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专题十三 光和电磁波,高考物理（浙江专用）,考点一光 考向基础 一、光的折射 光线从一种介质进入另一种介质,传播方向发生改变的现象叫做光的折射。 折射定律:折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 在折射现象中,光路是可逆的。,考点清单,二、折射率 1.定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,叫做这种介质的折射率。 2.定义式:n=(1表示真空中光线与法线的夹角, 2表示介质中光线与法线的夹角)。 3.研究表明:n=(c表示光在真空中的速度,v表示光在介质中的速度)。 任何介质的折射率均大于1。 4.光密介质与光疏介质 两种介质相比较,折射率较大的介质叫光密介质,折射率较小的介质叫,光疏介质。(光密介质与光疏介质是相对的) 三、全反射 光照射到两种介质的界面上时,光线全部被反射回原介质的现象称为全反射现象。发生全反射的条件: 1.光线由光密介质射向光疏介质。 2.入射角大于或等于临界角。(光线从某介质射向真空时临界角的正弦sin C=) 应用:全反射棱镜、光导纤维。 四、光的色散、棱镜 1.光的色散:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。白光通过三棱镜会分解为红、橙、黄、绿、青、蓝,、紫七种单色光。 2.光谱:含有多种颜色的光被分解后,各种色光按其波长的有序 排列。 3.棱镜 (1)棱镜可以使光发生色散,白光的色散表明各色光在同一介质中的 折射率不同。 (2)棱镜对光线的作用:改变光的传播方向,使复色光发生色散。 五、光的干涉 频率相同的两列光波相叠加,某些区域的光被加强,某些区域的光被减弱,并且光被加强和减弱的区域互相间隔的现象称为光的干涉现象。,1.双缝干涉:在用单色光做双缝干涉实验时,若双缝处两列光的振动情况完全相同,则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方光被加强,将出现亮条纹;光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数 倍的地方光被减弱,将出现暗条纹。 计算表明相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离x=;在用白光做双 缝干涉实验时,光屏上除中央亮条纹为白色外,两侧均为彩色的干涉条纹。 2.薄膜干涉:光照射到薄膜上时,薄膜的前、后表面反射的两列光相叠加,也可发生干涉现象。若入射光为单色光,可形成明暗相间的干涉条纹;若入射光为白光,可形成彩色的干涉条纹。,在薄膜干涉中,同一级亮条纹(或暗条纹)出现在膜的厚度相同处,故此种干涉又常称为等厚干涉。 薄膜干涉常用于检查平面和镜头的增透膜。 六、光的衍射 光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象。 只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小,或者跟光的波长 差不多的条件下,才能发生明显的衍射现象。著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象。 七、光的偏振 1.偏振现象:横波只沿某一特定方向振动,称为波的偏振现象。 2.自然光:若光源发出的光,包含着在垂直于光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,这种光叫自然光。 3.偏振光:在垂直于光传播方向的平面上,只沿一个特定方向振动的光,叫偏振光。 例如:自然光通过偏振片后,就得到了偏振光。见示意图。,4.光的偏振充分说明光是横波,只有横波才有偏振现象。 除了从光源直接发出的光以外,我们通常见到的大部分光都是偏 振光。 例如自然光射到两种介质的界面上,调整入射角的大小,使反射光与折射光的夹角是90,这时反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向互相垂直。,5.偏振光的简单应用:拍摄水面下的景物、玻璃橱窗里的陈列物时,加偏振片滤去水面或玻璃表面的反射光,使影像清晰。立体电影也应用了光的偏振现象。 八、激光 1.激光的特点:相干性好、平行度好、亮度高。 2.激光的应用:全息照相、通信、测距、光盘读取、激光刀、引起核聚变等。,考向突破 考向一光的干涉 1.薄膜干涉的应用 (1)薄膜干涉的原理 如图所示为竖直的肥皂薄膜,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。,在P1、P2处,从两个表面处反射回来的两列光波的路程差x等于波长的整数倍,即x=n(n=0,1,2),薄膜上出现明条纹。 在Q处,两列反射回来的光波的路程差x等于半波长的奇数倍,即x=(2n+1)(n=0,1,2),薄膜上出现暗条纹。 (2)薄膜干涉的应用 检查精密零件的表面是否平整 如图甲所示,将放在被检查平面上面的透明标准样板的一端垫一薄片,使样板的标准平面与被检查平面间形成一个楔形空气薄层,单色光从上面照射,入射光在空气层的上表面和下表面反射出的两列光波叠加,从反射光中看到干涉条纹,根据干涉条纹的形状来确定工件表面的情况。 若被检查平面平整,则干涉图样是等间距明暗相间的平行直条纹。若某,处凹下,则对应亮(暗)条纹提前出现,如图乙所示;若某处凸起,则对应亮(暗)条纹延后出现,如图丙所示。,增透膜 在光学元件(透镜、棱镜)的表面涂上一层薄膜(如氟化镁),当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的时,在薄膜的两个面上的反射光的光程差 恰好等于半个波长,因而相互抵消,达到减小反射光、增大透射光强度的目的。,例1劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图甲所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,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:(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲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,解析抽去一张纸片后,劈形空气薄膜的坡度减缓,相同水平距离上空气薄膜的厚度变化减小,以致干涉时光程差变化减小,条纹间距变宽,看到的条纹数变少,故A正确。,答案A,2.衍射与干涉的比较 (1)衍射与干涉的不同点和相同点,(2)衍射与干涉的本质 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果,从本质上讲,衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中,可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波,它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。,例2(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验,比普通光源效果更好,图像更清晰。如果将感光元件置于光屏上,则不仅能在光屏上看到彩色条纹,还能通过感光元件中的信号转换,在电脑上看到光强的分布情况。下列说法正确的是(),A.当做单缝衍射实验时,光强分布如图乙所示 B.当做单缝衍射实验时,光强分布如图丙所示 C.当做双缝干涉实验时,光强分布如图乙所示 D.当做双缝干涉实验时,光强分布如图丙所示,解析当做单缝衍射实验时,中间是亮条纹,两侧条纹亮度逐渐降低,且亮条纹的宽度变窄,所以其光强分布如图乙所示,A项正确,B项错误;当做双缝干涉实验时,在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹,所以其光强分布如图丙所示,C项错误,D项正确。,答案AD,考向二光的颜色、色散 在色散现象中,红光偏向角最小,即棱镜对红光的折射率最小。由公式n=可知红光在棱镜中的传播速度最大。 将各种色光的情况列表统计如下:,例3(多选)如图,一束光沿半径方向射向一块半圆形玻璃砖,在玻璃砖底面上的入射角为,经折射后射出a、b两束光线,则() A.在玻璃中,a光的传播速度小于b光的传播速度 B.在真空中,a光的波长小于b光的波长 C.玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D.若改变光束的入射方向使角逐渐变大,则折射光线a首先消失,解析光线a的偏折程度大,可知玻璃砖对a光的折射率大,再根据公式v=,知a光在玻璃中的传播速度小,故A正确,C错误;玻璃砖对a光的折射 率大,说明a光的频率高,根据c=f,a光在真空中的波长较短,故B正确;玻璃砖对a光的折射率大,则根据sin C=可知,a光的临界角较小,若改变光 束的入射方向使角逐渐变大,则折射光线a的折射角先达到90,故先发生全反射,折射光线先消失,故D正确。故选A、B、D。,答案ABD,考点二电磁波 考向基础 一、电磁场和电磁波 1.麦克斯韦的电磁场理论 变化的磁场能够产生电场;变化的电场能够产生磁场。 说明a.均匀变化的磁场(电场)在周围空间产生恒定的电场(磁场);b.周期性振荡的磁场(电场)在周围空间产生同频率周期性振荡的电场(磁场)。 2.电磁场和电磁波:周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分离的统一体,即电磁场,电磁场从产生处由近及远地向周围传播形成电磁波,它是一种横波。,说明麦克斯韦根据他提出的电磁场理论预言了电磁波的存在以及在真空中其波速等于光速c,1888年,赫兹用实验成功地证实了电磁波的存在。 二、电磁波的产生、发射和接收 1.电磁波的产生 (1)振荡电路和振荡电流。由实验现象观察到,在由线圈L和电容器C组成的电路中,充电的电容器通过线圈不断地放电和充电,电路中产生了大小和方向随时间做周期性变化的电流,我们把这样的电流叫振荡电流,能产生振荡电流的电路叫振荡电路,由线圈L和电容器C组成的电路叫LC振荡电路。 (2)电磁振荡。在振荡电路里产生振荡电流的过程中,电容器极板上的,电荷、通过线圈的电流以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化,这种现象叫电磁振荡。 电磁振荡原理:利用电容器的充、放电和线圈的自感作用产生振荡电流,同时形成周期性变化的电场能和磁场能。 (3)LC电路的振荡周期和频率 振荡电路的周期和频率,其公式分别为: T=2 f= 两者之间是互为倒数的关系,即T=。 (4)电磁波的特点,a.电磁波是横波。在电磁波传播方向上的任一点,电场强度E和 磁感应强度B均与传播方向垂直且随时间变化,因此电磁波是横波。 b.电磁波的传播不需要介质,这一点和机械波不同,机械波的传 播需要介质。电磁波的传播靠的是电和磁的相互“感应”,在真空中也能传播。在真空中的波速为c=3.0108 m/s。 c.电磁波的v、T、f的关系:v=f,频率f越高的电磁波波长 越短。 d.电磁波具有波的共性,能产生干涉、衍射等现象。 e.电磁波具有能量,电磁波向外传播的过程伴随着能量向外传播。,f.电磁波可以脱离“波源”而存在。电磁波发射出去后,产生电磁波的振荡电路停止振荡后,在空间的电磁波仍继续传播。 2.电磁波的发射和接收 (1)发射条件 a.振荡电路有足够高的频率;b.振荡电路的电场和磁场必须分散 到尽可能大的空间。,说明如图所示,由天线、地线和耦合线圈L1组成的电路,就是开放电路。 (2)调制:使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制。 调制可分为调幅和调频两种。 a.调幅:使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变叫调幅,调幅 广播(AM)一般使用中短波和短波波段。 b.调频:使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变叫调频,调频 广播(FM)通常使用微波中的米波(VHF)波段。,(3)电谐振 当接收电路的固有频率与外来的某个电磁波的频率相同时,接 收电路中产生的振荡电流最强,这种现象叫电谐振。电谐振相当于机械振动中的共振。 (4)调谐 使接收电路产生电谐振的过程叫调谐。,说明能够调谐的接收电路叫调谐电路。如图所示是收音机的一种调谐电路。 (5)解调 从接收到的高频振荡电流中将所携带的信号还原出来叫做解调。解调是调制的逆过程,调幅波的解调也叫检波。 三、电磁波的应用和电磁波谱 1.电磁波的应用 广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体应用。 雷达:无线电定位的仪器。雷达是利用电磁波遇到障碍物发生反,射的特性来工作的。波长越短的电磁波,传播的直线性越好,反射性能越强,多数的雷达工作时使用微波。缺点是沿地面传播探测距离短。中、长波雷达沿地面的探测距离较远,但发射设备复杂。 雷达的应用:探测飞机、导弹等军事目标;在交通运输上可以用来为飞机、船只导航;在天文学上可以用来研究星体;在气象上可以用来探测台风、雷雨、云层。 2.电磁波谱 电磁波按波长或频率大小的顺序排列起来就构成了范围非常广阔的电磁波谱。 电磁波谱按波长从长到短的次序排列为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。,不同波长的电磁波,它们的本质是相同的,它们的行为服从共同的规律,如电磁波都具有反射、折射、干涉、衍射等性质,同时它们又具有某些特性。,考向突破 考向电磁波谱 1.电磁波的特性,例4(2018浙江诸暨中学阶段性考试)(多选)关于光学现象在科学技术、生产和生活中的应用,下列说法中正确的是() A.用X光机透视人体是利用光电效应现象 B.门镜可以扩大视野是利用光的折射现象 C.在光导纤维束内传送图像是利用光的色散现象 D.光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象,解析用X光机透视人体是利用X光的穿透性,A错误;门镜可以扩大视野是利用光的折射现象,B正确;光导纤维传输信号是利用光的全反射现象,C错误;光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象,D正确。,答案BD,2.电磁波和机械波的对比,例5(多选)电磁波与声波比较,下列说法中正确的是() A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质 B.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大 C.由空气进入水中时,电磁波波长变小,声波波长变大 D.电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的,与频率无关,解析A、B均与事实相符,所以A、B正确;由空气进入水中时,电磁波速度变小,频率不变,根据=,波长变小;声波速 度变大,频率不变,则波长变大,所以C正确;电磁波在介质中的速度与介质有关,也与频率有关,在同一种介质中,频率越大,波速越小,声波的传播速度是由介质决定的,所以D错误。,答案ABC,方法1光的折射和全反射的分析方法 1.光的折射 折射率n=(1表示真空中或空气中光线与法线的夹角,2表示介质 中光线与法线的夹角)。 介质中的光速v=。 2.全反射和临界角 (1)当光由光密介质射入光疏介质时: 若入射角iC,则不发生全反射,既有反射又有折射现象。 若入射角iC,则发生全反射现象。,方法技巧,注意光疏介质与光密介质 光疏介质与光密介质是相对而言的。只有对给定的两种介质才能谈光疏介质与光密介质。没有绝对的光疏或光密介质。 光疏介质与光密介质的界定是以折射率为依据的,与介质的其他属性(如密度等)无关。 当光从光疏介质进入光密介质时,折射角小于入射角;当光从光密介质进入光疏介质时,折射角大于入射角。 (2)光由介质射向真空或空气时,临界角的计算:sin C=。,例1如图所示,一玻璃球体的半径为R,O为球心,AB为直径。来自B点的光线BM在M点射出,出射光线平行于AB,另一光线BN恰好在N点发生全反射。已知ABM=30,求 玻璃的折射率。 球心O到BN的距离。,答案R,方法2棱镜和光的色散问题的分析方法 1.棱镜的作用 (1)改变光的传播方向;(2)分光。 2.通过棱镜的光线 (1)棱镜对光线的偏折规律如图所示 通过棱镜的光线要向棱镜底面偏折。,棱镜改变光的传播方向,但不改变光束的性质。 a.平行光束通过棱镜后仍为平行光束; b.发散光束通过棱镜后仍为发散光束; c.会聚光束通过棱镜后仍为会聚光束。 出射光线和入射光线之间的夹角称为偏向角(如图中)。 (2)棱镜成像(如图),隔着棱镜看物体的像是正立的虚像,像的位置向棱镜顶角方向偏移。 3.全反射棱镜 (1)定义:横截面为等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。 (2)全反射棱镜对光路的控制如图所示:,(3)全反射棱镜的优点: 全反射棱镜和平面镜在改变光路方面,效果是相同的,相比之下,全反射棱镜成像更清晰,光能损失更少。 4.光的色散 (1)光的色散:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。 白光通过棱镜后,被分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光(如图)。,(2)正确理解光的色散 光的颜色由光的频率决定。组成白光的各种单色光中,红光频率最小,紫光频率最大。在不同介质中,光的频率不变。 不同频率的色光在真空中传播速度相同,为c=3108 m/s。但在其他介质中速度各不相同,同一种介质中,紫光速度最小,红光速度最大。,同一介质对不同色光的折射率不同,通常情况下频率越高,在介质中的折射率也越大,所以白光进入某种介质发生折射时,紫光偏折得最厉害,红光偏折最小。 由于色光在介质中传播时光速发生变化,则波长也发生变化。同一色光在不同介质中,折射率大的光速小,波长短;折射率小的光速大,波长长。不同色光在同一介质中,频率高的折射率大,光速小,波长短;频率小的折射率小,光速大,波长长。,例2一束白光从顶角为的一边以较大的入射角i射入并通过三棱镜后,在屏P上可得到彩色光带,如图所示,在入射角i 逐渐减小到零的过程中,假如屏上的彩色光带先后全部消失,则( ) A.红光最先消失,紫光最后消失 B.紫光最先消失,红光最后消失 C.紫光最先消失,黄光最后消失 D.红光最先消失,黄光最后消失,解题思路白光通过三棱镜以后,所有的光均偏离顶角,偏向底边,且紫光的偏角最大,所以随着i的减小,紫光最先消失,红光最后消失。,解析白光从AB边射入玻璃后,由于紫光偏折大,从而到达另一侧面AC时的入射角较大,且因紫光折射率大,sin C=1/n,因而其全反射的临界角最小,故随着入射角i 的减小,进入玻璃后的各色光中紫光首先发生全反射不从AC面射出,而后依次是蓝光、青光、绿光、黄光、橙光、红光发生全反射而不从AC面射出。,答案B,方法3LC电路中振荡电流的产生过程的分析方法 1.电容器充电完成而未开始放电时,电容器两端电压U最大,电场E最强,电场能最大,电路电流i=0。 2.电容器开始放电后,由于自感L的作用,电流逐渐增大,磁场能增强,电容器中的电荷量减少,电场能减少。在放电完毕瞬间,U=0,E=0,i最大,电场能为零,磁场能最大。 3.电容器放完电后,由于自感作用,电流i保持原方向并逐渐减小,对电容器反向充电。随电流减小,电容器两端电压升高,磁场能减小而电场能增大,到电流为零的瞬间,U最大,E最大,i=0,电场能最大,磁场能为零。 4.电容器开始放电后,产生反向放电电流,磁场能增大,电场能减小。到放电完毕时,U=0,E=0,i最大,电场能为零,磁场能最大。 上述过程反复循环,电路产生振荡电流。,例3(多选)在LC振荡电路中,当电容器放电完毕瞬间,以下说法正确的是() A.电容器极板间的电压等于零,磁场能开始向电场能转化 B.电流达到最大值,线圈产生的磁场能达到最大值 C.如果没有能量辐射损耗,这时线圈的磁场能等于电容器开始放电时电容器的电场能 D.线圈中产生的自感电动势最大,解题思路LC电路中,电容器放电完毕瞬间,U=0,E=0,i最大,电场能为零,磁场能最大,以后T/4内磁场能向电场能转化,i减小,U增大。,解析电容器放电完毕的瞬间,还有以下几种说法:电场能向磁场能转化完毕;磁场能开始向电场能转化;电容器开始反向充电。 电容器放电完毕的瞬间有如下特点:电容器电荷量Q=0,板间电压U=0,板间场强E=0,线圈电流i最大,磁感应强度B最大,电路磁场能最大,电场能为零。 线圈自感电动势E自=/t,电容器放电完毕瞬间,虽然最大,但/t为零,所以E自等于零。 如果没有考虑能量的辐射,能量守恒,在这一瞬间电场能E电=0,磁场能E磁最大,而电容器开始放电时,电场能E电最大,磁场能E磁=0,则E磁=E电,所以选项A、B、C正确。,答案ABC,方法4麦克斯韦电磁场理论的应用方法 1.变化的磁场在周围空间产生电场 实验基础:法拉第电磁感应现象。如图甲所示带有小灯泡的导体环,放在通有交流电的线圈附近,小灯泡会发光。这是由于穿过导体环的变化磁场,在环中产生了电场从而驱使电荷运动,形成电流。,变化的磁场产生电场(磁场增强时) 麦克斯韦的推广:没有导体环,变化的磁场在其周围空间同样会产生电场(图乙)。导体环的作用仅是用来显示电场的存在而已。 (1)均匀变化的磁场产生恒定的电场; (2)非均匀变化的磁场产生变化的电场; (3)振荡磁场产生同频率的振荡电场。,说明判断变化的磁场所产生的感应电场的方向可以利用楞次定律。 2.变化的电场在周围空间产生磁场 实验基础:电容器充放电现象板上电荷变化,板间场强变化。 麦克斯韦的假设:根据电现象与磁现象的相似性和变化磁场能产生电场的观点,认为变化的电场也会在周围空间产生磁场(如图)。,电容器充电时,变化的电场产生磁场 (1)均匀变化的电场产生恒定的磁场; (2)非均匀变化的电场产生变化的磁场; (3)振荡电场产生同频率的振荡磁场。,例4(多选)关于电磁场的理论,下列说法中正确的是() A.变化的电场周围产生的磁场一定是变化的 B.变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的 C.均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的 D.振荡电场在周围空间产生同样频率的振荡磁场,解析变化的电场产生磁场有两层含义。均匀变化的电场产生恒定的磁场。非均匀变化的电场产生变化的磁场。振荡的电场产生同频率的振荡的磁场。均匀变化的磁场产生恒定的电场,故B、D正确,A、C错误。,答案BD,
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