第4节光的波动性电磁波相对论

第4节光的波动性电磁波相对论教材梳理·自主预习考点研析·感悟提升一、光的干涉1.产生条件:两列光的

相同,振动方向

,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的干涉图样.2.两种典型的干涉(1)双缝干涉图样特点:单色光照射时,形成明暗相间的条纹,中央为明条纹;白光照射时,光屏上出现

条纹,中央为

条纹.(2)薄膜干涉①相干光:光照射到透明薄膜上,从薄膜的两个表面

的两列光波.知识梳理教材梳理·自主预习频率相同彩色白色反射②图样特点:同双缝干涉,同一条亮(或暗)纹对应薄膜的

相等.单色光照射薄膜时形成

的条纹,白光照射薄膜时,形成彩色条纹.二、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

,甚至比光的波长

的时候,衍射现象才会明显.厚度明暗相间相差不多还小2.衍射条纹的特点(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较.单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹,两侧为

的条纹,越靠外,亮条纹的亮度

,宽度

.①当该单色光波长一定时,单缝越窄,屏上中央亮纹越宽,并且条纹间距越大.②单缝一定,光的波长越大,中央亮纹越宽,条纹间距越大①中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着

的同心圆环,且越靠外,圆形亮纹的亮度

,宽度

.②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而

.白光中央为亮且宽的白色条纹,两侧为亮度

、宽度

的彩色条纹,其中最靠近中央的色光是紫光,离中央最远的是红光中央是大且亮的白色亮斑,周围是不等间距的彩色的

.明暗相间越弱越小明暗相间越弱越小减小逐渐变暗逐渐变窄同心圆环(2)泊松亮斑(圆盘衍射):当光照到

的半径很小的小圆盘上时,在圆盘的阴影中心出现

(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环).三、光的偏振1.自然光:太阳、电灯等普通光源发出的光,包含着在垂直于传播方向上沿

振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的

都相同,这种光叫做自然光.2.偏振光:在

于传播方向的平面上,只沿某个特定方向振动的光.光的偏振证明光是

.四、电磁波的产生、发射和接收1.麦克斯韦电磁场理论:变化的磁场产生

,变化的电场产生

.不透明亮斑一切方向垂直横波电场磁场强度2.电磁波:电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波.(1)电磁波是横波,在空间传播

介质.(2)电磁波的速度v,波长λ和频率f之间关系:v=

.(3)电磁波能产生反射、折射、

和衍射等现象.3.发射电磁波的条件(1)要有足够高的

.(2)电路必须

,使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间.4.调制:有

和

两种方法.不需要λf干涉振荡频率开放调幅调频5.电磁波的接收(1)当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率

时,接收电路中产生的振荡电流

,这就是电谐振现象.(2)使接收电路产生电谐振的过程叫做

,能够调谐的接收电路叫做

电路.(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程叫做

,检波是

的逆过程,也叫做

.五、电磁波谱按电磁波的波长从长到短分布是

、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线,形成电磁波谱.其中红外线的热效应比较明显,紫外线的化学效应和

效应比较明显.相同最强调谐调谐检波调制解调无线电波荧光六、相对论简介1.狭义相对论的两个基本假设(1)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

.(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

,光速与光源、观察者间的相对运动没有关系.2.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=

.相同的相同的mc2大于小题检测1.思考判断(1)自然光是偏振光.(

)×(2)阳光下茂密的树阴中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的.(

)(3)无线电波不能发生干涉和衍射现象.(

)(4)在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光发生色散.(

)(5)光的双缝干涉实验中,若仅将入射光从红光改为紫光,则相邻亮条纹间距一定变小.(

)(6)波长不同的电磁波在本质上完全不同.(

)×××√×2.(多选)下列关于光的说法中正确的是(

)A.雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的B.“和谐号”动车组高速行驶时,地面上测得其车厢长度将明显变短C.在双缝干涉实验中,用红光代替黄光作为入射光可增大干涉条纹的间距D.白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的,其原因是不同色光的波长不同E.泊松亮斑证明了光沿直线传播,支持了光的微粒学说ACD解析:雨后彩虹是由于太阳光入射到水滴中发生折射形成的,故A正确;“和谐号”动车组高速行驶时,其速度远小于光速c,故狭义相对论的“尺缩效应”不明显,车厢长度不会明显变短,故B错误;在双缝干涉实验中,用红光代替黄光后,波长变长,则导致干涉条纹的间距增大,故C正确;白光通过双缝后产生干涉,因波长不一,导致干涉条纹间距不同,从而出现彩色条纹,故D正确;泊松亮斑反映了光线绕过圆盘后在中央背影中叠加成亮斑,恰证明了光的波动学说,故E错误.3.(多选)下列说法中正确的是(

)A.对于同一障碍物,波长越大的光波越容易绕过去B.白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的一种干涉现象C.红光由空气进入水中,波长变长,故光子能量降低D.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的干涉E.不管光源与观察者是否存在相对运动,观察者观察到的光速是不变的ADE解析:对于同一障碍物,它的尺寸d不变,波长λ越长的光越容易满足d≤λ,会产生明显的衍射现象.越容易绕过障碍物,所以A项正确.白光通过三棱镜出现彩色条纹是光的色散现象,B项错误.红光从空气进入水中,由v=λf得,频率f不变,波速v变小,波长λ变小,但能量由ε=hf知不变,所以C项错误.检查平面的平整度是利用了光的干涉,所以D项正确.由光速不变原理知,E项正确.4.某防空雷达发射的电磁波频率为f=3×103MHz,屏幕上尖形波显示,从发射到接收经历时间Δt=0.4ms,那么被监视的目标到雷达的距离为

km;该雷达发出的电磁波的波长为

m.

答案:600.1考点一光的干涉现象考点研析·感悟提升1.光的双缝干涉现象(1)明暗条纹的判断方法①如图所示,光源S1,S2发出的光到屏上P点的路程差r2-r1=kλ(k=0,1,2,…)时,光屏上出现明条纹.2.薄膜干涉(1)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①在P1,P2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍,即Δr=nλ(n=0,1,2,…),薄膜上出现明条纹.(3)薄膜干涉的应用:干涉法检查平面如图所示,两板之间形成一楔形空气膜,用单色光从上向下照射,若被检平面是平整光滑的,会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检平面不平整,则干涉条纹发生弯曲.[例1]如图所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1,S2距离之差为2.1×10-6m,分别用A,B两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹?(1)已知A光在折射率为1.5的介质中波长为4×10-7m;答案:(1)暗条纹(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°;答案:(2)亮条纹(3)若让A光照射S1,B光照射S2,试分析光屏上能观察到的现象.答案:(3)见解析解析:(3)若让A光照射S1,B光照射S2,由于A,B光的频率不同,这时既不能发生干涉,也不发生衍射,此时在光屏上只能观察到亮光.1.(薄膜干涉)(多选)如图(甲)所示,在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单一波长的光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到如图(乙)所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹,称为牛顿环,以下说法正确的是(

)A.干涉现象是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的B.干涉现象是由凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的E.若使用半径小一些的凸薄透镜,则干涉条纹的间距要变大ACE题组训练解析:由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜,所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面,故A正确,B错误;由于凸透镜的下表面是圆弧面,所以形成的薄膜厚度不是均匀变化的,形成不等间距的干涉条纹,故C正确,D错误;若使用半径小一些的凸薄透镜,则空气薄膜上的厚度变化更快,则形成的干涉条纹的间距要变大,故E正确.2.(双缝干涉)(2019·湖北武汉调研)如图所示,挡板上有两条狭缝S1和S2,它们到光屏上P1点的路程差为1.5×10-6m,S1,S2连线的中垂线与光屏的交点为O,P1与P2点关于O点对称.用波长为600nm的单色光照射狭缝S1和S2,则P1点为

(选填“亮条纹”或“暗条纹”),点P1与P2之间共有

条亮条纹.

答案:暗条纹5考点二光的衍射和偏振现象1.对光的衍射的理解(1)衍射是波的特征,波长越长,衍射现象越明显.任何情况下都可以发生衍射现象,只有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.2.自然光和偏振光的比较自然光(非偏振光)偏振光光的来源直接从光源发出的光(1)自然光通过起偏器后的光(2)自然光经过反射或折射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[例2]

(多选)关于光的衍射现象,下面说法正确的是(

)A.红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B.白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹C.光照到不透明小圆盘上后,在其后方阴影中央出现泊松亮斑,说明发生衍射D.光照到较大圆孔上出现大光斑,说明光沿直线传播,不存在光的衍射E.在单缝衍射中增大单缝到屏的距离,衍射条纹变宽ACE解析:红光照到狭缝上产生的衍射图样是红暗相间的直条纹,A正确;白光的衍射图样是彩色条纹,故B错误;光照到不透明圆盘上,在其阴影处出现亮点,是衍射现象,故C正确;光的衍射现象只有明显与不明显之分,D项中屏上大光斑的边缘模糊,正是光的衍射造成的,不能认为不存在光的衍射现象,D错误;增大单缝到屏的距离,衍射条纹变宽,故E正确.[针对训练]

(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(

)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.电子表的液晶显示用到了偏振光原理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影像更清晰D.通过手指间的缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹E.阳光在水面的反射光是自然光ABC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反映了光的偏振特性;选项B,C是偏振现象的应用;选项D是光的衍射现象,选项D错误;阳光在水面的反射光是偏振光,选项E错误.考点三电磁波与相对论1.电磁波的理解(1)不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越小.(3)电磁波与机械波的比较名称项目电磁波机械波不同点产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生本质是物质,是电磁现象,是电磁振荡的传播不是物质,是机械振动在介质中的传播传播机理电磁场交替感应质点间相互作用传播介质不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(真空中不能传播)描述的量电场强度E与磁感应强度B随时间和空间周期性变化质点的位移x、加速度a随时间和空间周期性变化波的种类横波既有横波也有纵波速度特点由介质和频率决定,在真空中等于光速(很大)(c=3×108m/s)仅由介质决定相同点能量都携带能量并传播能量公式v=λf遵循规律均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象(4)电磁波谱的产生机理①无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的.②红外线、可见光、紫外线都是原子的外层电子受到激发后产生的.③X射线是原子的内层电子受到激发后产生的.④γ射线是原子核受到激发产生的.2.相对论(1)对“同时”的相对性的理解①经典的时空观:在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察也是同时的.②相对论的时空观:“同时”具有相对性,即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的.[例3]

(多选)关于电磁振荡与电磁波,下列说法正确的是(

)A.振荡电场和振荡磁场交替产生,相互依存,形成不可分离的统一体,即电磁场B.电磁波可以进行有线传输,也可以实现无线传播C.电磁波和机械波都只能在介质中传播D.因为部分红外线的波长与微波波长相等,故它们都是振荡电路产生的E.麦克斯韦预言电磁波的存在,之后赫兹用实验证明了电磁波的存在ABE解析:振荡电场周围会产生振荡磁场,而振荡磁场周围会产生振荡电场,它们交替产生,相互依存,形成不可分离的统一体,故A正确;电磁波可以进行有线传输,也可以实现无线传播,故B正确;电磁波在真空中也可以传播,C错误;微波是振荡电路产生的,而红外线是由原子的外层电子受到激发产生的,D错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,1886年赫兹用实验验证了电磁波的存在,所以E正确.[针对训练]

(多选)在狭义相对论中,下列说法正确的有(

)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、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关C.时间间隔的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关D.在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件,在其他一切惯性系中也是同时发生的E.不管光源与观察者是否存在相对运动,观察者观察到的光速是不变的ABE解析:根据狭义相对论,光速是速度的极限值,而且是不变的,所以A,E正确;根据狭义相对论,长度、质量、时间间隔都与运动状态有关,且都给出了具体的计算公式,所以B正确,C错误;同时是相对的,D错误.考点四用双缝干涉测量光的波长1.实验原理与操作(2)误差分析①测条纹间距Δx时带来误差.②测量双缝到光屏间距离l时产生误差.(3)注意事项①保证灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒共轴.②保持单缝和双缝平行.[例4](1)(