度高考物理一轮复习第十四章机械振动与机械波光电磁波.docx
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度高考物理一轮复习第十四章机械振动与机械波光电磁波
第4讲 光的波动性 电磁波和相对论
一、光的干涉、衍射和偏振
1.光的干涉
(1)定义:
在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现亮条纹,某些区域相互减弱,出现暗条纹,且加强区域和减弱区域相互间隔的现象.
(2)条件:
两束光的频率相同、相位差恒定.
(3)双缝干涉图样特点:
单色光照射时,形成明暗相间的等间距的干涉条纹;白光照射时,中央为白色亮条纹,其余为彩色条纹.
2.光的衍射
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.
3.光的偏振
(1)自然光:
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.
(2)偏振光:
在垂直于光的传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光.
(3)偏振光的形成
①让自然光通过偏振片形成偏振光.
②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射,反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光.
(4)光的偏振现象说明光是一种横波.
自测1 (多选)下列属于光的干涉现象的是( )
答案 BC
解析 图A属于单缝衍射,图B属于薄膜干涉,图C属于薄膜干涉,图D属于白光的色散,故属于光的干涉现象的是B、C.
二、电磁波和相对论
1.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相同(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.
④v=λf,f是电磁波的频率.
(3)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(调幅或调频).
②调制方式
a.调幅:
使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变.
b.调频:
使高频电磁波的频率随信号的强弱而变.
(4)无线电波的接收
①当接收电路的固有频率跟接收到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做调谐,能够调谐的接收电路叫做调谐电路.
③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程,叫做检波.检波是调制的逆过程,也叫做解调.
(5)电磁波谱:
按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱.
按波长由长到短排列的电磁波谱为:
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线.
2.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,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系.
(2)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)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.
自测2 关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是( )
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
答案 B
解析 电磁波和声波都能传递信息,比如人们之间的语言交流,选项A错误;太阳光中的可见光属于电磁波,而“B超”中的超声波属于机械波,它们的传播速度不同,选项C错误;遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多,选项D错误;手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波,选项B正确.
自测3 关于狭义相对论的说法,不正确的是( )
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.狭义相对论在任何情况下都适用
答案 D
命题点一 光的干涉现象
1.双缝干涉
(1)条纹间距公式:
Δx=λ,对同一双缝干涉装置,光的波长越长,干涉条纹的间距越大.
(2)明暗条纹的判断方法:
如图1所示,光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr=r2-r1.
图1
当Δr=kλ(k=0,1,2…)时,光屏上P′处出现明条纹.
当Δr=(2k+1)(k=0,1,2…)时,光屏上P′处出现暗条纹.
2.薄膜干涉
(1)形成原因:
如图2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.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.
图2
(2)明暗条纹的判断方法:
两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr,等于薄膜厚度的2倍.
在P1、P2处,Δr=nλ(n=1,2,3…),薄膜上出现明条纹.
在Q处,Δr=(2n+1)(n=0,1,2,3…),薄膜上出现暗条纹.
类型1 光的双缝干涉
例1 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
解析 单缝的作用是获得一束细光,故A错误;双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源,B正确;屏上出现暗条纹处距两缝的路程差等于半个波长的奇数倍,故C错误;单色光的频率越高,波长越短,根据Δx=λ,知相邻条纹的间距越小,条纹越窄,故D错误.
例2 如图3所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10-6m,今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹?
图3
(1)已知A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7m;
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°(sin37°=0.6,cos37°=0.8);
(3)若用A光照射时,把其中一条缝遮住,试分析光屏上能观察到的现象.
答案
(1)暗条纹
(2)亮条纹 (3)见解析
解析
(1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2,由n==得
λ1=nλ2=1.5×4×10-7m=6×10-7m
根据路程差Δr=2.1×10-6m
所以N1===3.5
由此可知,从S1和S2到P点的路程差Δr是波长λ1的3.5倍,所以P点为暗条纹.
(2)根据临界角与折射率的关系sinC=得
n==
由此可知,B光在空气中波长λ3为
λ3=nλ介=×3.15×10-7m=5.25×10-7m
所以N2===4
可见,用B光做光源,P点为亮条纹.
(3)光屏上仍出现明暗相间的条纹,但中央条纹最宽最亮,两边条纹变窄变暗.
类型2 光的薄膜干涉
例3 劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图4甲所示,将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上,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:
图4
(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;
(2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.
现若在图甲的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
答案 A
解析 如图所示,若抽去一张纸片,则三角截面空气层的倾角变小,则干涉条纹变疏,A正确.
变式1 一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹,除中央白色亮条纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是( )
A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
B.各色光的速度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
C.各色光的强度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
D.上述说法都不正确
答案 A
解析 白光包含各种颜色的光,它们的波长不同,在相同条件下做双缝干涉实验时,它们的干涉条纹间距不同,所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹,A正确.
命题点二 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
单缝衍射
双缝干涉
不
同
点
条纹
宽度
条纹宽度不等,中央最宽
条纹宽度相等
条纹
间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
情况
中央条纹最亮,两边变暗
条纹清晰,亮度基本相等
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗相间的条纹
3.光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于光的叠加,从本质上看,干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理,都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波,在屏上叠加形成的.
4.光的偏振
(1)自然光与偏振光的比较
类别
自然光(非偏振光)
偏振光
光的
来源
从普通光源发出的光
自然光通过起偏器后的光
光的振
动方向
在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿任意方向,且沿各个方向振动的光的强度相同
在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿特定方向
(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4 如图5所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹).在下面的4幅图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是( )
图5
A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄
C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫
答案 B
解析 双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此1、3为双缝干涉条纹,2、4为单缝衍射条纹.双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮、暗条纹间距)Δx=λ,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,即1、3分别对应于红光和蓝光.而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,2、4分别对应于紫光和黄光.综上所述,1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是:
红、紫、蓝、黄,B正确.
例5 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6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.
图6
(1)偏振片A的作用是_________________________________________________________.
(2)偏振现象证明了光是一种________.
(3)(多选)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
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