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第2讲　光的波动性　电磁波　相对论
考纲考情 核心素养
?光的干涉、衍射和偏振现象Ⅰ ?电磁波的产生Ⅰ
?电磁波的发射、传播和接收Ⅰ
?电磁波谱Ⅰ
?狭义相对论的基本假设Ⅰ
?质能关系Ⅰ
实验：用双缝干涉测光的波长 ?光的衍射、光的干涉、光的偏振、电磁波．
?麦克斯韦电磁理论、狭义相对论. 物理观念
全国卷5年3考 高考指数★★★★☆ ?用双缝干涉测光的波长. 科学思维
　　　　　　　　　　　　　　　　
知识点一　　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，出现明条纹，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
(1)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．
(2)衍射条纹的特点(如图所示)
直观情景
3.光的偏振
(1)偏振现象：横波只沿某一特定方向振动，称为波的偏振现象．
(2)自然光通过偏振片后，就得到了偏振光.
直观情景
知识点二　　电磁场和电磁波
1．麦克斯韦电磁场理论与电磁场
如图所示：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场；变化的电场和磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场．
2．电磁波
(1)产生：电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波．
(2)电磁波的性质
①电磁波是横波(选填“纵波”或“横波”)，在空间传播不需要介质．
②真空中电磁波的速度为光速．
③公式v＝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．
知识点三　　　相对论
1．狭义相对论的两个基本假设
(1)狭义相对论原理：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.
1．思考判断
(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉．(　√　)
(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．(　×　)
(3)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．(　×　)
(4)自然光是偏振光．(　×　)
(5)无线电波不能发生干涉和衍射现象．(　×　)
(6)波长不同的电磁波在本质上完全不同．(　×　)
(7)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的．(　×　)
2.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同．观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是(　AD　)
A．这里应用的是光的衍射现象
B．这里应用的是光的干涉现象
C．如果屏上条纹变窄，表明抽制的丝变粗
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细
解析：由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，A、D正确．
3．(多选)下列关于电磁波的说法正确的是(　ABE　)
A．麦克斯韦提出了电磁场理论，赫兹用实验证实了电磁波的存在
B．各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样
C．经过调幅后的电磁波是横波，经过调频后的电磁波是纵波
D．红外线是波长比可见光波长还长的电磁波，常用于医院和食品消毒
E．电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变
解析：麦克斯韦提出了电磁场理论，赫兹用实验证实了电磁波的存在，选项A正确；各种电磁波在真空中的传播速度为c＝3×108 m/s，与光速相同，选项B正确；电磁波是横波，调频或调幅后的电磁波仍是横波，选项C错误；医院和食品消毒常用的是紫外线，选项D错误；电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变，选项E正确．
4．(多选)在狭义相对论中，下列说法正确的是(　ABC　)
A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速
B．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的
C．惯性系中的观察者，观察一个与他做相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些
D．大型粒子加速器能够将带电粒子加速至光速的99.9%，如果继续加速，粒子的速度将超过光速
解析：根据狭义相对论的速度变换公式可知，光速是物体的极限速度，选项A正确；由质量相对性、长度相对性和时间间隔的相对性可知，选项B、C均正确；光速为极限速度，任何速度都不能超过真空中的光速，选项D错误．
5．一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是(　B　)
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：根据狭义相对论，在静止的观察者看来，沿自身长度方向运动的杆缩短．而光速相对于任何惯性系来说总是不变，故选项B正确．
　　　　　　　　　　　　　　　　
考点1　光的干涉
题型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：
如图所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr＝r2－r1.
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．
1．(多选)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样．若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是(　ACD　)
A．改用红色激光
B．改用蓝色激光
C．减小双缝间距
D．将屏幕向远离双缝的位置移动
E．将光源向远离双缝的位置移动
解析：双缝干涉的条纹间距公式为Δx＝λ，其中L是双缝到屏幕的距离，d是双缝间距，λ是入射光的波长，要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可以改用波长更长的红色激光，或仅减小d或仅增大L，故A、C、D正确．
2.如图所示，用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为(　D　)
A. B.
C. D.
解析：出现第3条暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为×(2n－1)＝(2×3－1)＝λ，而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝，故D项正确．
题型2　　薄膜干涉
(1)形成原因：如图所示，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．
(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．
3．劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，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：
(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　)
A．变疏 B．变密
C．不变 D．消失
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．
4.一个半径较大的透明玻璃球体，截取其下面的一部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图所示，在反射光中看到的是(　B　)
A．平行的明暗相间的直干涉条纹
B．环形的明暗相间的干涉条纹
C．只能看到同颜色的平行反射光
D．一片黑暗
考点2　用双缝干涉实验测量光的波长
1．实验原理
单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)条纹间的距离Δx与双缝间的距离d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ＝.
2．实验步骤
(1)安装仪器
①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示．
②接好光源，打开开关，使白炽灯正常发光．调节各部件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏．
③安装单缝和双缝，中心位于遮光筒的轴线上，使双缝和单缝相互平行．
(2)观察与记录
①调整单缝与双缝间距为几厘米时，观察白光的干涉条纹．
②在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹．
③调节测量头，使分划板中心刻度线对齐第1条亮条纹的中心，记下手轮上的示数a1；转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻度线与第n条亮条纹中心对齐时，记下手轮上的示数a2，则相邻两亮条纹间的距离Δx＝.
④换用不同的滤光片，测量其他色光的波长．
1．(2019·全国卷Ⅱ)某同学利用图示装置测量某种单色光的波长．实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹．回答下列问题：
(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可B；
A．将单缝向双缝靠近
B．将屏向靠近双缝的方向移动
C．将屏向远离双缝的方向移动
D．使用间距更小的双缝
(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝；
(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm.则所测单色光的波长为630 nm(结果保留3位有效数字)．
解析：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，需要减小条纹间距，由公式Δx＝λ可知，需要减小双缝到屏的距离l或增大双缝间的距离d，故B项正确，A、C、D项错误．(2)由题意可知，＝λ?λ＝.(3)将已知条件代入公式解得λ＝630 nm.
2．在“用双缝干涉测光的波长”实验中，实验装置如图所示．
(1)某同学以线状白炽灯为光源，对实验装置进行调节并观察了实验现象后，总结出以下几点：
A．灯丝与单缝和双缝必须平行放置
B．干涉条纹与双缝垂直
C．干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关
D．干涉条纹的间距与光的波长有关
以上几点中，你认为正确的是AD.
(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时，手轮上的示数如图甲所示，其读数为0.700 mm.
(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图乙所示．则在这种情况下来测量干涉条纹的间距Δx时，测量值大于(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值．
解析：(1)为了获得清晰的干涉条纹，A正确．由干涉现象可知干涉条纹与双缝平行，B错误．干涉条纹的间距Δx＝λ与单缝宽度无关，C错误，D正确．
(2)手轮的读数为0.5 mm＋20.0×0.01 mm＝0.700 mm.
(3)条纹与分划板不平行时，实际值Δx实＝Δx测cosθ，θ为条纹与分划板间的夹角，故Δx实<Δx测．
名师点睛
光波波长很小，Δx、L的测量对波长λ的影响很大.L用毫米刻度尺测量，Δx用测量头上的游标尺测量.实验时可测多条亮条纹间距求Δx及采用多次测量求λ的平均值法减小误差.应注意：
(1)干涉条纹应调整到最清晰的程度；
(2)Δx不是亮(暗)条纹的宽度；
(3)分划板刻线应与干涉条纹平行，中心刻线应恰好位于条纹中心；
(4)测量多条亮条纹间的距离时，此间距中的条纹数应准确.
考点3　光的衍射和偏振
题型1　　光的衍射
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．
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．
1.如图所示，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑．这是光的衍射(填“干涉”“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的波动说(填“波动说”“微粒说”或“光子说”)．
2．如图所示，A、B两幅图是由同一束单色光分别入射到圆孔而形成的图样，其中图A是光的衍射(选填“干涉”或“衍射”)图样．由此可以判断出图A所对应的圆孔的半径小于(选填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径．
解析：A中出现明暗相间的条纹，B中出现圆形亮斑．只有孔的尺寸比光波波长小或跟光波波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象．图A是光的衍射图样，所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小．图B的形成可以用光的直线传播解释．
名师点睛
单缝衍射与双缝干涉的比较
题型2　　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．
3．(多选)光的偏振现象说明光是横波．下列现象中能反映光的偏振特性的是(　ABC　)
A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化
B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光
C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰
D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹
解析：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特征，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象．
4．(多选)关于光的偏振，下列说法正确的是(　ABD　)
A．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光
B．拍摄水面下的景物时，加偏振片可使像更清晰
C．所有的波都具有偏振现象
D．立体电影是应用光的偏振的一个实例
E．自然光射到两种介质的界面上，折射光是偏振光，反射光不是偏振光
解析：自然光通过偏振片后，从而得到在某一方向振动的光，这就是偏振光，故A项正确；拍摄水面下的景物时，为防止反射光，所以在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响，故B项正确；只有横波才能发生光的偏振现象，故C项错误；立体电影的制作利用了光的偏振现象，放映的时候也是用双镜头放映机，其中每个镜头前放有偏振方向不同的偏振光片，观众戴的眼镜上也有相对应方向的偏振光片，这样每只眼睛就只能看到一个镜头所投影的图象，故D项正确；自然光是在垂直于传播方向上的沿一切方向振动且各个方向振动的光波强度都相同，透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后仍是偏振光，故E项错误．
考点4　电磁场和电磁波
1．对麦克斯韦电磁场理论的理解
2．对电磁波的理解
(1)电磁波是横波．电磁波的电场、磁场、传播方向两两垂直，如图所示．
(2)电磁波谱的特性及应用
3.电磁波与机械波的比较
电磁波 机械波
产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点(波源)的振动产生
波的特点 横波 纵波或横波
波速 在真空中等于光速(很大)，c＝3×108 m/s 在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340 m/s)
是否需 要介质 不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播)
能量传播 电磁能 机械能
1．(多选)下列说法正确的是(　BCD　)
A．根据麦克斯韦的电磁场理论，在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
B．发射电磁波的两个重要条件是采用高频和开放性LC电路
C．机械波和电磁波都能发生干涉和衍射现象
D．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播
E．电磁波只能在真空中传播，因此当电磁波遇到介质时，会被介质挡住
解析：在均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，在均匀变化的磁场周围产生恒定的电场，选项A错误；发射电磁波时必须采用高能量且要有尽可能大的空间传播电磁波，所以选项B正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，这些特性都具有，选项C正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远地传播形成的，所以电磁波传播不需要介质，选项D正确；电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，选项E错误．
2．(多选)关于电磁波谱，下列说法不正确的是(　BDE　)
A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波
B．紫外线的频率比可见光的低，长时间照射可以促进钙的吸收，改善身体健康
C．X射线和γ射线的波长比较短，穿透力比较强
D．红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线
E．频率越高的电磁波在真空中传播的速度越快
解析：无线电波的波长长，易发生衍射现象，A正确；紫外线的频率比可见光的高，B错误；X射线和γ射线的波长比较短，其穿透力强，常用于人体拍片和检查金属零件缺陷，故C正确；任何物体都能辐射红外线，D错误；不同频率的电磁波在真空中传播速度相同，E错误．
3．(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　ABC　)
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关
B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波
C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直
D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输
E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失
解析：电磁波在真空中传播速度不变，与频率无关，选项A正确；电磁波由周期性变化的电场和变化的磁场互相激发得到，选项B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，选项C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，选项D错误；电磁波具有能量，电磁振荡停止后，已形成的电磁波仍会在介质或真空中继续传播，选项E错误．
名师点睛

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