人教版高考物理一轮复习第14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含答案

第4讲　光的波动性　电磁波和相对论

授课提示：对应学生用书第271页

一、光的干涉

1．产生条件

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。

2．两种典型的干涉

(1)杨氏双缝干涉

①原理如图所示。

②明、暗条纹的条件

(Ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹。

a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)，光屏上出现明条纹。

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

(Ⅱ)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相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝λ。

(2)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　偏振

1．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

①单缝衍射和圆孔衍射图样的比较

②泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照到不透明(选填“透明”或“不透明”)的半径很小的小圆盘上时，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)。

2．光的偏振现象

(1)偏振

光波只沿某一特定的方向的振动。

(2)自然光

太阳、电灯等普通光源发出的光，包括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。

三、电磁波与相对论

1．电磁波的产生

(1)麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。

(2)电磁场

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。

(3)电磁波

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，在空间传播不需要介质；

②真空中电磁波的速度为3.0×108 m/s；

③v＝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．电磁波的发射和接收

(1)发射电磁波的条件

①要有足够高的振荡频率；

②电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。

(2)调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程。

(3)电磁波谱

①定义：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；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。

②电磁波谱的特性及应用

3.狭义相对论

(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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。

(2)相对论的质速关系

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m总要大于静止时的质量m0。

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。

授课提示：对应学生用书第272页

　　自主探究

1．光的干涉、衍射的比较

 2.自然光与偏振光

1．(多选)关于波的干涉和衍射，下列说法正确的是(　　)

A．衍射是一切波特有的现象

B．两列波发生干涉时，振动加强区域的质点的位移一定始终最大

C．声波容易发生衍射是因为声波的波长较长

D．观察薄膜干涉时，应该在入射光的同一侧

解析：衍射是一切波特有的现象，选项A正确；两列波发生干涉时，振动加强区域的质点振动始终加强，不是位移始终最大，选项B错误；声波容易发生衍射是因为声波的波长较长，选项C正确；薄膜干涉是两列频率相同的反射光在薄膜上出现的现象，因此应在入射光的同一侧观察，选项D正确。

答案：ACD

2．(2021·适应性测试江苏卷)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

解析：发现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，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。

答案：B

3．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两光传播速度不相同

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

解析：根据题图可知，b光的干涉条纹间距大于a光的干涉条纹间距，由双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ可知，b光的波长比a光的大，由λ＝可知，b光的频率比a光的小，则在同种介质中，b光的折射率小于a光，根据n＝可知，在介质中，a光的传播速度比b光的小，选项A错误；在真空中a、b两光传播速度相同，均为光速，选项B错误；从真空射入同种介质不会发生全反射，选项C错误；由介质射入真空发生全反射的临界角公式sin  C＝可知，a光折射率较大，从同种介质射入真空发生全反射时a光全反射临界角小，选项D正确。

答案：D

　　自主探究

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)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度只与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。

3．电磁波谱分析及应用

4．(多选)(2021·河南开封高三检测)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)

A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变

B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高

C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射

D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线

解析：紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，选项C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，选项D错误。

答案：AB

5.(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法正确的是(　　)

A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的

B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波

C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强

D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程

解析：有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流和电视信号的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示，故A错误，B、C、D正确。

答案：BCD

易错警示

对电磁波认识的2点注意

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 (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，但它们产生的机理不同。

　　自主探究

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，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。

3．相对论中五个公式

6．(多选)在狭义相对论中，下列说法正确的有(　　)

A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速

B．质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关

C．时间间隔的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关

D．在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中也是同时发生的

解析：根据狭义相对论可知，光速是速度的极限值，而且是不变的，所以A正确；根据狭义相对论可知，长度、质量、时间间隔都与运动状态有关，且都给出了具体的计算公式，所以B正确，C错误；同时是相对的，所以D错误。

答案：AB

7．(1)一列火车以速度v匀速行驶，车头、车尾各有一盏灯，某时刻路基上的人看见两灯同时亮了，那么车厢中的人看见的情况是什么呢？

(2)一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2×108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？

(3)远方的一颗星以0.8c的速度离开地球，在地球上测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？

解析：(1)由同时的相对性可知车头的灯先亮。

(2)l＝l0 ＝5×  m≈3.7 m，

在垂直运动方向没有相对性，所以看到的是一张3.7×5 m2的宣传画。

(3)因为Δt＝，

所以Δτ＝Δt· ，

Δt＝5昼夜，v＝0.8c，所以Δτ＝5×昼夜＝3昼夜。

答案：(1)车头的灯先亮　(2)3.7×5 m2的画　

(3)3昼夜