高中物理鲁科版选修3-4期末复习学案光的波动性　电磁波　相对论Word版含解析

光的波动性　电磁波　相对论
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。
图1
2.两种典型的干涉
(1)杨氏双缝干涉。
①原理如图1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。
光的衍射　偏振
1.光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射。
2.光发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象。
3.衍射图样
(1)单缝衍射：中央为亮条纹，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光。
(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。
(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。
4.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。
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、应用
电磁波谱
特性
应用
无线电波
波动性强、易发生衍射
无线电技术
红外线
热效应
红外线遥感
可见光
引起视觉
照明、摄影
紫外线
化学效应、荧光效应、能杀菌消毒
医用消毒、防伪
X射线
贯穿本领强
检查、医用透视
γ射线
贯穿本领最强
工业探伤、医用治疗
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。
(3)长度的相对性
沿相对运动方向上长度缩短(尺缩效应)
l＝l0
(4)时间间隔的相对性(钟慢效应)
Δt＝
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。
小题速练
思考判断
(1)光的干涉和衍射现象说明了光是波，也能说明光是横波。(　　)
(2)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(　　)
(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)自然光是偏振光。(　　)
(6)阳光在水面的反射光是偏振光。(　　)
(7)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(　　)
(8)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)×
　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Δx＝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。
2.薄膜干涉
(1)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。
图2
(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。
【例1】　(2016·江苏单科，12B)(1)杨氏干涉实验证明光的确是一种波，一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上，两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满足干涉的必要条件，则两列光的__________相同。如图3所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷，如果放置光屏，在________(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹。
图3
(2)在上述杨氏干涉实验中，若单色光的波长λ＝5.89×10－7 m，双缝间的距离
d＝1 mm，双缝到屏的距离l＝2 m。求第1个亮条纹到第11个亮条纹的中心
间距。
解析　(1)从两狭缝发出的光，它们的频率相同，是干涉光，在波峰与波谷相遇的区域中，振动相互抵消，会出现暗条纹，即在C点出现暗条纹。
(2)相邻亮条纹的中心间距Δx＝λ
由题意知，亮条纹的数目n＝10
解得L＝，代入数据得L＝1.178×10－2 m。
答案　(1)频率　C　(2)1.178×10－2 m
【例2】　如图4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________。
图4
A.干涉现象是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
B.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
C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的
D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的
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，故选项A正确，B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，故选项C正确，D错误。
答案　AC
　光的衍射和光的偏振现象
1.对光的衍射的理解
(1)衍射是波的特征，波长越长，衍射现象越明显。任何情况下都可以发生衍射现象，只有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，光才可以看作是沿直线传播的。
2.自然光和偏振光的比较
自然光(非偏振光)
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
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
【例3】　(2018·启东中学模拟)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5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5
(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
　电磁波
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
2.对电磁波的理解
图6
(1)电磁波是横波。电磁波的电场E、磁场B、传播方向v三者两两垂直，如图6所示。
(2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。
【例4】　下列说法正确的是________。
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
解析　电磁波可以在真空中传播，且传播速度为光速c，选项A正确，D错误；声波为纵波，可以在固、液、气介质中传播，选项B、C错误。
答案　A
　狭义相对论的简单应用
狭义相对论问题的求解技巧
(1)解决“同时”的相对性问题，可从三个方面入手：
①令观察者静止，判断被观察者因相对运动而引起的位置变化。
②结合光速不变原理，分析光传播到两个事件所用的时间。
③光先传播到的事件先发生，光后传播到的事件后发生。
(2)“动尺缩短”是沿运动方向上的长度比其相对静止时测量的长度要短一些，在垂直于运动方向上的长度没有变化。
(3)“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的结果，也是相对的，即两个惯性系中的观察者都发现对方的钟变慢了。
【例5】　(2016·江苏单科，12B)一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是________。
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
解析　飞船上的观察者测得飞船的长度不变，仍为30 m，由l＝l0答案　B
1.(2018·江苏省连云港市高三第二次调研考试)下列说法中正确的是________。
A.雷达是利用声波的反射来测定物体的位置的
B.在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光改为红光，则干涉条纹间距变窄
C.考虑相对论效应，一条沿自身长度方向运动的杆的长度总比杆静止时的长度短
D.调谐是电磁波发射应该经历的过程，调制是电磁波接收应该经历的过程
解析　雷达是利用无线电波的反射来确定物体目标的仪器，A项错误；根据公式Δx＝λ，双缝干涉条纹宽度正比于波长，红光波长比绿光大，它干涉条纹宽，B项错误；相对论效应是对不同参考系而言的，相对地面高速运动的杆在自身参考系内测量就是静止的原长，而地面观察者测量时发现其长度变短，C项正确；发射电磁波需要将低频信号加到高频信号上，此过程称为调制，接收到电磁波时，选择所需要的频率信号，称为调谐，D项错误。
答案　C
2.(2018·常州市高三模拟)小行星以速度u高速飞向地球的同时发出频率为ν的光，则________。
图7
A.该光相对小行星的速度为c＋u
B.该光相对小行星的速度为c
C.地球上接收到的小行星所发光的频率大于ν
D.地球上接收到的小行星所发光的频率等于ν
解析　由光速不变原理可知该光相对小行星的速度为c，故选项B正确；根据多普勒效应可知，当光源靠近观察者时接收到的光频率大于ν，故选项C正确。
答案　BC
3.(2017·江苏单科)(1)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有________。
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
(2)野生大象群也有自己的“语言”。研究人员录下象群“语言”交流时发出的声音，发现以2倍速度快速播放录音时，能听到比正常播放时更多的声音。播放速度变为原来的2倍时，播出声波的________(选填“周期”或“频率”)也变为原来的2倍，声波传播速度________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
解析　(1)由相对论知识Δt＝知，Δt＞Δτ。则地面上的人观察飞船上的时间进程比地面上慢，即地球上的人观测到地球上的钟较快，同理可知，飞船上的人观测到飞船上的钟较快，A、C正确，B、D错误。
(2)频率由波源决定，播放速度变为原来的2倍，则声波的频率为原来的2倍，而声波在空气中的传播速度由介质性质决定，故声速不变。
答案　(1)AC　(2)频率　不变
4.(2018·江苏南通市第二次调研)利用光的干涉，两台相距很远(几千公里)联合动作的射电望远镜观察固定的射电恒星，可以精确测定大陆板块漂移速度。模型可简化为如图8所示的双缝干涉，射电恒星看成点光源S，分布在地球上不同大陆的两个望远镜相当于两个狭缝S1、S2，它们收到的光满足相干条件，两望远镜收集到信号的处理中心相当于光屏上的P点。设某时刻P点到S1、S2距离相等，S到S1、S2的距离也相等，当S2向上远离S1时，下列说法正确的有________。
图8
A.P点接收到的信号先变强
B.P点接收到的信号先变弱
C.干涉条纹间距发生改变
D.干涉条纹间距不变
解析　当光程差为波长的整数倍时，振动加强，表现为亮纹，当光程差为二分之一波长的奇数倍时，振动减弱，表现为暗纹，当S2向上远离S1时，光程差从0变大，所以P点接收到的信号先变弱，选项B正确；根据Δx＝λ，当S2向上远离S1时，即d增大，那么条纹间距变小，故判断选项C正确。
答案　BC