2020年高考物理新课标第一轮总复习讲义：第十四章第四讲　光的波动性　电磁波　相对论

基础复习课

第四讲　光的波动性　电磁波　相对论

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：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．同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等．

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(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、用双缝干涉测光的波长

1．实验原理：相邻两条明条纹间距Δx与入射光波长λ，双缝S1、S2间距d及双缝及屏的距离l满足的关系式为Δx＝λ.

2．实验器材：双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺．

3．实验步骤

(1)安装仪器.

①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上．

②接好光源，打开开关，使白炽灯正常发光．调节各部件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏．

③安装单缝和双缝，中心位于遮光筒的轴线上，使双缝和单缝的缝平行．

(2)观察与记录．

①调单缝与双缝间距为5～10 cm时，观察白光的干涉条纹．

②在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹．

③调节测量头，使分划板中心刻度线对齐第1条亮条纹的中心，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻度线与第n条相邻的明条纹中心对齐时，记下手轮上的读数a2，则相邻两条纹间的距离Δx＝.

④换用不同的滤光片，测量其他色光的波长．

(3)数据处理：用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l，由公式λ＝Δx计算波长，重复测量、计算，求出波长的平均值．

四、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．电磁场

变化电场在周围空间产生磁场，变化磁场在周围空间产生电场，变化的电场和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

(1)电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波．

(2)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)．

(3)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．

(4)v＝λf，f是电磁波的频率．

4．电磁波的发射

(1)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(包括调幅和调频)．

(2)调制方式

①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变．调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段．

②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变．调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法调制．

5．无线电波的接收

(1)当接收电路的固有频率跟接收到的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．

(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐．能够调谐的接收电路叫作调谐电路．

(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫作检波．检波是调制的逆过程，也叫作解调．

6．电磁波谱

五、狭义相对论的基本假设　质速关系、相对论质能关系式

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)物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.

3．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.

[小题快练]

1．判断题

(1)横波、纵波都能发生偏振现象．( × )

(2)当振动情况完全相同的两个光源与屏上某点的距离之差等于0时，出现亮条纹．( √ )

(3)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．( × )

(4)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．( × )

(5)阳光在水面的反射光是偏振光．( √ )

(6)电磁波的传播需要介质．( × )

(7)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场．( × )

(8)电谐振就是电磁振荡中的“共振”．( √ )

(9)无线电波不能发生干涉和衍射现象．( × )

(10)波长不同的电磁波在本质上完全相同．( √ )

(11)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的．( × )

2．下列现象中，属于光的衍射的是( B )

A．雨后天空出现彩虹

B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹

C．海市蜃楼现象

D．日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹

3．电磁波已广泛运用于很多领域．下列关于电磁波的说法符合实际的是( C )

A．电磁波不能产生衍射现象

B．常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机

C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度

D．光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同

4．下列关于狭义相对论的说法中错误的是( D )

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．狭义相对论任何情况下都适用

考点一　光的干涉及衍射 (自主学习)

单缝衍射与双缝干涉的比较

1－1.[双缝干涉]　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

1－2.[单缝衍射]　(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，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(　　)

A．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

1－3.[干涉、衍射的图样]　(多选)下列所示的图片、示意图大都来源于课本，关于这些图的下列判断中，准确无误的是(　　)

A．甲图是小孔衍射的图样，乙图为“泊松亮斑”

B．甲图为“泊松亮斑”，乙图是小孔衍射的图样

C．丙图是双缝干涉图样，丁图是单缝衍射图样

D．丙图是单缝衍射图样，丁图是双缝干涉图样

答案：AC

考点二　光的偏振现象 (自主学习)

自然光和偏振光的比较

2－1.[偏振光的性质]　如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是(　　)

A．A、B均不变　　　　　 B．A、B均有变化

C．A不变，B有变化  D．A有变化，B不变

答案：C

2－2. [偏振光的应用]　奶粉的碳水化合物(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．

(1)偏振片A的作用是．

(2)偏振现象证明了光是一种    ．

(3)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

答案：(1)把自然光变成偏振光　(2)横波　(3)ACD

考点三　电磁波　相对论 (自主学习)

电磁波与机械波的比较

3－1.[电磁波的性质]　下列关于电磁波的说法，正确的是(　　)

A．电磁波只能在真空中传播

B．电场随时间变化时一定产生电磁波

C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波

D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

答案：C

3－2.[电磁波与机械波的区别]　(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

答案：ABC

3－3.(多选)(2018·河南开封考试)关于电磁波谱，下列说法中正确的是(　　)

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

E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信

解析：X射线具有较强的穿透能力，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，故A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故B正确；紫外线比紫光的波长短，更不容易发生衍射，故C错误；电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，故D错误；在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信，选项E正确．

答案：ABE

考点四　用双缝干涉测光的波长 (自主学习)

4－1.[实验数据处理]　(2015·全国卷Ⅰ)在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比Δx1    Δx2(填“＞”“＜”或“＝”)．若实验中红光的波长为630 nm，双缝到屏幕的距离为1 m，测得第一条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5 mm，则双缝之间的距离为  mm.

解析：根据Δx＝λ，因为红光的波长比绿光的长，所以红光的干涉条纹间距Δx1比绿光的干涉条纹间距Δx2大；由题意得相邻亮条纹的间距为Δx＝mm＝2.1×10－3m，再由Δx＝λ可以解得d＝0.300 mm.

答案：＞　0.300

4－2.[实验操作]　(2018·武汉模拟)在观察光的双缝干涉现象的实验中：

(1)将激光束照在如图甲所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图乙中的    ．

(2)换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将    ；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将     (以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”)．

解析：(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，A图正确．

(2)根据Δx＝λ知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄．

答案：(1)A　(2)变宽　变窄

1．(多选)以下说法中正确的有( BCD )

A．阳光下肥皂膜上的彩色条纹属于光的衍射现象

B．太阳光通过三棱镜产生的彩色条纹是由于折射造成的

C．一束光由介质斜射向空气，界面上可能只发生反射现象而没有折射现象

D．水面油膜呈现彩色条纹是光的干涉现象，这说明了光是一种波

E．“未见其人先闻其声”说明声波有衍射现象而光波没有衍射现象

2．(多选)下列说法正确的是( ACD )

A．手机通话时发射的无线电波都是经过调制的

B．当敌机靠近时，战机携带的雷达接收反射波的频率小于其发射频率

C．当变压器的铁芯不闭合时，其原副线圈的电压比不等于其匝数比

D．LC振荡电路中产生随时间t按 i＝asin bt的规律变化的振荡电流时，发射的电磁波的波长为(c为真空中的光速)

3．(多选)下列说法中正确的是( CDE )

A．若两列机械横波相遇，在相遇区一定会出现干涉现象

B．机械波在传播过程中，沿传播方向上，在任何相等时间内传播相同的距离

C．光波在介质中传播的速度与光的频率有关

D．狭义相对论认为：一切物理规律在不同的惯性参考系中都是相同的

E．紫光的双缝干涉条纹间距可能大于红光双缝干涉条纹间距

4．(2018·福建永安三中月考)用双缝干涉测光的波长．实验装置如图甲所示，已知双缝与屏的距离L，双缝间距d.用测量头来测量亮纹中心的距离．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纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数．

(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图乙所示，则对准第1条时读数x1、 对准第4条时读数x2＝      _ mm

(2)写出计算波长λ的表达式，λ＝    _(用x1、 x2 、L、d表示，不用计算)．

(3)在屏上观察到了干涉条纹．如果将双缝的间距变大，则屏上的干涉条纹的间距将    _

解析：(1)第4条时读数x2＝7.5＋0.01×36.9＝7.869mm.

(2)根据Δx＝λ，可得：λ＝＝

(3)根据Δx＝λ知双缝间距d增大时条纹间距变窄．

答案：(1) 7.869　(2)　(3)变窄

[A组·基础题]

1．(2016·北京卷)下列说法正确的是( A )

A．电磁波在真空中以光速c传播

B．在空气中传播的声波是横波

C．声波只能在空气中传播

D．光需要介质才能传播

2．如图甲所示，在平静的水面下有一个点光源S，它发出的是两种不同颜色的a光和b光，在水面上形成了一个被照亮的圆形区域，该区域的中间为由a、b两种单色光所构成的复色光的圆形区域，周边为环状区域，且为a光的颜色(见图乙)．则以下说法中正确的是( C )

A．a光的频率比b光的大

B．水对a光的折射率比b光的大

C．a光在水中的传播速度比b光的大

D．在同一装置的杨氏双缝干涉实验中，a光的干涉条纹比b光的窄

3．如图所示，两束平行单色光a、b从空气射入玻璃三棱镜，出射光为①和②，对这两束光，下列说法正确的是( C )

A．出射光①是a光

B．在该三棱镜中a光的传播速度比b光的大

C．从同种介质射入真空发生全反射时，a光的临界角比b光的小

D．分别通过同一双缝干涉装置，a光形成的相邻亮条纹间距大

4．(多选)关于光的干涉现象，下列说法正确的是( BC )

A．在波峰与波峰叠加处，将出现亮条纹；在波谷与波谷叠加处，将出现暗条纹

B．在双缝干涉实验中，光屏上距两狭缝的路程差为1个波长的某位置，将出现亮纹

C．把入射光由黄光换成紫光，两相邻亮条纹间的距离变窄

D．当薄膜干涉的条纹是等间距的平行线时，说明薄膜的厚度处处相等

5．(多选)(2018·长春模拟)应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图表示变化的场，下图表示变化的场产生的另外的场)，正确的是( BC )

解析：A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以B图正确；C图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位差为，C图是正确的；D图的上图是振荡的电场，可在其周围空间产生同频率振荡的磁场，但是下图中的图象与上图相比较，相位差为π，故D图不正确．

6．(多选)(2018·岳阳模拟)如图所示为用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置获得的干涉图样，现让a、b两种光组成的复色光穿过平行玻璃砖或三棱镜时，光的传播路径与方向可能正确的是( AD )

解析：因为单色光斜射入平行玻璃砖时的出射光线应平行于入射光线，故选项B错误；根据干涉图样，a光的干涉条纹间距较大，所以a光的波长较长，在同种介质中的折射率较小，故沿相同方向斜射入平行玻璃砖时a光的侧移量小，选项A正确；由于a光的折射率小，临界角较大，则更不易发生全反射，选项C错误，选项D正确．

7．(多选)关于波的现象，下列说法正确的有( ADE )

A．当波从一种介质进入另一种介质时，频率不会发生变化

B．光波从空气进入水中后，更容易发生衍射

C．波源沿直线匀速靠近一静止接收者，则接收者接收到波信号的频率会比波源频率低

D．不论机械波、电磁波，都满足v＝λf，式中三参量依次为波速、波长、频率

E．电磁波具有偏振现象

8．(多选)以下说法正确的是( BCD )

A．单摆做简谐运动的回复力是重力和摆线拉力的合力

B．照相机镜头采用镀膜技术增加透射光，这是利用了光的薄膜干涉原理

C．古代某寺庙里的磬常自鸣自响，属于声音的共振现象

D．如果某一遥远星球离地球远去，那么地球上接收到该星球发出光的波长要变长

E．不同波长的声波在同一介质中传播时，传播速度一样；不同频率的光波在同一介质中传播时，频率越高，波速越大

[B组·能力题]

9．下列说法正确的是( C )

A．全息照片的拍摄利用了光的衍射原理

B．只有发生共振时，受迫振动的频率才等于驱动力频率

C．高速飞离地球的飞船中的宇航员认为地球上的时钟变慢

D．鸣笛汽车驶近路人的过程中，路人听到的声波频率与该波源的频率相比减小

10．(多选)下列说法正确的是( BDE )

A．光在介质中传播的速度仅由介质本身所决定

B．雨后路面上的油膜形成的彩色条纹是由光的干涉形成的

C．杨氏双缝干涉实验中，当两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定时，红光干涉条纹的相邻条纹间距比蓝光干涉条纹的相邻条纹间距小

D．光的偏振特征说明光是横波

E．水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故

11. 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λ表示红外线的波长，则所镀薄膜的最小厚度应为( B )

A.λ　　　 B．λ　　　

C.λ　　　 D．λ

12．如图所示，在同一均匀介质中有S1和S2两个波源，这两个波源的频率、振动方向均相同， 且振动的步调完全一致，S1与S2之间相距为4 m，若S1、S2振动频率均为10 Hz，两列波的波速均为10 m/s，B点为S1和S2连线的中点，今以B点为圆心，以R＝BS1为半径画圆．

 (1)该波的波长为多少？

 (2)在S1、S2连线之间(S1和S2两波源点除外)振动减弱的点有几个？

(3)在该圆周上(S1和S2两波源点除外)共有几个振动加强的点？

解析：(1)由公式λ＝＝ m＝1 m.

(2)S1、S2之间恰好有4个波长，振动减弱点距两波源的距离之差Δr＝(2n＋1)，故当n＝0、1、2、3时，Δr＝，，，.由对称性可知B点左右各4各点，一共8个点．

(3)振动加强点距两波源距离之差Δr＝nλ.当n＝0、1、2、3，时，距离差值小于4个波长．根据对称性，在上半圆上共有7个，由对称可知下半圆上也有7个，故共有14个．

答案：(1)1 m　(2)8个减弱点　(3)14个加强点