2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第十四章第3节　光的波动性　电磁波

第3节　光的波动性　电磁波

教材梳理·自主预习

知识梳理

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δ=r2-r1=kλ(k=0,1,2,…),光屏上出现明条纹.

b.光的路程差δ=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条纹间距公式:Δy=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

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).

三、光的偏振

1.偏振:光波只沿某一特定的方向振动.

2.自然光:太阳、电灯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,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同,这种光叫做自然光.

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.

四、电磁波谱

1.麦克斯韦预言了电磁波的存在,并说明光是电磁波,赫兹通过实验证实了电磁波的存在.

2.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)v=λf对电磁波同样适用.

(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象.

(4)电磁波的波速:真空中电磁波的波速与光速相同,c=3.0×108 m/s.

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.

小题检测

1.思考判断

(1)自然光是偏振光.(　×　)

(2)阳光下茂密的树阴中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的.(　×　)

(3)电磁波同机械波一样能发生干涉、衍射、反射、折射等现象.(　√　)

(4)杨氏双缝干涉实验中,若仅将入射光从红光改为紫光,则相邻亮条纹间距一定变小.(　√　)

(5)光的干涉和衍射现象说明了光是波,也能说明光是横波.(　×　)

2.(多选)下列关于光的说法中正确的是(　AB　)

A.在杨氏双缝干涉实验中,用红光代替黄光作为入射光可增大干涉条纹的间距

B.白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的,其原因是不同色光的波长不同

C.泊松亮斑证明了光沿直线传播,支持了光的微粒学说

D.偏振光可以是横波,也可以是纵波

解析:双缝干涉实验中,用红光代替黄光后,波长变长,则导致干涉条纹的间距增大,故A正确;白光通过双缝后产生干涉,因波长不一,导致干涉条纹间距不同,从而出现彩色条纹,故B正确;泊松亮斑反映了光线绕过圆盘后在中央背影中叠加成亮斑,恰证明了光的波动学说,故C错误;光是横波,偏振光也是横波,故D错误.

3.下列说法中正确的是(　D　)

A.麦克斯韦首先通过实验证实了电磁波的存在

B.两支铅笔靠在一起,自然光从笔缝中通过后就成了偏振光

C.红光由空气进入水中,波长变长,故频率降低

D.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

解析:麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹首先通过实验证实了电磁波的存在,故A错误;两支铅笔靠在一起,中间的缝远远大于光的波长,因此,光从中通过时不会成为偏振光,故B项错误;红光从空气进入水中,由v=λf得,频率f不变,波速v变小,波长λ变小,所以C项错误.检查平面的平整度是利用了光的干涉,所以D项正确.

4.某防空雷达发射的电磁波频率为f=3×103 MHz,屏幕上尖形波显示,从发射到接收经历时间Δt=0.4 ms,那么被监视的目标到雷达的距离为　　　　km;该雷达发出的电磁波的波长为　　　　m. 

解析:电磁波传播速度c=3×108 m/s,从发射到接收的时间内电磁波传播一个来回,因此距离s=cΔt=60 km,电磁波的波长λ==0.1 m.

答案:60　0.1

考点研析·感悟提升

考点一　光的干涉现象

1.双缝干涉

(1)光能够发生干涉的条件:两光的频率相同,振动步调相同.

(2)双缝干涉形成的条纹是等间距的,两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比,即Δy=λ.

(3)用白光照射双缝时,形成的干涉条纹的特点:中央为白条纹,两侧为彩色条纹.

(4)明暗条纹的判断方法

①如图所示,光源S1,S2发出的光到屏上P点的路程差r2-r1=kλ(k=0,1,2,…)时,光屏上出现明条纹.

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

2.薄膜干涉

(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′分别反射出来,形成两列频率相同的光波,并且叠加,两列光波同相叠加,出现明纹;反相叠加,出现暗纹.

(3)条纹特点:①单色光:明暗相间的水平条纹;②白光:彩色水平条纹.

(4)薄膜干涉的应用

干涉法检查平面如图所示,两板之间形成一楔形空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检平面是平整光滑的,会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检平面不平整,则干涉条纹发生弯曲.

[例1]

(多选)如图所示是杨氏双缝干涉实验示意图,其中S1,S2为双缝,D为光屏,实验中观察到屏上O点为中央亮条纹的中心,P1为第一级亮条纹的中心,若将双缝间的距离变小,其他条件不变,则(　AD　)

A.屏上的干涉条纹的间距将变大

B.屏上的O点可能出现暗条纹

C.屏上P1位置仍然可能为亮条纹的中心

D.屏上P1位置可能为暗条纹的中心

解析:由Δy=λ知,d变小,Δy变大,A正确;O点到S1,S2光程差仍然为零,仍为中央亮条纹,B错误;Δy变大,P1到双缝的光程差小于一个波长,不可能是亮条纹的中心,但可能为暗条纹的中心,故C错误,D正确.

题组训练

1.(薄膜干涉)(多选)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,以下说法正确的是(　BD　)

A.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

B.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的

C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的

D.若使用半径小一些的凸薄透镜,则干涉条纹的间距要变大

解析: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B正确,C错误;若使用半径小一些的凸薄透镜,则空气薄膜上的厚度变化更快,则形成的干涉条纹的间距要变大,故D正确.

2.

(双缝干涉)(2019·湖北武汉调研)如图所示,挡板上有两条狭缝S1和S2,它们到光屏上P1点的路程差为1.5×10-6 m,S1,S2连线的中垂线与光屏的交点为O,P1与P2点关于O点对称.用波长为600 nm的单色光照射狭缝S1和S2,则P1点为　　　　(选填“亮条纹”或“暗条纹”),P1与P2之间共有　　　条亮条纹. 

解析:两条狭缝S1和S2到光屏上P1点的路程差为1.5×10-6 m,由=2.5,可知为半波长的5倍,所以P1点为暗条纹,根据对称性可知P1与P2之间共有5条亮条纹.

答案:暗条纹　5

考点二　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

3.光的偏振

(1)自然光与偏振光的比较

(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2] 单色光源发出的光经一狭缝,照射到光屏上,可观察到的图像是下图中的(　A　)

解析:在光的单缝衍射图样中,中间是宽度最大最亮的亮条纹,在中央亮条纹两边的亮条纹宽度越来越小,亮度也越来越低,故选项A正确.

[针对训练] (2019·福建南平模拟)(多选)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α,这一角度α称为“旋光度”,α的值只与糖溶液的浓度有关,将α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.以下说法中正确的是(　ACD　)

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α

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α

解析:偏振光通过糖的水溶液后,若迎着射来的光线看,偏振方向会以传播方向为轴线,旋转一个角度α,所以到达O处光的强度会明显减弱,故A正确,B错误;将偏振片B转动一个角度,使得O处光的强度最大,偏振片B转过的角度等于α,故C正确;同理,将偏振片A转动一个角度,使得O处光强度最大,偏振片A转过的角度等于α,故D正确.

考点三　电磁波

1.电磁波的传播及波长、频率、波速

(1)电磁波本身是一种物质,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是相同的(都等于光速).

(2)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.

(3)三者关系:v=λf.

2.电磁波与机械波的比较

[例3] (多选)下列说法正确的是(　C　)

A.电磁波可以实现无线传输,但不能进行有线传输

B.电磁波和机械波都只能在介质中传播

C.麦克斯韦预言了电磁波的存在,之后赫兹用实验证明了电磁波的存在

D.电磁波是一种波,声波也是一种波,理论上它们是同种性质的波

解析:电磁波可以进行有线传输,也可以实现无线传输,故A错误;电磁波在真空中也可以传播,B错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验验证了电磁波的存在,所以C正确.电磁波是一种波,声波也是一种波,它们具有波的共性,但前者是电磁场在空间的传播,后者是机械振动在介质中的传播,性质不同,故D错误.

[针对训练] 2019年10月1日,我国制造的具有“隐身能力”和强大攻击力的第五代作战飞机“歼20”(如图)列装飞越天安门上空.隐形飞机的原理是:在飞机研制过程中设法降低其可探测性,使之不易被敌方发现、跟踪和攻击.根据你所学的物理知识,判断下列说法中正确的是(　B　)

A.运用隐蔽色涂层,无论距你多近,即使你拿望远镜也不能看到它

B.使用能吸收雷达电磁波的材料,在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱,很难被发现

C.使用吸收雷达电磁波涂层后,传播到复合金属机翼上的电磁波在机翼上不会产生感应电流

D.主要是对发动机、喷气尾管等因为高温容易产生紫外线辐射的部位采取隔热、降温等措施,使其不易被对方发现

解析:隐形飞机的原理是在飞机制造过程中使用能吸收雷达电磁波的材料,使反射的雷达电磁波很弱,在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱,飞机在雷达屏幕上很难被发现,故B项正确.

题组训练

1.(2009·福建卷,13)光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用,下列说法正确的是(　D　)

A.用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象

B.用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的衍射现象

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:用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的薄膜干涉现象,A错误;用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的折射形成的色散现象,B错误;在光导纤维束内传送图像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.

2.(2019·北京卷,14)利用图1所示的装置(示意图),观察光的干涉、衍射现象,在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样.下列关于P处放置的光学元件说法正确的是(　A　)

A.甲对应单缝,乙对应双缝

B.甲对应双缝,乙对应单缝

C.都是单缝,甲对应的缝宽较大

D.都是双缝,甲对应的双缝间距较大

解析:单缝衍射图样的中央条纹亮且宽,相邻条纹间距不等;双缝干涉图样中相邻条纹间距相等.根据题目中给出的甲、乙两种图样可知,甲是单缝衍射的图样,乙是双缝干涉的图样,A选项正确.

3.

(2017·浙江选考卷,16)(多选)图中给出了用“双缝干涉测量光的波长”实验示意图,双缝S1和S2间距为0.80 mm,双缝到屏的距离为0.80 m,波长为500 nm的单色平行光垂直入射到双缝S1和S2上,在屏上形成干涉条纹,中心轴线OO′上方第一条亮纹中心位置在P1处,第三条亮纹中心位置在P2处,现有1号、2号虫子分别从S1和S2出发,以相同速度沿垂直屏方向飞行,1号虫子到达屏后,沿屏直线爬行到P1,2号虫子到达屏后,沿屏直线爬行到P2,假定两只虫子爬行速度均为10-3 m/s,正确的是(　AB　)

A.1号虫子运动路程比2号短

B.两只虫子运动的时间差为0.2 s

C.两只虫子运动的时间差为1.0 s

D.已知条件不够,两只虫子运动的时间差无法计算

解析:根据双缝干涉相邻亮纹间距公式Δy=得出,相邻亮条纹间距为0.5 mm,则得出P1P2在屏幕上的坐标分别为0.5 mm,1.5 mm,那么1号虫子从S1到P1的路程为800.9 mm,2号虫子从S2到P2的路程为801.1 mm,故A正确,已知路程差为0.2 mm,可以得出时间差为0.2 s,故B正确,C,D错误.