（课标版 5年高考3年模拟A版）2020年物理总复习 专题十七 光学、电磁波与相对论初步课件

1、专题十七光学、电磁波与相对论初步 高考物理（课标专用）高考物理（课标专用） 考点一光的折射与全反射考点一光的折射与全反射 考点考点清单清单 考向基础考向基础 一、光的折射与全反射一、光的折射与全反射 1.光的折射光的折射 光从一种介质斜射入另一种介质,传播方向发生改变的现象叫做 光的折射。 折射定律:折射光线、入射光线和法线在同一平面内;折射光线、入射 光线分居法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 在折射现象中,光路是可逆的。 2.折射率折射率 (1)定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的 正弦之比,叫做这种介质的折射率。 (2)定义式:n=(1表示真空中光线与法

2、线的夹角,2表示介质 中光线与法线的夹角)。 (3)实验证明:n=(c表示光在真空中的速度,v表示光在介质中的速度)。 特别需要注意的是:任何介质的折射率均大于1。 (4)光密介质与光疏介质(光密介质与光疏介质是相对的)。 1 2 sin sin c v 3.全反射全反射 光从光密介质射到光疏介质的界面上时,全部被反射回原介质的现象称 为全反射现象。 发生全反射的条件: (1)光由光密介质射向光疏介质。 (2)入射角大于或等于临界角。(光从某介质射向真空时临界角 为C=arcsin) 1 n 二、测定玻璃的折射率二、测定玻璃的折射率 实验原理实验原理 用插针法确定光路,找出跟入射光线相对应的折

3、射光线;用量角器测出 入射角i和折射角r;根据折射定律计算出玻璃的折射率n=。 i r sin sin 实验步骤实验步骤 1.把白纸用图钉钉在木板上; 2.在白纸上画一条直线aa作为界面,画一条线段AO作为 入射光线,并过O点画出界面aa的法线NN,如图所示; 3.把玻璃砖放在白纸上,使它的一个边跟aa对齐,并画出玻璃砖的另一个边 bb; 4.在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1和P2; 5.在玻璃砖的bb一侧竖直地插上大头针P3,用眼睛观察,调整视线,要使P3 能同时挡住P1和P2的像; 6.同样地在玻璃砖的bb一侧再竖直地插上大头针P4,使P4能挡住P3本身 和P1、P2的像; 7.记下P

4、3和P4的位置,移去玻璃砖和大头针,过P3和P4作直线OB与bb交于 O,连接O、O,OO就是玻璃砖内的折射光线,入射角i=NOA,折射角r= OON; 8.算出不同入射角时的值。比较一下,看它们是否接近一个常数,求 出几次实验中所测的平均值,这就是玻璃砖的折射率。 i r sin sin i r sin sin 注意事项注意事项 1.玻璃砖要厚,用手拿玻璃砖时,只能接触玻璃毛面或棱,严禁用玻璃砖 当尺子画界面; 2.入射角应在30到60之间; 3.大头针要竖直插在白纸上,且玻璃砖每一侧两枚大头针P1与P2间、P3 与P4间的距离应尽量大一些,以减小确定光路方向时造成的误差; 4.玻璃砖的折射

5、面要画准; 5.由于要多次改变入射角重复实验,所以入射光线与出射光线要一一对 应编号,以免混乱。 考向突破考向突破 考向考向光的折射与全反射光的折射与全反射 全反射的应用全反射的应用光导纤维光导纤维 光 导 纤 维 构 造 由内芯和外套组成,内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与外套 的界面上发生全反射 传播 路径 光纤通信原理光的全反射 方法光也是一种电磁波,也可以像无线电波那样,作为 载体来传递信息。载有声音、图像以及各种数 字信号的激光从光纤的一端输入,就可以传到千 里以外的另一端,实现光纤通信 优点光纤通信的主要优点是容量大。此外,光纤通信 还有衰减小、抗干扰性强等多方面的优点 例例

6、如图所示为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图,玻璃丝长 为L,折射率为n,AB代表端面。已知光在真空中的传播速度为c。 ()为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面,求光线在端面AB 上的入射角应满足的条件; ()求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间。 解析解析()设光线在端面AB上C点(见图)的入射角为i,折射角为r,由折 射定律有sini=nsinr 设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为,为了使该光线可在此光导 纤维中传播,应有 式中,是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角,它满足 nsin=1 由几何关系得 +r=90 由式得 sini ()光在玻璃丝中传播速度的大

7、小为 v= 光速在玻璃丝轴线方向的分量为 vz=v sin 光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为 T= 2 n1 c n z L v 光线在玻璃丝中传播,在刚好发生全反射时,光线从端面AB传播到其另 一端面所需的时间最长,由式得 Tmax= 2 L c n 答案答案()sini() 2 n1 2 Ln c 考点二光的波动性考点二光的波动性 考向基础考向基础 一、光的干涉一、光的干涉 频率相同的两列光波相叠加,某些区域的光加强,某些区域的光减弱,并 且光加强和减弱的区域互相间隔的现象称为光的干涉现象。 1.双缝干涉双缝干涉:在用单色光做双缝干涉实验时,若双缝处两列光的振动情况 完全相同

8、,则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方光加 强,将出现亮条纹;光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数 倍的地方光减弱,将出现暗条纹。 计算表明相邻两条亮条纹(或暗条纹)间的距离x=,在两狭缝 间的距离d和狭缝与屏间的距离l不变的条件下,单色光产生的干涉条纹 l d 间距跟光的波长成正比。在用白光做双缝干涉实验时,光屏上除中央 亮条纹为白色外,两侧均为彩色的干涉条纹。 2.薄膜干涉薄膜干涉:光照射到薄膜上时,薄膜的前、后表面反射的两列光波相叠 加,也可发生干涉现象。若入射光为单色光,可形成明暗相间的干涉条 纹;若入射光为白光,可形成彩色的干涉条纹。 在薄膜干涉中,同一级亮条纹(或暗条纹

9、)出现在膜的厚度相同处,故此种 干涉又常称为等厚干涉。 二、光的衍射二、光的衍射 1.光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象。 2.只有在障碍物的尺寸比光的波长小,或者跟光的波长差不多 的条件下,才能发生明显的衍射现象。著名的泊松亮斑就是典型的 光的衍射现象。 3.单缝衍射图样与双缝干涉图样的区别单缝衍射图样与双缝干涉图样的区别 a.条纹宽度有区别:双缝干涉条纹是等宽的,相邻亮(暗)条纹间的距离是 相等的,而单缝衍射的条纹,中央亮条纹最宽,两侧对称的亮条纹是等宽 的。 b.光强分布不同:双缝干涉条纹如果不考虑距离的远近造成传播上的损 失,每条亮条纹的光强分布是相同的,而单缝衍射

10、条纹的光强分布主要 集中在中央亮条纹,中央亮条纹的光强占整个光强的95%以上。 三、光的偏振三、光的偏振 1.偏振现象偏振现象:横波只沿某一特定方向振动,称为波的偏振现象。 2.自然光自然光:若光源发出的光,包含着在垂直于光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,这种光叫自然光。 3.偏振光偏振光:在垂直于光传播方向的平面上,只沿一个特定方向振动的光, 叫偏振光。 4.光的偏振充分说明光是横波,只有横波才有偏振现象。 除了从光源直接发出的光以外,我们通常见到的大部分光都是不同程度 的偏振光。 四、用双缝干涉测光的波长四、用双缝干涉测光的波长 实验原理实验原理 干涉

11、图样中相邻两条亮(暗)条纹间的距离x与双缝间的距离d、双缝 到屏的距离l、单色光的波长之间满足=,可以求出。 l xd 实验步骤实验步骤 1.把直径约10cm、长约1m的遮光筒水平放在光具座上,筒的一端装有 双缝,另一端装有毛玻璃屏; 2.取下双缝,打开光源,调节光源的高度,使它发出的光束能够沿着遮光 筒的轴线把屏照亮; 3.放好单缝和双缝,单缝和双缝间距离为510cm,使缝相互平行,中心大 致位于遮光筒的轴线上,这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图样; 4.在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的双缝干涉图样; 5.分别改变滤光片和双缝,观察干涉图样的变化; 6.已知双缝间的距离d,测出双缝到屏

12、的距离l,用测量头测出相邻两条亮 (暗)条纹间的距离x,由=计算单色光的波长。为了减小误差,可测 l xd 出n条亮(暗)条纹间的距离a,则x=; 7.换用不同颜色的滤光片,观察干涉条纹间距的变化,并求出相应色光的 波长。 1n a 考向突破考向突破 考向考向光的干涉光的干涉 一、双缝干涉一、双缝干涉 1.影响条纹间距的因素影响条纹间距的因素:相邻亮条纹或相邻暗条纹的间距x与双缝到屏 的距离l成正比,与两狭缝之间的距离d成反比,与光的波长成正比,即 x=。 2.中央位置是亮条纹还是暗条纹的条件中央位置是亮条纹还是暗条纹的条件:双缝到光屏中央距离相等,光程 差为零。如果两光源振动完全一致,中央一

13、定是亮条纹。假如两光源振 动正好相反,则中央为暗条纹。 3.单色光颜色、频率、波长的关系单色光颜色、频率、波长的关系:光的颜色由频率决定,光的频率由光 源决定,在可见光中红光频率最低,紫光频率最高。真空中各色光光速 相同,由c=知,真空中红光波长最大,紫光波长最小。同样条件下,红光 l d 的干涉条纹间距最大,紫光最小。这就是白光干涉条纹中央为白色,两 边出现彩色光带的原因。 例例1如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到 干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以() A.增大S1与S2的间距 B.减小双缝屏到光屏的距离 C.将绿光换为红光 D.将绿光换为紫光 解析

14、解析由双缝干涉条纹间距公式x=可知:增大S1与S2的间距d,x将 减小,A项错误;减小双缝屏到光屏的距离l,x将减小,B项错误;红光波长 大于绿光的波长,变大,x将变大,C项正确;紫光波长小于绿光的波长, 变小,x将变小,D项错误。 l d 答案答案C 二、薄膜干涉二、薄膜干涉 1.成因成因:薄膜前表面和后表面分别反射出来的两列光波的叠加。这两列 波是同一光源发出的、经薄膜前后表面反射的,所以是相干波。由于同 一水平线上的薄膜厚度近似相同,所以干涉后能产生水平的明暗条纹。 2.如果膜的厚度为d,则前后表面的反射光的光程差为2d, (1)当2d是光波半波长的偶数倍时,出现亮条纹; (2)当2d是

15、光波半波长的奇数倍时,出现暗条纹。 3.如果膜的厚度均匀变化,若用单色光照射,相邻的条纹间的距离是相等 的,若用白光照射,则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后增强, 而另一些波长的光反射后减弱,这样薄膜上就出现彩色条纹。 4.光的干涉在技术上的应用光的干涉在技术上的应用 (1)干涉法检查平面 检查精密零件的表面质量好坏:如图所示将被检查平面和放在上面的透 明标准样板的一端垫一薄片,使样板的标准平面和被检查平面间形成一 个楔形空气薄层,单色光从上面照射,入射光在空气层的上、下表面反 射出的两列光波发生干涉,根据干涉条纹的形状来确定零件的表面情 况。 (2)镜片增透膜 在光学元件(透镜、棱镜)

16、的表面涂一层薄膜,当薄膜的厚度是光在薄膜 中波长的1/4时,在薄膜的两个面上的反射光的光程差恰好等于半波长, 因而相互抵消,起到减小反射光、增大透射光强度的作用。 例例2把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上,一端用薄片垫起,构成 空气劈尖,让单色光从上方射入,如图所示,这时可以看到明暗相间的条 纹。下面关于条纹的说法中正确的是() A.干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两面反射形成的两列 光波叠加的结果 B.干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果 C.将上玻璃板平行上移,条纹向着劈尖移动 D.观察薄膜干涉条纹时,应在入射光的另一侧 解析解析根据薄膜干涉的产生原理,上述

17、现象是由空气劈尖膜上下两面反 射的两列光波叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振 动加强,形成亮条纹,所以A项正确,B项错误;因相干光是反射光,故观察 薄膜干涉时,应在入射光的同一侧,故D项错误;条纹的位置与空气膜的 厚度是对应的,当上玻璃板平行上移时,同一厚度的空气膜向劈尖移动, 故条纹向着劈尖移动,故C项正确。 答案答案AC 考点三电磁波、相对论初步考点三电磁波、相对论初步 考向基础考向基础 1.麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论 理论内容变化的磁场能够产生电场,变化的电场能够产生磁场。根据这个理论, 周期性变化的电场和磁场相互联系,交替产生,形成一个不可分割的统 一体,即电

18、磁场 分析解决 (1)变化的磁场产生的电场叫感应电场;变化的电场产生的磁场叫感应 磁场 (2)感应电场与感应磁场的场线都是闭合的曲线,而且相互正交、套连 (3)感应电场的方向可由楞次定律判定,感应磁场的方向可由安培定则 判定 名称特性无线电波红外线可见光紫外线X射线射线 主要作用波动性强、 易发生衍射 热作用视觉 作用 化学作用、 荧光效应、杀菌 穿透作 用 贯穿作用 产生机理振荡电路中自由 电子的周期性运 动 原子外层电子受激发原子的内层电 子受激发 原子核 受激发 真空中的速度都是c=3108m/s 频率小大 同一均匀介质 中速度 大小 备注振荡电路 中产生 一切物 体都能 辐射 由七种

19、色光 组成 一切高温 物体都能 辐射 伦琴射线管中 高速电子流射 至阳极产生 放射性元 素衰变时 产生 2.电磁波的特性电磁波的特性 3.经典时空观与狭义相对论经典时空观与狭义相对论 经典时空观狭义相对论 伽利略 相对性 原理 力学规律在任何惯性系中 都是相同的 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 两个基 本假设 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 如果两个事件在一个参考系中是同时的,在另一个参考 系中也是同时的 在一个参考系中同时的事件在另一个参考系中可能不 同时 同时的 相对性 长度不因观察者是否与被观测物体相对运动而改变 l=l0

20、沿相对运动方向上长度缩短“尺缩效应” 长度的 相对性 某两个事件在不同参考系中时间间隔是相同的 t= “钟慢效应” 时间间隔 的相对性 u=u+v u= 速度变换 物体的质量是不变的 m= 质量 2 1 v c 2 1 v c 2 1 uv u v c 0 2 1 m v c Ek=mv2 Ek=-m0c2 动能 E=mc2质能方程 1 2 2 0 2 1 m c v c 考向突破考向突破 考向考向电磁波电磁波 一、感应电场与静电场一、感应电场与静电场 变化的磁场产生的电场,称之为感应电场,也叫涡旋场,跟前面学过的静 电场一样,处于电场中的电荷受力的作用,且F=qE。 但它们也有显著的区别,最

21、明显的莫过于以下几点: 1.静电场的电场线是非闭合曲线,而感应电场的电场线是闭合曲线; 2.静电场中有电势的概念,而感应电场中无电势的概念; 3.在同一静电场中,电荷运动一周(曲线闭合),电场力做功一定为零,而在 感应电场中,电荷沿闭合线路运动一周,电场力做功不一定为零; 4.静电场的“源”起于“电荷”,而感应电场的“源”起于变化的磁 场。 二、麦克斯韦电磁场理论产生过程的分析二、麦克斯韦电磁场理论产生过程的分析 变化的磁场在周围空间产生电场变化的磁场在周围空间产生电场 实验基础:法拉第电磁感应现象。如图甲所示带有小灯泡的导体环,放 在通有交流电的线圈附近,小灯泡会发光。这是由于穿过导体环的变

22、化 磁场,在环中产生了电场从而驱使电荷运动,形成电流。 变化的磁场产生电场(磁场增强时) 麦克斯韦的推广:没有导体环,变化的磁场在其周围空间同样会产生电 场(图乙)。导体环的作用仅是用来显示电场的存在而已。 (1)均匀变化的磁场产生恒定的电场; (2)非均匀变化的磁场产生变化的电场; (3)振荡磁场产生同频率的振荡电场。 说明说明判断变化的磁场所产生的感应电场的方向可以利用楞次定律。 例例(2014安徽理综,20,6分)英国物理学家麦克斯韦认为,磁场变化时会 在空间激发感生电场。如图所示,一个半径为r的绝缘细圆环水平放置, 环内存在竖直向上的匀强磁场B,环上套一带电荷量为+q的小球。已知 磁感应强度B随时间均匀增加,其变化率为k,若小球在环上运动一周,则 感生电场对小球的作用力所做功的大小是() A.0 B.r2qk C.2r2qk D.r2qk 1 2 解析解析变化的磁场使回路中产生的感生电动势E=S=kr2,则感 生电场对小球的作用力所做的功W=qU=qE=qkr2,选项D正确。 t B t 答案答案D 方法方法 棱镜和光的色散棱镜和光的色散 1.棱镜棱镜 (1)定义:各平面相交的透明体叫做棱镜。通常把横截面为三角形的棱 镜叫做三棱镜。 (2)作用:改变光的传播方向;分光。 2.通过棱镜的光线通过棱