(2016天津理综1)如图8所示，我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在110 m范围内，则对该无线电波的判断正确的是()图8A.米波的频率比厘米波频率高B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象D.不可能产生干涉和衍射现象答案C解析根据f可知，电磁波的波长越大，频率越低，故米波的频率比厘米波的频率低，选项A错误；无线电波的传播不需要介质，选项B错误；无线电波同光波一样会发生反射现象，选项C正确；干涉和衍射是波特有的现象，故该无线电波也能发生干涉和衍射现象，选项D错误.类型2对狭义相对论的理解和应用例7如图9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_.图9答案大于c(或光速)解析狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理，因此飞船A上的人测得信号的速度仍等于c(或光速)，以地面为参考系，在运动方向有尺缩效应现象，而B相对A是静止的，没有尺缩效应现象，则飞船A上的人测得两飞船距离应大于L.1.关于电磁波的说法中正确的是()A.只要有电场和磁场，就能产生电磁波B.电磁波会发生偏振现象，是纵波C.电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象D.紫外线的频率比红外线的频率小答案C解析由麦克斯韦电磁场理论知，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，振荡的电场和磁场交替产生，由近及远地传播，形成电磁波，A错误；电磁波会发生偏振现象，是横波，B错误；干涉和衍射现象是波特有的现象，电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，C正确；紫外线的频率比红外线的频率大，D错误.2.小朋友吹出的肥皂泡泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都有彩色花纹.这是下列哪种原因形成的()A.光的色散B.光的干涉C.光的直线传播D.光的衍射答案B3.下列说法正确的是()A.雨后天空中的彩虹是由光的干涉产生的B.紫外线可杀菌消毒是因为它有较强的热效应C.红光和黄光分别通过同一双缝干涉装置，红光形成的相邻亮条纹间距大D.观察者相对于频率一定的声源运动时，接收到声波的频率与波源频率相同答案C4.某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到图1甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如乙图所示.他改变的实验条件可能是()图1A.减小光源到单缝的距离B.减小双缝之间的距离C.减小双缝到光屏之间的距离D.换用频率更高的单色光源答案B解析由x，可知减小双缝之间的距离，增大双缝到光屏之间的距离，换用波长更长的单色光源，即换用频率更低的单色光源，都可以增加条纹宽度，B正确.5.(多选)关于可见光，下列说法正确的是()A.可见光中的红光比紫光的频率低B.可见光不能在真空中传播C.可见光波长越长，越容易发生衍射D.可见光能发生光的干涉和衍射现象，说明光是横波答案AC解析根据电磁波谱知，可见光中的红光比紫光的频率低，选项A正确；可见光能在真空中传播，选项B错误；根据光的衍射的条件可知，可见光波长越长，越容易发生衍射，选项C正确；偏振现象是横波特有的现象，可见光能发生光的干涉和衍射现象，并不能说明光是横波，选项D错误.6.光的偏振现象说明光是横波.下列现象中不能反映光的偏振特性的是()A.一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B.一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90时，反射光是偏振光C.日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹答案D解析在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，A、B选项反映了光的偏振特性，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象.7.关于麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是()A.稳定的电场产生稳定的磁场B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生均匀变化的电场C.变化的电场产生的磁场一定是变化的D.振荡的电场在周围空间产生的磁场也是振荡的答案D解析麦克斯韦的电磁场理论要点是：变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场)，若磁场(电场)的变化是均匀的，产生的电场(磁场)是稳定的，若磁场(电场)的变化是振荡的，产生的电场(磁场)也是振荡的，故D项正确.8.(多选)关于电磁波及其应用，下列说法正确的是()A.麦克斯韦首次通过实验证实了电磁波的存在B.电磁波是横波且能够发生干涉和衍射现象C.电磁波的接收要经过调谐和调制两个过程D.微波能使食物中的分子的热运动加剧从而实现加热的目的答案BD9.(多选)以下说法正确的是()A.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关B.光的偏振现象说明光是一种纵波C.在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光变为红光，则条纹间距变宽D.赫兹用实验证实了电磁波的存在答案ACD解析相对论认为时间和空间与物质的运动状态是相联系的，与物质的运动状态有关，故A正确；偏振是横波的特有现象，光的偏振现象说明光是一种横波，故B错误；由x知入射光由绿光变为红光，则条纹间距将变宽，C正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，故D正确.10.(多选)以下物理学知识的相关叙述，其中正确的是()A.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的偏振B.麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在C.交警通过发射超声波测量车速是利用了波的干涉原理D.狭义相对论认为，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的答案BD解析用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的干涉，A错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，故B正确；交警通过发射超声波测量车速是利用了多普勒效应，C错误；根据相对论原理，在所有惯性系中，物理规律有相同的表达形式，即一切物理规律都是相同的，故D正确.11.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图2所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同.观察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，下列叙述中正确的是()图2A.这里应用的是光的衍射现象B.这里应用的是光的干涉现象C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细答案AD解析由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，即障碍物的尺寸变小，条纹变宽，A、D正确.12.一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是()A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 mB.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 mC.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c答案B解析飞船上的观测者测得飞船的长度不变，仍为30 m，由ll0l0可知，地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，A错，B对；由光速不变原理可知，C、D错误.13.如图3所示，两束单色光a、b分别照射到玻璃三棱镜AC面上，穿过三棱镜后垂直AB射出，a光和b光相比较，则()图3A.a光的频率高B.a光的波长短C.a光在三棱镜中的速度小D.对同一双缝干涉装置，a光的干涉条纹比b光的干涉条纹宽答案D解析根据题图可以看出，经过玻璃三棱镜后，b光的偏折角度大，a光的偏折角度小，根据折射定律n知，玻璃三棱镜对b光的折射率大于对a光的折射率，则a光的频率低，b光的波长短，选项A、B错误；根据公式v知，a光在三棱镜中的速度大，选项C错误；根据干涉条纹间距公式x知，对同一双缝干涉装置，a光的干涉条纹比b光的干涉条纹宽，选项D正确.14.如图4所示，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑.这是光的_(填“干涉”“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的_(填“波动说”“微粒说”或“光子说”).图4答案衍射波动说