（新課改省份專用）2020版高考物理一輪復習 第十四章 第2節(jié) 光的波動性 電磁波 相對論學案（含解析）.doc

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第2節(jié)　光的波動性　電磁波　相對論 一、光的干涉、衍射和偏振 1．光的干涉 (1)定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強，出現(xiàn)條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)條紋，且加強區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象。 (2)條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定。 (3)雙縫干涉圖樣特點：單色光照射時，形成明暗相間的等間距的干涉條紋；白光照射時，中央為白色亮條紋，其余為彩色條紋。 (4)條紋間距：Δx＝λ，其中l(wèi)是雙縫到光屏的距離，d是雙縫間的距離，λ是入射光波的波長。 2．光的衍射 發(fā)生明顯衍射的條件：只有當障礙物的尺寸與光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象才會明顯。 3．光的偏振 (1)自然光：包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同。 (2)偏振光：在垂直于光的傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光。 (3)偏振光的兩種形成方式 ①讓自然光通過偏振片形成偏振光。 ②讓自然光在兩種介質的界面發(fā)生反射和折射，反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光。 (4)光的偏振現(xiàn)象說明光是一種波。 (5)偏振光的應用：加偏振濾光片的照相機鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消除車燈眩光等。 二、電磁波 1．麥克斯韋電磁場理論 變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場，變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場。 2．電磁波及其傳播 (1)電磁場在空間由近及遠的傳播，形成電磁波。電磁波是橫波。 (2)電磁波的傳播不需要介質，在真空中不同頻率的電磁波傳播速度都等于光速。但在同一介質中，不同頻率的電磁波傳播速度是不同的，頻率越高，波速越(可聯(lián)系v＝理解記憶)。 (3)波速公式：v＝λf，f是電磁波的頻率。 3．電磁波的發(fā)射與接收 (1)發(fā)射電磁波需要開放的高頻振蕩電路，并對電磁波根據(jù)信號的強弱進行調制(兩種方式：調幅、調頻)。 (2)接收電磁波需要能夠產(chǎn)生電諧振的調諧電路，再把信號從高頻電流中解調出來。調幅波的解調也叫檢波。 4．電磁波譜 按照電磁波的頻率或波長的大小順序把它們排列成的譜。按波長由長到短排列的電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。 三、相對論 1．狹義相對論的兩個基本假設 (1)狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 (2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，光速和光源、觀測者間的相對運動沒有關系。 2．質速關系 (1)物體的質量隨物體速度的增加而增大，物體以速度v運動時的質量m與靜止時的質量m0之間有如下關系： m＝。 (2)物體運動時的質量總要大于靜止時的質量m0。 3．質能關系 用m表示物體的質量，E表示它具有的能量，則愛因斯坦質能方程為：E＝mc2。 [深化理解] 1．光發(fā)生干涉現(xiàn)象是有條件的，光發(fā)生衍射現(xiàn)象是沒有條件的，但發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象是有條件的。 2．圓孔衍射和圓盤衍射圖樣最明顯的區(qū)別在于中心的亮斑，前者的較大，后者的很小且有陰影包圍。 3．只有橫波才能發(fā)生偏振現(xiàn)象。 4．不同的電磁波有不同的特性，產(chǎn)生機理也不同，但可能具有相同的頻率。 [基礎自測] 一、判斷題 (1)只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉。(√) (2)在雙縫干涉實驗中，雙縫的作用是使白光變成單色光。() (3)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。() (4)自然光是偏振光。() (5)無線電波不能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。() (6)波長不同的電磁波在本質上完全不同。() (7)真空中的光速在不同慣性參考系中是不同的。() 二、選擇題 1．(多選)下列屬于光的干涉現(xiàn)象的是(　　) 解析：選BC　A項為單縫衍射現(xiàn)象，B、C項為薄膜干涉現(xiàn)象，D項為光的色散現(xiàn)象。 2．關于生活中遇到的各種波，下列說法正確的是(　　) A．電磁波可以傳遞信息，聲波不能傳遞信息 B．手機在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波 C．太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同 D．遙控器發(fā)出的紅外線波長和醫(yī)院“CT”中的X射線波長相同 解析：選B　電磁波、聲波等一切波都可以傳遞能量和信息，A錯誤；手機在通話時需要聲音信號與電信號的相互轉換，電信號以電磁波的形式在空中傳播，B正確；超聲波是聲波，在空氣中傳播速度約為340 m/s，C錯誤；由電磁波譜分布情況可知，紅外線的波長比X射線的波長長，D錯誤。 3．關于狹義相對論的說法，不正確的是(　　) A．狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B．狹義相對論認為在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關 C．狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系 D．狹義相對論在任何情況下都適用 答案：D 高考對本節(jié)內容的考查，主要集中在光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，有時涉及電磁波與相對論知識，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，難度一般。 考點一　光的干涉現(xiàn)象[多維探究類] 考法(一)　雙縫干涉 [例1]　(多選)(2017全國卷Ⅱ改編)在雙縫干涉實驗中，用綠色激光照射在雙縫上，在縫后的屏幕上顯示出干涉圖樣。若要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可選用的方法是(　　) A．改用紅色激光　　 B．改用藍色激光 C．減小雙縫間距 D．將屏幕向遠離雙縫的位置移動 [解析]　由Δx＝λ可知，改用波長更長的激光照射在雙縫上，相鄰亮條紋的間距Δx增大，A項正確，B項錯誤；減小雙縫間距d，相鄰亮條紋的間距Δx增大，C項正確；將屏幕向遠離雙縫的位置移動，增大了屏幕與雙縫的距離l，相鄰亮條紋的間距Δx增大，D項正確。 [答案]　ACD [題型技法]　亮暗條紋的判斷方法 (1)如圖所示，光源S1、S2發(fā)出的光到屏上某點的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)時，光屏上出現(xiàn)亮條紋。 (2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)時，光屏上出現(xiàn)暗條紋。 考法(二)　薄膜干涉 [例2]　劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖甲所示，將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜。當光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示，干涉條紋有如下特點： (1)任意一條亮條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等； (2)任意相鄰亮條紋和暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定。 現(xiàn)若在圖甲的裝置中抽去一張紙片，則當光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋(　　) A．變疏　　　　　　　　 B．變密 C．不變 D．消失 [解析]　如圖所示，若抽去一張紙片，則三角截面空氣層的傾角變小，則干涉條紋變疏，A正確。 [答案]　A [題型技法]　薄膜干涉的理解和應用 (1)形成：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。光照射到薄膜上時，在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。 (2)亮、暗條紋的判斷 ①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。 ②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。 (3)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，如果被檢查平面是平整光滑的，我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢查平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。 [題點全練] 1．[對生活中常見光現(xiàn)象的認識] (多選)在五彩繽紛的大自然中，我們常常會見到一些彩色光的現(xiàn)象，下列現(xiàn)象中屬于光的干涉的是(　　) A．灑水車噴出的水珠在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象 B．小孩兒吹出的肥皂泡在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象 C．雨后天晴馬路上油膜在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象 D．用游標卡尺兩測量爪的狹縫觀察日光燈的燈光出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象 解析：選BC　A屬于光的色散現(xiàn)象；B、C屬于光的薄膜干涉現(xiàn)象；D屬于光的單縫衍射現(xiàn)象。 2.[雙縫干涉中亮、暗條紋的判斷] 如圖所示，在雙縫干涉實驗中，S1和S2為雙縫，P是光屏上的一點，已知P點與S1和S2距離之差為2.110－6 m，今分別用A、B兩種單色光在空氣中做雙縫干涉實驗，問P點是亮條紋還是暗條紋？ (1)已知A光在折射率為n＝1.5的介質中波長為410－7 m； (2)已知B光在某種介質中波長為3.1510－7 m，當B光從這種介質射向空氣時，臨界角為37(sin 37＝0.6，cos 37＝0.8)。 解析：(1)設A光在空氣中波長為λ1，在介質中波長為λ2， 由n＝＝得 λ1＝nλ2＝1.5410－7 m＝610－7 m 根據(jù)路程差Δx＝2.110－6 m 所以N1＝＝＝3.5 由此可知，從S1和S2到P點的路程差Δx是波長λ1的3.5倍，所以P點為暗條紋。 (2)根據(jù)臨界角與折射率的關系sin C＝得 n′＝＝ 由此可知，B光在空氣中波長λ3為 λ3＝n′λ介＝3.1510－7 m＝5.2510－7 m 所以N2＝＝＝4 可見，用B光做光源，P點為亮條紋。 答案：(1)暗條紋　(2)亮條紋 考點二　光的衍射和偏振現(xiàn)象[基礎自修類] [題點全練] 1．[單縫衍射] (多選)抽制高強度纖維細絲可用激光監(jiān)控其粗細，如圖所示，激光束越過細絲時產(chǎn)生的條紋和它通過遮光板的同樣寬度的窄縫規(guī)律相同。觀察光束經(jīng)過細絲后在光屏上所產(chǎn)生的條紋即可判斷細絲粗細的變化，下列敘述中正確的是(　　) A．這里應用的是光的衍射現(xiàn)象 B．這里應用的是光的干涉現(xiàn)象 C．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗 D．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細 解析：選AD　由于是激光束越過細絲即繞過障礙物，所以是光的衍射現(xiàn)象，當抽制的絲變細的時候，絲的直徑較接近激光的波長，條紋間距變寬，A、D正確。 2．[干涉、衍射的圖樣比較] (多選)下列所示的圖片、示意圖大都來源于課本，關于這些圖的判斷中，準確無誤的是(　　) A．甲圖是小孔衍射的圖樣，乙圖為“泊松亮斑” B．甲圖為“泊松亮斑”，乙圖是小孔衍射的圖樣 C．丙圖是雙縫干涉圖樣，丁圖是單縫衍射圖樣 D．丙圖是單縫衍射圖樣，丁圖是雙縫干涉圖樣 解析：選AC　“泊松亮斑”是“小圓盤”產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，形成的衍射圖樣是陰影中心有一個“亮斑”，而小孔衍射的圖樣是中間有“亮斑”，無陰影，選項A正確，B錯誤；丙圖很明顯是雙縫干涉的圖樣，因干涉圖樣中的條紋間距是相等的，單縫衍射圖樣中的條紋間距是不相等的，中間最寬、最亮，丁圖是單縫衍射圖樣，選項C正確，D錯誤。 3．[光的偏振的應用] 奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量。偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關，將α的測量值與標準值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了。如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉動B，使到達O處的光最強，然后將被測樣品P置于A、B之間。 (1)偏振片A的作用是________________________________________________________。 (2)偏振現(xiàn)象證明了光是一種________。 (3)以下說法中正確的是________。 A．到達O處光的強度會明顯減弱 B．到達O處光的強度不會明顯減弱 C．將偏振片B轉動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片B轉過的角度等于α D．將偏振片A轉動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片A轉過的角度等于α 解析：(1)自然光源發(fā)出的光不是偏振光，但當自然光經(jīng)過偏振片后就變成了偏振光，因此偏振片A的作用是把自然光變成偏振光。 (2)偏振現(xiàn)象證明了光是一種橫波。 (3)因為A、B的透振方向一致，故A、B間不放糖溶液時，自然光通過偏振片A后變成偏振光，通過B后到O。當在A、B間加上糖溶液時，由于糖溶液的旋光作用，使通過A的偏振光的振動方向轉動了一定角度，使通過B到達O的光的強度不是最大，但當B轉過一個角度，恰好使透振方向與經(jīng)過糖溶液后的偏振光的振動方向一致時，O處光強又為最強，故B的旋轉角度即為糖溶液的旋光度。若偏振片B不動而將A旋轉一個角度，再經(jīng)糖溶液旋光后光的振動方向恰與B的透振方向一致，則A轉過的角度也為α，故選項A、C、D正確。 答案：(1)把自然光變成偏振光　(2)橫波　(3)ACD [名師微點] 1．單縫衍射與雙縫干涉的比較 單縫衍射 雙縫干涉 不 同 點 條紋寬度 條紋寬度不等，中央最寬 條紋寬度相等 條紋間距 各相鄰條紋間距不等 各相鄰條紋等間距 亮度情況 中央條紋最亮，兩邊變暗 條紋清晰，亮度基本相等 相同點 干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋 2．光的干涉和衍射的本質 光的干涉和衍射都屬于光的疊加，從本質上看，干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理，都可認為是從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波，在屏上疊加形成的。 考點三　電磁波與相對論[基礎自修類] [題點全練] 1．[電磁波的理解] (多選)(2016全國卷Ⅱ改編)關于電磁波，下列說法正確的是(　　) A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關 B．周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波 C．電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強度、磁感應強度均垂直 D．利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸 解析：選ABC　電磁波在真空中的傳播速度等于光速，與電磁波的頻率無關，選項A正確； 周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波，選項B正確；電磁波的傳播方向與電場強度、磁感應強度均垂直，選項C正確；電磁波可以通過光纜傳輸，選項D錯誤。 2.[電磁波的特性] (2016天津高考)如圖所示，我國成功研發(fā)的反隱身先進米波雷達堪稱隱身飛機的克星，它標志著我國雷達研究又創(chuàng)新的里程碑。米波雷達發(fā)射無線電波的波長在1～10 m范圍內，則對該無線電波的判斷正確的是(　　) A．米波的頻率比厘米波頻率高 B．和機械波一樣須靠介質傳播 C．同光波一樣會發(fā)生反射現(xiàn)象 D．不可能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象 解析：選C　由ν＝可知，波長越長，頻率越低，故米波的頻率比厘米波頻率低，選項A錯誤；無線電波是電磁波，它的傳播不須靠介質，選項B錯誤；無線電波與光波一樣具有波的特性，會發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象，選項C正確，D錯誤。 3．[狹義相對論的理解] (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。 [名師微點] LC電路振蕩過程中各量的變化規(guī)律 電路 狀態(tài) 時刻t 0 T 電荷量q 最多 0 最多 0 最多 電場能 最大 0 最大 0 最大 電流i 0 最大 0 最大 0 磁場能 0 最大 0 最大 0 振蕩 規(guī)律 電流i(順時針方向為正)與電容器電荷量q (上極板電荷量)的周期性變化