（江蘇專版）2020版高考物理一輪復習 第十三章 第4節(jié) 光的波動性 電磁波 相對論講義（含解析）.doc

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光的波動性 電磁波 相對論 , (1)光的顏色取決于折射率。() (2)只有頻率相同的兩列光波才能產生干涉。(√) (3)在雙縫干涉實驗中，雙縫的作用是使白光變成單色光。() (4)陽光下茂密的樹蔭中地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的。() (5)自然光是偏振光。() (6)電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場。() (7)無線電波不能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。() (8)波長不同的電磁波在本質上完全不同。() (9)真空中的光速在不同慣性參考系中是不同的。() 突破點(一)　光的干涉、衍射及偏振 1．光的干涉 (1)明暗條紋的判斷方法 ①單色光 a．如圖所示，光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P點的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)時，光屏上出現(xiàn)亮條紋。 b．光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2，…)時，光屏上出現(xiàn)暗條紋。 ②白光：光屏上出現(xiàn)彩色條紋。 ③中央條紋為亮條紋。 (2)雙縫干涉條紋是等間距的 相鄰亮條紋(或暗條紋)間的距離與波長成正比(裝置已確定的情況下)。利用雙縫干涉實驗可測量光波的波長。 (3)薄膜干涉 ①如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。 ②光照射到薄膜上時，在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射出來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。 ③原理分析 單色光 a．在P1、P2處，兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于波長的整數(shù)倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)亮條紋。 b．在Q處，兩列反射回來的光波的路程差Δr等于半波長的奇數(shù)倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋。 白光：薄膜上出現(xiàn)水平彩色條紋。 (4)薄膜干涉的應用 干涉法檢查平面如圖所示，兩板之間形成一楔形空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢平面是平整光滑的，會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。 2．光的干涉和衍射的比較 (1)干涉和衍射的比較 干涉 衍射 現(xiàn)象 光在重疊區(qū)域出現(xiàn) 加強或減弱的現(xiàn)象 光繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象 產生條件 兩束光頻率相同、相位差恒定 障礙物或孔的尺寸與波長差不多或更小 典型實驗 楊氏雙縫實驗 單縫衍射、圓孔衍射和不透明圓盤衍射 圖樣不同點 條紋寬度 條紋寬度相等 條紋寬度不等，中央最寬 條紋間距 各相鄰條紋間距相等 各相鄰條紋間距不等 亮度情況 清晰條紋，亮度基本相等 中央條紋最亮，兩邊變暗 圖樣相同點 干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象；干涉、衍射都有明暗相間的條紋 (2)對光的衍射的理解 ①干涉和衍射是波的特征，波長越長，干涉和衍射現(xiàn)象越明顯。在任何情況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的差別。 ②衍射現(xiàn)象說明“光沿直線傳播”只是一種特殊情況，只有在光的波長比障礙物小得多時，光才可以看做是沿直線傳播的。 [典例]　(2018徐州二模)如圖所示的4種明暗相間的條紋，分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器和同一單縫衍射儀器形成的圖樣(灰黑色部分表示亮條紋)。則屬于藍光的干涉圖樣的是(　　) [解析]　雙縫干涉的圖樣是明暗相間的干涉條紋，所有亮條紋寬度相同且等間距，根據(jù)雙縫干涉條紋間距Δx＝λ可知，波長λ越大，Δx越大，故左邊第一個是紅光的，第三個是藍光的。單縫衍射條紋是中間明亮且寬大，越向兩側寬度越小越暗，而波長越大，中央亮條紋越粗，故從左向右依次是紅光(雙縫干涉)、藍光(單縫衍射)、藍光(雙縫干涉)和紅光(單縫衍射)。由以上分析可知，A、B、D錯誤，C正確。 [答案]　C [方法規(guī)律] 區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法 (1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉條紋的寬度相同，而單縫衍射的條紋中央亮條紋最寬，兩側的亮條紋逐漸變窄。 (2)根據(jù)條紋的間距區(qū)分：雙縫干涉條紋的間距是相等的，而單縫衍射的條紋越向兩側條紋間距越窄。 (3)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋，從中央亮條紋往兩側亮度變化很小，而單縫衍射條紋中央亮條紋最亮，兩側的亮條紋逐漸變暗。 [集訓沖關] 1．(2019泰州模擬)在雙縫干涉實驗中，保持狹縫間的距離及狹縫與屏的距離都不變，用不同的色光照射，則(　　) A．紅光的干涉條紋間距最大 B．紫光的干涉條紋間距最大 C．紅光與紫光的干涉條紋間距一樣大 D．用白光照射時會產生白色干涉條紋 解析：選A　根據(jù)條紋間距公式Δx＝λ，當狹縫間的距離d和狹縫到屏的距離l都不變時，因為紅光的波長比紫光的波長大，所以紅光干涉條紋的間距大，故A正確，B、C錯誤；用白光做雙縫干涉實驗時，會出現(xiàn)色散現(xiàn)象，光屏上會出現(xiàn)彩色條紋，D錯誤。 2．下列說法不正確的是(　　) A．檢驗工件平整度的操作中，如圖1所示，上面為標準件，下面為待檢測工件，通過干涉條紋可推斷：P為凹處，Q為凸處 B．圖2為光線通過小圓板得到的衍射圖樣 C．圖3的原理和光導纖維傳送光信號的原理一樣 D．圖4的原理和照相機鏡頭表面涂上增透膜的原理一樣 解析：選D　薄膜干涉是等厚干涉，即明條紋處空氣膜的厚度相同，從彎曲的條紋可知，P處空氣膜厚度與后面的相同，知P處凹陷，而Q處空氣膜厚度與前面的相同，知Q處凸起，故A正確；圖2為光線通過小圓板得到的衍射圖樣，若用光照射很小的不透明圓板時，后面會出現(xiàn)一亮點，故B正確；沙漠蜃景是光的全反射現(xiàn)象，且光導纖維利用了光的全反射現(xiàn)象，它們的原理相同，故C正確；立體電影是光的偏振，而照相機鏡頭表面涂上增透膜是利用光的干涉，它們的原理不相同，故D錯誤。 3．(2018江蘇高考)兩束單色光A、B的波長分別為λA、λB，且λA>λB，則________(選填“A”或“B”)在水中發(fā)生全反射時的臨界角較大。用同一裝置進行楊氏雙縫干涉實驗時，可以觀察到________(選填“A”或“B”)產生的條紋間距較大。 解析：因λA＞λB，根據(jù)c＝λν知，νA＜νB，同一介質對頻率越高的光折射率越大，即nA＜nB，而sin C＝，故CA＞CB，即A光在水中發(fā)生全反射時的臨界角較大。根據(jù)Δx＝λ知，ΔxA＞ΔxB，即A光產生的條紋間距較大。 答案：A　A 突破點(二)　電磁場和電磁波 1．對麥克斯韋電磁場理論的理解 2．對電磁波的理解 (1)電磁波是橫波。電磁波的電場、磁場、傳播方向三者兩兩垂直，如圖所示。 (2)電磁波與機械波不同，機械波在介質中傳播的速度只與介質有關，電磁波在介質中傳播的速度與介質和頻率均有關。 3．電磁波譜分析及應用 電磁波譜 頻率/Hz 真空中波長/m 特性 應用 遞變規(guī)律 無線電波 ＜31011 ＞10－3 波動性強，易發(fā)生衍射 無線電技術 紅外線 1011～1015 10－3～10－7 熱效應 紅外遙感 可見光 1015 10－7 引起視覺 照明、攝影 紫外線 1015～1017 10－7～10－9 化學效應、熒光效應、滅菌消毒 醫(yī)用消毒、防偽 X射線 1016～1019 10－8～10－11 貫穿本領強 檢查、醫(yī)用透視 γ射線 ＞1019 ＜10－11 貫穿本領最強 工業(yè)探傷、醫(yī)用治療 [特別提醒] (1)波長不同的電磁波，表現(xiàn)出不同的特性。其中波長較長的無線電波和紅外線等，易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象；波長較短的紫外線、X射線、γ射線等，穿透能力較強。 (2)電磁波譜中，相鄰兩波段的電磁波的波長并沒有很明顯的界線，如紫外線和X射線、X射線和γ射線都有重疊，但它們產生的機理不同。 [題點全練] 1．[多選](2018江蘇高考)梳子在梳頭后帶上電荷，搖動這把梳子在空中產生電磁波。該電磁波(　　) A．是橫波 B．不能在真空中傳播 C．只能沿著梳子搖動的方向傳播 D．在空氣中的傳播速度約為3108 m/s 解析：選AD　電磁波是橫波，傳播方向與振動方向垂直，既能在真空中傳播，也能在介質中傳播。電磁波在空氣中的傳播速度約為3108 m/s，故選項A、D正確。 2．(2018連云港二模)下列說法中正確的是(　　) A．雷達是利用聲波的反射來測定物體的位置的 B．在光的雙縫干涉實驗中，若僅將入射光由綠光改為紅光，則干涉條紋間距變窄 C．考慮相對論效應，一條沿自身長度方向運動的桿的長度總比桿靜止時的長度短 D．調諧是電磁波發(fā)射應該經(jīng)歷的過程，調制是電磁波接收應該經(jīng)歷的過程 解析：選C　雷達是利用無線電波的反射來確定物體目標的儀器，A錯誤；根據(jù)公式Δx＝λ，雙縫干涉條紋寬度正比于波長，紅光波長比綠光大，干涉條紋寬，B錯誤；相對論效應是對不同參考系而言的，相對地面高速運動的桿在自身參考系內測量就是靜止的長，而地面觀察者測量時發(fā)現(xiàn)其長度變短，C正確；發(fā)射電磁波需要將低頻信號加到高頻信號上，此過程稱為調制，接收到電磁波時，選擇所需要的頻率信號，稱為調諧，D錯誤。 3．[多選](2018南京三模)下列說法正確的是(　　) A．共享單車是“新四大發(fā)明”之一，手機和互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和單車之間都是通過紅外線傳遞信息的 B．我國新型隱形戰(zhàn)機J－20由于使用了吸收雷達電磁波材料，在雷達屏幕上顯示的反射信息很小、很弱，因此很難被發(fā)現(xiàn) C．發(fā)生沙塵暴時能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于發(fā)生沙塵暴時只有波長較長的一部分光才能到達地面 D．當聲源相對于觀察者運動時，觀察者聽到的聲音的音調一定變高 解析：選BC　共享單車是“新四大發(fā)明”之一，手機和互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和單車之間都是通過電磁波傳遞信息的，故A錯誤；我國新型隱形戰(zhàn)機J－20由于使用了吸收雷達電磁波材料，在雷達屏幕上顯示的反射信息很小、很弱，因此很難被發(fā)現(xiàn)，故B正確；發(fā)生沙塵暴時能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于發(fā)生沙塵暴時只有波長較長的一部分光才能到達地面，故C正確；當聲源離觀測者而去時，觀察者聽到的音調變得低沉，當聲源接近觀測者時，觀察者聽到的音調就變高，故D錯誤。 突破點(三)　狹義相對論的簡單應用 1．慣性系：如果牛頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系叫做慣性系。相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。 2．光速的大小與選取的參考系無關，因為光速是從麥克斯韋方程組中推導出來的，無任何前提條件。 3．狹義相對論認為物體的質量m與物體的速度v有關，其關系式為m＝。 4．對“長度的相對性”的理解：狹義相對論中的長度公式：l＝l0中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可認為桿沿桿的長度方向以速度v運動時，靜止的觀察者測出的桿的長度，還可以認為是桿不動，而觀察者沿桿的長度方向以速度v運動時測出的桿的長度。 5．對“時間間隔的相對性”的理解：時間間隔的相對性公式Δt＝中，Δτ是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而Δt則是相對于事件發(fā)生地以速度v運動的觀察者測量同一地點的同樣兩個事件發(fā)生的時間間隔。也就是說：在相對運動的參考系中觀測，事件變化過程的時間間隔變大了，這就是狹義相對論中的時間膨脹。(動鐘變慢) [題點全練] 1．[多選](2017江蘇高考)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有(　　) A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快 B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢 C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快 D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢 解析：選AC　相對論告訴我們，運動的鐘會變慢，由于飛船上的人相對飛船上的鐘是靜止的，而觀測到地球上的鐘是高速運動的，因此飛船上的人觀測到飛船上的鐘相對于地球上的鐘快，A項正確，B項錯誤；同樣，地球上的人觀測到飛船上的鐘是高速運動的，因此地球上的人觀測到地球上的鐘比飛船上的鐘快，C項正確，D項錯誤。 2．(2019如皋模擬)如圖所示，質量與身高均相同的甲、乙兩人分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船同向運動。下列說法正確的是(　　) A．乙觀察到甲身高變高 B．甲觀察到乙身高變低 C．若甲向乙揮手，則乙觀察到甲動作變快 D．若甲向乙發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則乙觀察到該光束的傳播速度為c 解析：選D　因為人的身高是垂直于運動速度方向的，豎直方向上沒有尺縮效應，即甲、乙觀察對方身高時不變，故A、B錯誤；根據(jù)相對論的鐘慢效應，可以推測兩人在接近光速運動時，相對地球來說時間都變慢了，但乙相對于甲的速度更大，因此可以推測，乙觀察到甲動作變慢，故C錯誤；根據(jù)愛因斯坦光速不變原理，乙觀察到該光束的傳播速度仍為c，故D正確。