第4節(jié)光的波動性電磁波相對論

第4節(jié)光的波動性電磁波相對論教材梳理·自主預習考點研析·感悟提升一、光的干涉1.產(chǎn)生條件:兩列光的

相同,振動方向

,且具有恒定的相位差,才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣.2.兩種典型的干涉(1)雙縫干涉圖樣特點:單色光照射時,形成明暗相間的條紋,中央為明條紋;白光照射時,光屏上出現(xiàn)

條紋,中央為

條紋.(2)薄膜干涉①相干光:光照射到透明薄膜上,從薄膜的兩個表面

的兩列光波.知識梳理教材梳理·自主預習頻率相同彩色白色反射②圖樣特點:同雙縫干涉,同一條亮(或暗)紋對應薄膜的

相等.單色光照射薄膜時形成

的條紋,白光照射薄膜時,形成彩色條紋.二、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

,甚至比光的波長

的時候,衍射現(xiàn)象才會明顯.厚度明暗相間相差不多還小2.衍射條紋的特點(1)單縫衍射和圓孔衍射圖樣的比較.單縫衍射圓孔衍射單色光中央為亮且寬的條紋,兩側(cè)為

的條紋,越靠外,亮條紋的亮度

,寬度

.①當該單色光波長一定時,單縫越窄,屏上中央亮紋越寬,并且條紋間距越大.②單縫一定,光的波長越大,中央亮紋越寬,條紋間距越大①中央是大且亮的圓形亮斑,周圍分布著

的同心圓環(huán),且越靠外,圓形亮紋的亮度

,寬度

.②亮環(huán)或暗環(huán)間的距離隨圓孔半徑的增大而

.白光中央為亮且寬的白色條紋,兩側(cè)為亮度

、寬度

的彩色條紋,其中最靠近中央的色光是紫光,離中央最遠的是紅光中央是大且亮的白色亮斑,周圍是不等間距的彩色的

.明暗相間越弱越小明暗相間越弱越小減小逐漸變暗逐漸變窄同心圓環(huán)(2)泊松亮斑(圓盤衍射):當光照到

的半徑很小的小圓盤上時,在圓盤的陰影中心出現(xiàn)

(在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)).三、光的偏振1.自然光:太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光,包含著在垂直于傳播方向上沿

振動的光,而且沿著各個方向振動的光波的

都相同,這種光叫做自然光.2.偏振光:在

于傳播方向的平面上,只沿某個特定方向振動的光.光的偏振證明光是

.四、電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射和接收1.麥克斯韋電磁場理論:變化的磁場產(chǎn)生

,變化的電場產(chǎn)生

.不透明亮斑一切方向垂直橫波電場磁場強度2.電磁波:電磁場(電磁能量)由近及遠地向周圍傳播形成電磁波.(1)電磁波是橫波,在空間傳播

介質(zhì).(2)電磁波的速度v,波長λ和頻率f之間關系:v=

.(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、

和衍射等現(xiàn)象.3.發(fā)射電磁波的條件(1)要有足夠高的

.(2)電路必須

,使振蕩電路的電場和磁場分散到盡可能大的空間.4.調(diào)制:有

和

兩種方法.不需要λf干涉振蕩頻率開放調(diào)幅調(diào)頻5.電磁波的接收(1)當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率

時,接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流

,這就是電諧振現(xiàn)象.(2)使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做

,能夠調(diào)諧的接收電路叫做

電路.(3)從經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩中“檢”出調(diào)制信號的過程叫做

,檢波是

的逆過程,也叫做

.五、電磁波譜按電磁波的波長從長到短分布是

、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線,形成電磁波譜.其中紅外線的熱效應比較明顯,紫外線的化學效應和

效應比較明顯.相同最強調(diào)諧調(diào)諧檢波調(diào)制解調(diào)無線電波熒光六、相對論簡介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

.(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

,光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關系.2.質(zhì)能關系:用m表示物體的質(zhì)量,E表示它具有的能量,則愛因斯坦質(zhì)能方程為E=

.相同的相同的mc2大于小題檢測1.思考判斷(1)自然光是偏振光.(

)×(2)陽光下茂密的樹陰中地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的.(

)(3)無線電波不能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象.(

)(4)在雙縫干涉實驗中,雙縫的作用是使白光發(fā)生色散.(

)(5)光的雙縫干涉實驗中,若僅將入射光從紅光改為紫光,則相鄰亮條紋間距一定變小.(

)(6)波長不同的電磁波在本質(zhì)上完全不同.(

)×××√×2.(多選)下列關于光的說法中正確的是(

)A.雨后彩虹是由于太陽光入射到水滴中發(fā)生折射形成的B.“和諧號”動車組高速行駛時,地面上測得其車廂長度將明顯變短C.在雙縫干涉實驗中,用紅光代替黃光作為入射光可增大干涉條紋的間距D.白光通過雙縫后產(chǎn)生的干涉條紋是彩色的,其原因是不同色光的波長不同E.泊松亮斑證明了光沿直線傳播,支持了光的微粒學說ACD解析:雨后彩虹是由于太陽光入射到水滴中發(fā)生折射形成的,故A正確;“和諧號”動車組高速行駛時,其速度遠小于光速c,故狹義相對論的“尺縮效應”不明顯,車廂長度不會明顯變短,故B錯誤;在雙縫干涉實驗中,用紅光代替黃光后,波長變長,則導致干涉條紋的間距增大,故C正確;白光通過雙縫后產(chǎn)生干涉,因波長不一,導致干涉條紋間距不同,從而出現(xiàn)彩色條紋,故D正確;泊松亮斑反映了光線繞過圓盤后在中央背影中疊加成亮斑,恰證明了光的波動學說,故E錯誤.3.(多選)下列說法中正確的是(

)A.對于同一障礙物,波長越大的光波越容易繞過去B.白光通過三棱鏡在屏上出現(xiàn)彩色條紋是光的一種干涉現(xiàn)象C.紅光由空氣進入水中,波長變長,故光子能量降低D.用透明的標準樣板和單色光檢查平面的平整度是利用了光的干涉E.不管光源與觀察者是否存在相對運動,觀察者觀察到的光速是不變的ADE解析:對于同一障礙物,它的尺寸d不變,波長λ越長的光越容易滿足d≤λ,會產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象.越容易繞過障礙物,所以A項正確.白光通過三棱鏡出現(xiàn)彩色條紋是光的色散現(xiàn)象,B項錯誤.紅光從空氣進入水中,由v=λf得,頻率f不變,波速v變小,波長λ變小,但能量由ε=hf知不變,所以C項錯誤.檢查平面的平整度是利用了光的干涉,所以D項正確.由光速不變原理知,E項正確.4.某防空雷達發(fā)射的電磁波頻率為f=3×103MHz,屏幕上尖形波顯示,從發(fā)射到接收經(jīng)歷時間Δt=0.4ms,那么被監(jiān)視的目標到雷達的距離為

km;該雷達發(fā)出的電磁波的波長為

m.

答案:600.1考點一光的干涉現(xiàn)象考點研析·感悟提升1.光的雙縫干涉現(xiàn)象(1)明暗條紋的判斷方法①如圖所示,光源S1,S2發(fā)出的光到屏上P點的路程差r2-r1=kλ(k=0,1,2,…)時,光屏上出現(xiàn)明條紋.2.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.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)明、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=0,1,2,…),薄膜上出現(xiàn)明條紋.(3)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,若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.[例1]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,S2距離之差為2.1×10-6m,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1.5的介質(zhì)中波長為4×10-7m;答案:(1)暗條紋(2)已知B光在某種介質(zhì)中波長為3.15×10-7m,當B光從這種介質(zhì)射向空氣時,臨界角為37°;答案:(2)亮條紋(3)若讓A光照射S1,B光照射S2,試分析光屏上能觀察到的現(xiàn)象.答案:(3)見解析解析:(3)若讓A光照射S1,B光照射S2,由于A,B光的頻率不同,這時既不能發(fā)生干涉,也不發(fā)生衍射,此時在光屏上只能觀察到亮光.1.(薄膜干涉)(多選)如圖(甲)所示,在一塊平板玻璃上放置一平凸薄透鏡,在兩者之間形成厚度不均勻的空氣膜,讓一束單一波長的光垂直入射到該裝置上,結(jié)果在上方觀察到如圖(乙)所示的同心內(nèi)疏外密的圓環(huán)狀干涉條紋,稱為牛頓環(huán),以下說法正確的是(

)A.干涉現(xiàn)象是由凸透鏡下表面反射光和玻璃上表面反射光疊加形成的B.干涉現(xiàn)象是由凸透鏡上表面反射光和玻璃上表面反射光疊加形成的C.干涉條紋不等間距是因為空氣膜厚度不是均勻變化的D.干涉條紋不等間距是因為空氣膜厚度是均勻變化的E.若使用半徑小一些的凸薄透鏡,則干涉條紋的間距要變大ACE題組訓練解析:由于在凸透鏡和平板玻璃之間的空氣形成薄膜,所以形成相干光的反射面是凸透鏡的下表面和平板玻璃的上表面,故A正確,B錯誤;由于凸透鏡的下表面是圓弧面,所以形成的薄膜厚度不是均勻變化的,形成不等間距的干涉條紋,故C正確,D錯誤;若使用半徑小一些的凸薄透鏡,則空氣薄膜上的厚度變化更快,則形成的干涉條紋的間距要變大,故E正確.2.(雙縫干涉)(2019·湖北武漢調(diào)研)如圖所示,擋板上有兩條狹縫S1和S2,它們到光屏上P1點的路程差為1.5×10-6m,S1,S2連線的中垂線與光屏的交點為O,P1與P2點關于O點對稱.用波長為600nm的單色光照射狹縫S1和S2,則P1點為

(選填“亮條紋”或“暗條紋”),點P1與P2之間共有

條亮條紋.

答案:暗條紋5考點二光的衍射和偏振現(xiàn)象1.對光的衍射的理解(1)衍射是波的特征,波長越長,衍射現(xiàn)象越明顯.任何情況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象,只有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.2.自然光和偏振光的比較自然光(非偏振光)偏振光光的來源直接從光源發(fā)出的光(1)自然光通過起偏器后的光(2)自然光經(jīng)過反射或折射后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),光振動沿任意方向,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[例2]

(多選)關于光的衍射現(xiàn)象,下面說法正確的是(

)A.紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋B.白光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋C.光照到不透明小圓盤上后,在其后方陰影中央出現(xiàn)泊松亮斑,說明發(fā)生衍射D.光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑,說明光沿直線傳播,不存在光的衍射E.在單縫衍射中增大單縫到屏的距離,衍射條紋變寬ACE解析:紅光照到狹縫上產(chǎn)生的衍射圖樣是紅暗相間的直條紋,A正確;白光的衍射圖樣是彩色條紋,故B錯誤;光照到不透明圓盤上,在其陰影處出現(xiàn)亮點,是衍射現(xiàn)象,故C正確;光的衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分,D項中屏上大光斑的邊緣模糊,正是光的衍射造成的,不能認為不存在光的衍射現(xiàn)象,D錯誤;增大單縫到屏的距離,衍射條紋變寬,故E正確.[針對訓練]

(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(

)A.一束自然光相繼通過兩個偏振片,以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片,透射光的強度發(fā)生變化B.電子表的液晶顯示用到了偏振光原理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影像更清晰D.通過手指間的縫隙觀察日光燈,可以看到彩色條紋E.陽光在水面的反射光是自然光ABC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反映了光的偏振特性;選項B,C是偏振現(xiàn)象的應用;選項D是光的衍射現(xiàn)象,選項D錯誤;陽光在水面的反射光是偏振光,選項E錯誤.考點三電磁波與相對論1.電磁波的理解(1)不同頻率的電磁波,在同一介質(zhì)中傳播,其速度是不同的,頻率越高,波速越小.(3)電磁波與機械波的比較名稱項目電磁波機械波不同點產(chǎn)生由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生本質(zhì)是物質(zhì),是電磁現(xiàn)象,是電磁振蕩的傳播不是物質(zhì),是機械振動在介質(zhì)中的傳播傳播機理電磁場交替感應質(zhì)點間相互作用傳播介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)描述的量電場強度E與磁感應強度B隨時間和空間周期性變化質(zhì)點的位移x、加速度a隨時間和空間周期性變化波的種類橫波既有橫波也有縱波速度特點由介質(zhì)和頻率決定,在真空中等于光速(很大)(c=3×108m/s)僅由介質(zhì)決定相同點能量都攜帶能量并傳播能量公式v=λf遵循規(guī)律均可發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象(4)電磁波譜的產(chǎn)生機理①無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產(chǎn)生的.②紅外線、可見光、紫外線都是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的.③X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的.④γ射線是原子核受到激發(fā)產(chǎn)生的.2.相對論(1)對“同時”的相對性的理解①經(jīng)典的時空觀:在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件,在另一個慣性系中觀察也是同時的.②相對論的時空觀:“同時”具有相對性,即在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件,在另一個慣性系中觀察就不一定是同時發(fā)生的.[例3]

(多選)關于電磁振蕩與電磁波,下列說法正確的是(

)A.振蕩電場和振蕩磁場交替產(chǎn)生,相互依存,形成不可分離的統(tǒng)一體,即電磁場B.電磁波可以進行有線傳輸,也可以實現(xiàn)無線傳播C.電磁波和機械波都只能在介質(zhì)中傳播D.因為部分紅外線的波長與微波波長相等,故它們都是振蕩電路產(chǎn)生的E.麥克斯韋預言電磁波的存在,之后赫茲用實驗證明了電磁波的存在ABE解析:振蕩電場周圍會產(chǎn)生振蕩磁場,而振蕩磁場周圍會產(chǎn)生振蕩電場,它們交替產(chǎn)生,相互依存,形成不可分離的統(tǒng)一體,故A正確;電磁波可以進行有線傳輸,也可以實現(xiàn)無線傳播,故B正確;電磁波在真空中也可以傳播,C錯誤;微波是振蕩電路產(chǎn)生的,而紅外線是由原子的外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生的,D錯誤;麥克斯韋預言了電磁波的存在,1886年赫茲用實驗驗證了電磁波的存在,所以E正確.[針對訓練]

(多選)在狹義相對論中,下列說法正確的有(

)A.一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速B.質(zhì)量、長度的測量結(jié)果都與物體相對觀察者的相對運動狀態(tài)有關C.時間間隔的測量結(jié)果與物體相對觀察者的運動狀態(tài)無關D.在某一慣性系中發(fā)生于同一時刻、不同地點的兩個事件,在其他一切慣性系中也是同時發(fā)生的E.不管光源與觀察者是否存在相對運動,觀察者觀察到的光速是不變的ABE解析:根據(jù)狹義相對論,光速是速度的極限值,而且是不變的,所以A,E正確;根據(jù)狹義相對論,長度、質(zhì)量、時間間隔都與運動狀態(tài)有關,且都給出了具體的計算公式,所以B正確,C錯誤;同時是相對的,D錯誤.考點四用雙縫干涉測量光的波長1.實驗原理與操作(2)誤差分析①測條紋間距Δx時帶來誤差.②測量雙縫到光屏間距離l時產(chǎn)生誤差.(3)注意事項①保證燈絲、單縫、雙縫、測量頭與遮光筒共軸.②保持單縫和雙縫平行.[例4](1)(