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第2讲光的波动性电磁波相对论【知识导图】频率相位差亮条纹k 12小dl不需要c=3108m/s同样适用干涉无线电波可见光光速不变原理E=mc2dlan 1【微点拨】1.分析光的干涉、衍射及偏振的几点注意:(1)白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹,但光学本质不同。(2)区分干涉和衍射,关键是理解其本质,实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分。(3)不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片,偏振片并非刻有狭缝,而是具有一种特征,即存在一个偏振方向,只让平行于该方向振动的光通过,其他振动方向的光被吸收了。2.分析电磁波谱时的四点注意:(1)不同的电磁波产生的机理不同。(2)电磁波在真空中的传播速度等于光速,与频率无关。(3)电磁波为横波。(4)要明确怎样变化的电场(磁场)产生怎样变化的磁场(电场)。【慧眼纠错】(1)只有光波的波长和障碍物差不多或比障碍物大时,才产生衍射现象。纠错:_。会产生明显的衍射现象(2)太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的干涉的结果。纠错:_。太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的色散现象(3)泊松亮斑支持了光的微粒说。纠错:_。(4)光学镜头上的增透膜的厚度是任意的。纠错:_。泊松亮斑是光的衍射现象,支持了光的波动说增透膜的厚度必须恰等于某色光(一般为绿色光)在增透膜中波长的14(5)在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光变成单色光。纠错:_。(6)在光的双缝干涉实验中,若仅将双缝间距d减小,则相邻亮条纹的间距一定减小。纠错:_。双缝的作用是产生两束相干光由x= 知,当d减小时,相邻亮条纹的间距将增大dl(7)在真空中传播的电磁波,当它的频率增大时,它的传播速度增大,波长不变。纠错:_。所有在真空中传播的电磁波,传播速度相等且不变,由c=f知,当f增大时,减小考点1光的干涉、衍射、偏振【典题探究】 【典例1】(2018衡水模拟)如图所示,市场上有种灯具俗称“冷光灯”,用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低,从而广泛地应用于博物馆、商店等处。这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(例如氟化镁),这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以表示红外线的波长,则所镀薄膜的最小厚度应为导学号04450306()11A. B.841C. D2【解析】选B。红外线最显著的特点之一就是热效应,当光照射物体时,一般都伴随着大量的红外线。在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(相当于增透膜),当增透膜最小厚度等于红外线在其中传播的波长的 时,灯泡发出的红外线射到增透膜后,从增透膜的前后表面反射回来的两束红外线发生干涉,相互抵消,使反射的红外线强度减弱,达到冷光效果。故B正确。14 【通关秘籍】 1.光的干涉、衍射比较:内内容容干涉干涉衍射衍射现现象象在光叠加区在光叠加区域出现加强域出现加强或减弱的现或减弱的现象象光绕过障碍物偏离直线光绕过障碍物偏离直线传播的现象传播的现象内内容容干涉干涉衍射衍射产产生生条条件件两束光频率两束光频率相同、相位相同、相位差恒定差恒定障碍物或孔的尺寸与波障碍物或孔的尺寸与波长差不多或更小长差不多或更小典典型型实实验验杨氏双缝干杨氏双缝干涉涉单缝衍射单缝衍射( (圆孔衍射、圆圆孔衍射、圆盘衍射盘衍射) )内容内容干涉干涉衍射衍射图图样样特特点点不不同同点点条条纹纹宽宽度度条纹宽度相等条纹宽度相等条纹宽度不等、条纹宽度不等、中央最宽中央最宽条条纹纹间间距距各相邻条纹间各相邻条纹间距相等距相等各相邻条纹间距各相邻条纹间距不等不等亮亮度度情情况况2.自然光与偏振光:自然光自然光( (非偏振非偏振光光) )偏偏 振振 光光光光的的来来源源直接从光源发出直接从光源发出的光的光自然光通过起偏器自然光通过起偏器后的光后的光光光的的振振动动方方向向在垂直于光的传在垂直于光的传播方向的平面内播方向的平面内, ,光振动沿任意方光振动沿任意方向向, ,且沿各个方且沿各个方向振动的光的强向振动的光的强度相同度相同在垂直于光的传播在垂直于光的传播方向的平面内方向的平面内, ,光光振动沿特定方向振动沿特定方向【考点冲关】 1.(多选)(2018唐山模拟)如图所示是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样,则()A.在同种均匀介质中,a光的传播速度比b光的大B.在真空中a、b两光传播速度相同C.从真空射入同种介质发生全反射时,a光全反射临界角小D.从同种介质射入真空发生全反射时,a光全反射临界角小E.在相同的条件下,b光比a光更容易产生明显的衍射现象【解析】选B、D、E。结合干涉图样a、b,由x= 可知,afb,在同种介质中,nanb,由v= 知vavb,A错误;在真空中,各种色光的传播速度相同,B正确;根据sin C= 知CaCb,故D正确;光从真空射入介质时不会发生全反射,C错误;光波的波长越长越易发生明显衍射现象,由于a”“0.300dlx10.5 mm55dl2.(2018石家庄模拟)用双缝干涉测量光的波长的实验装置如图甲所示,已知单缝与双缝间的距离L1=100 mm,双缝与屏的距离L2=700 mm,双缝间距d=0.25 mm。用测量头来测量相邻亮条纹中心间的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成,转动手轮,使分划板左右移动,让分划板的中心刻线对准亮条纹的中心,如图乙所示。(1)某同学发现,多次实验中,条纹有竖直的,有水平的,也有倾斜的,出现这些问题的原因是_。 (2)当分划板的中心刻线对准第1个亮条纹的中心时读数x1=2.190 mm,对准第4个亮条纹的中心时读数如图丙所示,其读数x2=_ mm。 A.7.869B.7.86C.7.36D.5.869(3)写出计算波长的表达式=_(用d、L1、L2、x1、x2表示),根据已知数据和(2)中测得的数据,求解得到的波长为_nm。 【解析】(1)单缝是竖直的,条纹就是竖直的;单缝是水平的,条纹就是水平的;单缝是倾斜的,条纹就是倾斜的。(2)x2=7.869 mm。(3)由题意知x= 根据x= 2121xxxx4 132LLdd得= 代入数据解得=676 nm答案:(1)见解析(2)A(3) 676212xxdL3212xxdL3【加固训练】(1)(多选)如图所示是用双缝干涉测光波波长的实验示意图,图中是光源、是滤光片、是单缝、是双缝、是光屏。下列操作能增大光屏上相邻两亮条纹之间距离的是()A.增大和之间的距离B.增大和之间的距离C.将绿色滤光片改成红色滤光片D.增大双缝之间的距离(2)如果将灯泡换成激光光源,该实验照样可以完成,这时可以去掉的部件是_(填数字代号)。(3)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮条纹,读出手轮的读数如图甲所示。继续转动手轮,使分划板中心刻线对准第10条亮条纹,读出手轮的读数如图乙所示,则相邻两亮条纹的间距是_mm(结果保留三位有效数字)。(4)在(3)前提下,如果已经量得双缝的间距是0.30 mm,双缝和光屏之间的距离是900 mm,则待测光的波长是_m。(结果保留三位有效数字)【解析】(1)由x= 知相邻两亮条纹之间的距离与单缝和双缝之间的距离无关,A错误;增大和之间的距离即是增大l,x增大,B正确;红光的波长大于绿光的波长,C正确;增大双缝之间的距离,x减小,D错误。(2)由于激光是相干光源,故可以去掉的部件是、。dl(3)甲图读数是0.045 mm,乙图读数是14.535 mm,它们的差值是14.490 mm,所以相邻两亮条纹间距是x= mm=1.610 mm。(4)待测光的波长= 5.3710-7 m答案:(1)B、C(2)(3)1.610(4)5.3710-7 14.4909x dl考点3电磁波和电磁波谱 【典题探究】 【典例3】(2017北京高考)物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如,利用波的干涉,可将无线电波的干涉信号用于飞机降落的导航。如图所示,两个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧,它们类似于杨氏干涉实验中的双缝。两天线同时都发出波长为1和2的无线电波。飞机降落过程中,当接收到1和2的信号都保持最强时,表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是导学号04450308()A.天线发出的两种无线电波必须一样强B.导航利用了1与2两种无线电波之间的干涉C.两种无线电波在空间的强弱分布稳定D.两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合【解析】选C。两列无线电波若发生干涉,只需频率相同,无线电波的强度不用相同,A选项错误;发生干涉的是从两处发射的波长是1的电磁波或从两处发射的波长是2的电磁波,波长为1和2的两种无线电波不能发生干涉现象,B选项错误;杨氏双缝干涉实验中,在屏上形成明暗相间的稳定的条纹,所以我们可知两种无线电波在空间的强弱分布也是稳定的,C选项正确;因为波长不同,两种无线电波各自在空间的强弱分布不完全重合,D选项错误。【通关秘籍】 1.电磁波的四大特点:(1)电磁波是横波,在空间传播不需要介质。(2)在真空中电磁波的传播速度为3108 m/s。(3)v=f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.电磁波谱的特性及应用:电磁波电磁波谱谱特性特性应用应用红外线红外线热效应热效应红外线遥感红外线遥感紫外线紫外线化学效应、荧光化学效应、荧光效应、效应、能杀菌能杀菌医用消毒、防医用消毒、防伪伪X X射线射线贯穿性强贯穿性强检查、医用透检查、医用透视视工业探伤、医工业探伤、医用治疗用治疗【考点冲关】 1.(多选)(2016全国卷)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【解析】选A、B、C。电磁波在真空中传播速度不变,与波长、频率无关,选项A正确;电磁波的形成是变化的电场和变化的磁场互相激发得到,选项B正确;电磁波传播方向与电场方向和磁场方向垂直,选项C正确;光是一种电磁波,光可在光导纤维中传播,选项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,选项E错误。2.(多选)(2018唐山模拟)下列说法中正确的是()A.北斗导航系统是利用电磁波进行定位和导航的B.微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应C.常用的电视机遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机D.天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波进行天体物理研究E.遥感技术中利用了红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征【解析】选A、D、E。北斗导航系统是利用电磁波工作的,A正确;食物中的水分子在微波作用下热运动加剧,温度升高,内能增加,B错误;常用的电视机遥控器是利用红外线脉冲信号来遥控电视机的,C错误;天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波进行天体研究,D正确;遥感技术中利用红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征,E正确。【加固训练】(多选)为了测量储罐中不导电液体的高度,将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中,电容器可通过开关S与线圈L或电源相连,如图所示。当开关从a拨到b时,由L与C构成的回路中产生周期T=2 的振荡电流。当罐中的液面上升时()LCA.电容器的电容减小B.电容器的电容增大C.LC回路的振荡频率减小D.LC回路的振荡频率增大【解析】选B、C。液面上升时,两板间的电介质变多,根据电容的决定式C= 知,电容器的电容C增大,选项B正确、A错误;根据振荡电流的周期T=2 可知,周期变大,由f= 可知,频率变小,选项C正确、D错误。LCrS4 kd1T考点4狭义相对论的简单应用 【典题探究】 【典例4】(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 ()导学号04450309A.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A、C。飞船上的人以飞船为参考系,故地球是高速运动的,根据爱因斯坦的运动延时效应,飞船上的人观测到地球上的钟较慢,即飞船上的人观测到飞船上的钟较快,故A正确,B错误;地球上的人以地球为参考系,认为飞船高速运动,根据延时效应,飞船上的钟较慢,故地球上的人观测到地球上的钟较快,C正确,D错误。【通关秘籍】 狭义相对论:(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,光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。(2)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。【考点冲关】 1.(2016江苏高考)一艘太空飞船静止时的长度为30 m,它以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【解析】选B。飞船上的观察者相对于飞船静止,则他测得的是飞船的静止长度,即30 m,A错误;地球上的观测者看到飞船是运动的,根据长度的相对性可知他观测到飞船的长度比静止时的长度小,B正确;根据光速不变原理得,飞船上和地球上的观测者观测到的光信号速度均为c,D错误。2.(多选)1905年,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论,给物理科学带来了巨大的进步。根据狭义相对论的理论,下列说法中正确的是()A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的C.根据狭义相对论可知,同时是绝对的D.根据狭义相对论可知,物体的长度、时间间隔和物体的质量都是相对的【解析】选A、B、D。根据相对性原理,在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式,即一切物理规律都是相同的,故A正确;根据光速不变原理,真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,故B正确;根据狭义相对论可知,在不同的惯性系中,同时是相对的,故C错误;由相对论的基本公式,可知物体的长度、时间间隔和物体的质量都是相对的,故D正确。【加固训练】(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步,根据狭义相对论下列说法正确的是()A.真空中的光速是不变的B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短C.物体的质量取决于物体所含物质的多少,与物体的运动速度无关D.质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变【解析】选A、B、D。真空中的光速是不变的,故A正确;狭义相对论的几个基本结论:钟慢效应:运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走得越慢,接近光速时,钟就几乎停止了;尺缩效应:在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,当速度接近光速时,尺子缩成一个点,故B正确;由相对论质量公式可知,当物体的速度很大时,其运动时的质量明显大于静止时的质量,故C错误;质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变,故D正确。
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