2024高考物理一輪復習第十五單元光學電磁波相對論第2講光的波動性電磁波相對論學案新人教版

PAGE15-第2講光的波動性電磁波相對論考綱考情核心素養(yǎng)?光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象Ⅰ?電磁波的產(chǎn)生Ⅰ?電磁波的放射、傳播和接收Ⅰ?電磁波譜Ⅰ?狹義相對論的基本假設Ⅰ?質能關系Ⅰ試驗：用雙縫干涉測光的波長?光的衍射、光的干涉、光的偏振、電磁波．?麥克斯韋電磁理論、狹義相對論.物理觀念全國卷5年3考高考指數(shù)★★★★☆?用雙縫干涉測光的波長.科學思維學問點一光的干涉、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)明條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，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：單色光照耀時形成明暗相間的等間距的干涉條紋；白光照耀時，中心為白色亮條紋，其余為彩色條紋．2．光的衍射(1)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．(2)衍射條紋的特點(如圖所示)直觀情景3.光的偏振(1)偏振現(xiàn)象：橫波只沿某一特定方向振動，稱為波的偏振現(xiàn)象．(2)自然光通過偏振片后，就得到了偏振光.直觀情景學問點二電磁場和電磁波1．麥克斯韋電磁場理論與電磁場如圖所示：變更的磁場產(chǎn)生電場，變更的電場產(chǎn)生磁場；變更的電場和磁場總是相互聯(lián)系成為一個完整的整體，這就是電磁場．2．電磁波(1)產(chǎn)生：電磁場(電磁能量)由近及遠地向四周傳播形成電磁波．(2)電磁波的性質①電磁波是橫波(選填“縱波”或“橫波”)，在空間傳播不須要介質．②真空中電磁波的速度為光速．③公式v＝λf對電磁波同樣適用．④電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象．學問點三相對論1．狹義相對論的兩個基本假設(1)狹義相對論原理：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＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)).(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＝mc2.1．思索推斷(1)只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉．(√)(2)在雙縫干涉試驗中，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．(×)2.(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．視察光束經(jīng)過細絲后在光屏上所產(chǎn)生的條紋即可推斷細絲粗細的變更，下列敘述中正確的是(AD)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．假如屏上條紋變窄，表明抽制的絲變粗D．假如屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細解析：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，條紋間距就大，A、D正確．3．(多選)下列關于電磁波的說法正確的是(ABE)A．麥克斯韋提出了電磁場理論，赫茲用試驗證明了電磁波的存在B．各種電磁波在真空中的傳播速度與光速一樣C．經(jīng)過調(diào)幅后的電磁波是橫波，經(jīng)過調(diào)頻后的電磁波是縱波D．紅外線是波長比可見光波長還長的電磁波，常用于醫(yī)院和食品消毒E．電磁波由真空進入介質，速度變小，頻率不變解析：麥克斯韋提出了電磁場理論，赫茲用試驗證明了電磁波的存在，選項A正確；各種電磁波在真空中的傳播速度為c＝3×1084．(多選)在狹義相對論中，下列說法正確的是(ABC)A．一切運動物體相對于視察者的速度都不能大于真空中的光速B．質量、長度、時間的測量結果都是隨物體與視察者的相對運動狀態(tài)而變更的C．慣性系中的視察者，視察一個與他做相對運動的時鐘時，會看到這個時鐘比與他相對靜止的相同的時鐘走得慢些D．大型粒子加速器能夠將帶電粒子加速至光速的99.9%，假如接著加速，粒子的速度將超過光速解析：依據(jù)狹義相對論的速度變換公式可知，光速是物體的極限速度，選項A正確；由質量相對性、長度相對性和時間間隔的相對性可知，選項B、C均正確；光速為極限速度，任何速度都不能超過真空中的光速，選項D錯誤．5．一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c(cA．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c解析：依據(jù)狹義相對論，在靜止的視察者看來，沿自身長度方向運動的桿縮短．而光速相對于任何慣性系來說總是不變，故選項B正確．考點1光的干涉題型1雙縫干涉(1)條紋間距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ，對同一雙縫干涉裝置，光的波長越長，干涉條紋的間距越大．(2)明暗條紋的推斷方法：如圖所示，相干光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點的路程差為Δr＝r2－r1.當Δr＝kλ(k＝0,1,2，…)時，光屏上P′處出現(xiàn)明條紋．當Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2…)時，光屏上P′處出現(xiàn)暗條紋．1．(多選)在雙縫干涉試驗中，用綠色激光照耀在雙縫上，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(ACD)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E．將光源向遠離雙縫的位置移動解析：雙縫干涉的條紋間距公式為Δx＝eq\f(L,d)λ，其中L是雙縫到屏幕的距離，d是雙縫間距，λ是入射光的波長，要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可以改用波長更長的紅色激光，或僅減小d或僅增大L，故A、C、D正確．2.如圖所示，用頻率為f的單色光(激光)垂直照耀雙縫，在光屏的P點出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的距離之差|r1－r2|應為(D)A.eq\f(c,2f) B.eq\f(3c,2f)C.eq\f(3c,f) D.eq\f(5c,2f)解析：出現(xiàn)第3條暗條紋，說明S1、S2到P點距離之差為eq\f(λ,2)×(2n－1)＝eq\f(λ,2)(2×3－1)＝eq\f(5,2)λ，而λ＝eq\f(c,f)，所以|r1－r2|＝eq\f(5,2)λ＝eq\f(5c,2f)，故D項正確．題型2薄膜干涉(1)形成緣由：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．光照耀到薄膜上時，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)明暗條紋的推斷方法：兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr，等于薄膜厚度的2倍．在P1、P2處，Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出現(xiàn)明條紋．在Q處，Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋．3．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)隨意一條亮條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)隨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，從上往下視察到的干涉條紋(A)A．變疏B．變密C．不變D．消逝解析：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．4.一個半徑較大的透亮玻璃球體，截取其下面的一部分，然后將這一部分放到標準的水平面上，現(xiàn)讓單色光豎直射向截面，如圖所示，在反射光中看到的是(B)A．平行的明暗相間的直干涉條紋B．環(huán)形的明暗相間的干涉條紋C．只能看到同顏色的平行反射光D．一片黑暗考點2用雙縫干涉試驗測量光的波長1．試驗原理單色光通過單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，圖樣中相鄰兩條亮(暗)條紋間的距離Δx與雙縫間的距離d、雙縫到屏的距離l、單色光的波長λ之間滿意λ＝eq\f(dΔx,l).2．試驗步驟(1)安裝儀器①將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖所示．②接好光源，打開開關，使白熾燈正常發(fā)光．調(diào)整各部件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達光屏．③安裝單縫和雙縫，中心位于遮光筒的軸線上，使雙縫和單縫相互平行．(2)視察與記錄①調(diào)整單縫與雙縫間距為幾厘米時，視察白光的干涉條紋．②在單縫和光源間放上濾光片，視察單色光的干涉條紋．③調(diào)整測量頭，使分劃板中心刻度線對齊第1條亮條紋的中心，登記手輪上的示數(shù)a1；轉動手輪，使分劃板向一側移動，當分劃板中心刻度線與第n條亮條紋中心對齊時，登記手輪上的示數(shù)a2，則相鄰兩亮條紋間的距離Δx＝eq\f(|a1－a2|,n－1).④換用不同的濾光片，測量其他色光的波長．1．(2024·全國卷Ⅱ)某同學利用圖示裝置測量某種單色光的波長．試驗時，接通電源使光源正常發(fā)光；調(diào)整光路，使得從目鏡中可以視察到干涉條紋．回答下列問題：(1)若想增加從目鏡中視察到的條紋個數(shù)，該同學可B；A．將單縫向雙縫靠近B．將屏向靠近雙縫的方向移動C．將屏向遠離雙縫的方向移動D．運用間距更小的雙縫(2)若雙縫的間距為d，屏與雙縫間的距離為l，測得第1條暗條紋到第n條暗條紋之間的距離為Δx，則單色光的波長λ＝eq\f(d·Δx,n－1l)；(3)某次測量時，選用的雙縫的間距為0.300mm，測得屏與雙縫間的距離為1.20m，第1條暗條紋到第4條暗條紋之間的距離為7.56mm.則所測單色光的波長為630nm(結果保留3位有效數(shù)字)．解析：(1)若想增加從目鏡中視察到的條紋個數(shù)，須要減小條紋間距，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，須要減小雙縫到屏的距離l或增大雙縫間的距離d，故B項正確，A、C、D項錯誤．(2)由題意可知，eq\f(Δx,n－1)＝eq\f(l,d)λ?λ＝eq\f(d·Δx,n－1l).(3)將已知條件代入公式解得λ＝630nm.2．在“用雙縫干涉測光的波長”試驗中，試驗裝置如圖所示．(1)某同學以線狀白熾燈為光源，對試驗裝置進行調(diào)整并視察了試驗現(xiàn)象后，總結出以下幾點：A．燈絲與單縫和雙縫必需平行放置B．干涉條紋與雙縫垂直C．干涉條紋的疏密程度與單縫寬度有關D．干涉條紋的間距與光的波長有關以上幾點中，你認為正確的是AD.(2)當測量頭中的分劃板中心刻線對齊某條紋的中心時，手輪上的示數(shù)如圖甲所示，其讀數(shù)為0.700mm(3)假如測量頭中的分劃板中心刻線與干涉條紋不在同一方向上，如圖乙所示．則在這種狀況下來測量干涉條紋的間距Δx時，測量值大于(選填“大于”“小于”或“等于”)實際值．解析：(1)為了獲得清楚的干涉條紋，A正確．由干涉現(xiàn)象可知干涉條紋與雙縫平行，B錯誤．干涉條紋的間距Δx＝eq\f(l,d)λ與單縫寬度無關，C錯誤，D正確．(2)手輪的讀數(shù)為0.5mm＋20.0×0.01mm＝0.700mm.(3)條紋與分劃板不平行時，實際值Δx實＝Δx測cosθ，θ為條紋與分劃板間的夾角，故Δx實<Δx測．名師點睛光波波長很小，Δx、L的測量對波長λ的影響很大.L用毫米刻度尺測量，Δx用測量頭上的游標尺測量.試驗時可測多條亮條紋間距求Δx及采納多次測量求λ的平均值法減小誤差.應留意：1干涉條紋應調(diào)整到最清楚的程度；2Δx不是亮暗條紋的寬度；3分劃板刻線應與干涉條紋平行，中心刻線應恰好位于條紋中心；4測量多條亮條紋間的距離時，此間距中的條紋數(shù)應精確.考點3光的衍射和偏振題型1光的衍射1．波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯．在任何狀況下都可以發(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”只是一種特別狀況，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．3．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像的原理，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．1.如圖所示，當用激光照耀直徑小于激光束的不透亮圓盤時，在圓盤后屏上的陰影中心出現(xiàn)了一個亮斑．這是光的衍射(填“干涉”“衍射”或“直線傳播”)現(xiàn)象，這一試驗支持了光的波動說(填“波動說”“微粒說”或“光子說”)．2．如圖所示，A、B兩幅圖是由同一束單色光分別入射到圓孔而形成的圖樣，其中圖A是光的衍射(選填“干涉”或“衍射”)圖樣．由此可以推斷出圖A所對應的圓孔的半徑小于(選填“大于”或“小于”)圖B所對應的圓孔的孔徑．解析：A中出現(xiàn)明暗相間的條紋，B中出現(xiàn)圓形亮斑．只有孔的尺寸比光波波長小或跟光波波長相差不多時，才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象．圖A是光的衍射圖樣，所以圖A對應的圓孔的孔徑比圖B所對應的圓孔的孔徑?。畧DB的形成可以用光的直線傳播說明．名師點睛單縫衍射與雙縫干涉的比較題型2光的偏振1．自然光與偏振光的比較類別自然光(非偏振光)偏振光光的來源從一般光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿隨意方向，且沿各個方向振動的光的強度相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿特定方向2.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、消退車燈眩光等．3．(多選)光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波．下列現(xiàn)象中能反映光的偏振特性的是(ABC)A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉其中一個偏振片，透射光的強度發(fā)生變更B．一束自然光入射到兩種介質的分界面上，當反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90°時，反射光是偏振光C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機鏡頭前裝上偏振濾光片可以使景象更清楚D．通過手指間的縫隙視察日光燈，可以看到彩色條紋解析：在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個特定方向振動的光是偏振光，選項A、B反映了光的偏振特征，C是偏振現(xiàn)象的應用，D是光的衍射現(xiàn)象．4．(多選)關于光的偏振，下列說法正確的是(ABD)A．自然光通過偏振片后，就得到了偏振光B．拍攝水面下的景物時，加偏振片可使像更清楚C．全部的波都具有偏振現(xiàn)象D．立體電影是應用光的偏振的一個實例E．自然光射到兩種介質的界面上，折射光是偏振光，反射光不是偏振光解析：自然光通過偏振片后，從而得到在某一方向振動的光，這就是偏振光，故A項正確；拍攝水面下的景物時，為防止反射光，所以在照相機鏡頭前裝一個偏振片可減弱水面反射光的影響，故B項正確；只有橫波才能發(fā)生光的偏振現(xiàn)象，故C項錯誤；立體電影的制作利用了光的偏振現(xiàn)象，放映的時候也是用雙鏡頭放映機，其中每個鏡頭前放有偏振方向不同的偏振光片，觀眾戴的眼鏡上也有相對應方向的偏振光片，這樣每只眼睛就只能看到一個鏡頭所投影的圖象，故D項正確；自然光是在垂直于傳播方向上的沿一切方向振動且各個方向振動的光波強度都相同，透過一個偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個偏振片后仍是偏振光，故E項錯誤．考點4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、傳播方向兩兩垂直，如圖所示．(2)電磁波譜的特性及應用3.電磁波與機械波的比較電磁波機械波產(chǎn)生由周期性變更的電場、磁場產(chǎn)生由質點(波源)的振動產(chǎn)生波的特點橫波縱波或橫波波速在真空中等于光速(很大)，c＝3×108在空氣中不大(如聲波波速在空氣中一般為340m/s)是否需要介質不須要介質(在真空中仍可傳播)必需有介質(真空中不能傳播)能量傳播電磁能機械能1．(多選)下列說法正確的是(BCD)A．依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，在變更的電場四周肯定產(chǎn)生變更的磁場，在變更的磁場四周肯定產(chǎn)生變更的電場B．放射電磁波的兩個重要條件是采納高頻和開放性LC電路C．機械波和電磁波都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D．機械波的傳播依靠于介質，而電磁波可以在真空中傳播E．電磁波只能在真空中傳播，因此當電磁波遇到介質時，會被介質攔住解析：在勻稱變更的電場四周產(chǎn)生恒定的磁場，在勻稱變更的磁場四周產(chǎn)生恒定的電場，選項A錯誤；放射電磁波時必需采納高能量且要有盡可能大的空間傳播電磁波，所以選項B正確；干涉和衍射是波的特性，機械波、電磁波都是波，這些特性都具有，選項C正確；機械波是機械振動在介質中傳播形成的，所以機械波的傳播須要介質，而電磁波是交替變更的電場和磁場由近及遠地傳播形成的，所