第2节光的波动性电磁波与相对论

第十三章光与电磁波第2节光的波动性电磁波与相对论目录CONTENT立足“四层”·夯基础着眼“四翼”·探考点锁定“目标”·提素能020301Part01立足“四层”·夯基础⁠一、光的干涉、衍射和偏振1.光的干涉（1）概念：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现

亮条纹

⁠，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

⁠，这种现象称为光的干涉。（2）条件：两束光的频率

相同

⁠、相位差

恒定

⁠。（3）双缝干涉图样的特点：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。

亮条纹

暗条纹

间隔

相同

恒定

等间距

白色

彩色

光屏

双缝

波长

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。相差不多

（2）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

明暗

⁠相间的条纹，且越靠近两侧，亮条纹的亮度

减

⁠，宽度

越小

⁠

（如图甲所示）①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度

越弱

⁠，宽度

减小

⁠

（如图乙所示）②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加而

减小

⁠明暗

减弱越小

越弱

减小

减小

单缝衍射圆孔衍射白光中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度

逐渐变暗

⁠、宽度逐渐

变窄

⁠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同心

圆环

⁠逐渐变暗

变窄

圆环

（3）泊松亮斑（圆盘衍射）当光照射到不透明的

半径很小的小圆盘

⁠上时，在圆盘的阴影中心出现

亮斑

⁠，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。（如图丙所示）半径很小的小圆盘

亮斑

3.光的偏振（1）自然光：包含着在垂直于传播方向上沿

一切方向

⁠振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都

相同

⁠。（2）偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个

特定

⁠的方向振动的光。（3）偏振光的两种形成方式①让自然光通过

偏振片

⁠形成偏振光。②让自然光在两种介质的界面发生反射和

折射

⁠，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。（4）光的偏振现象说明光是一种

横波

⁠。一切方向

相同

特定

偏振片

折射

横波

4.激光是原子激发产生的光，是人工产生的光（1）高度的相干性。可用于传递信息，如光通信，全息照相等。（2）平行度非常好，激光束在相同距离的扩散较小。可用于如精确测距、激光雷达、读盘等。（3）亮度很高，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。可用于如医用激光刀，激光束切割、焊接等。二、电磁波1.麦克斯韦电磁场理论变化的磁场能够在周围空间产生

电场

⁠，变化的电场能够在周围空间产生

磁场

⁠。2.电磁波及其传播（1）

电磁场

⁠在空间由近及远的传播，形成电磁波。电磁波是横波。（2）电磁波的传播不需要

介质

⁠，在真空中不同频率的电磁波的传播速度都等于

光速

⁠。但在同一介质中，不同频率的电磁波的传播速度是

不同

⁠的，频率越高，波速

越小

⁠。（3）波速公式：v＝

λf

⁠，f是电磁波的频率。电场

磁场

电磁场

介质

光速

不同

越小

λf

3.电磁波的发射与接收（1）发射电磁波需要开放的高频振荡电路，并对电磁波根据信号的强弱进行

调制

⁠（两种方式：调幅、调频）。（2）接收电磁波需要能够产生电谐振的调谐电路，再把信号从高频电流中

解调

⁠出来。调幅波的解调也叫

检波

⁠。4.电磁波谱按照电磁波的

频率

⁠或

波长

⁠的大小顺序把它们排列成的谱。按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、

可见光

⁠、紫外线、X射线、γ射线。调制

解调

检波

频率

波长

可见光

三、狭义相对论的两个基本假设1.在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。2.真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。⁠武当山主峰——天柱峰上有一座金殿，常出现雷火炼殿的奇观：在雷雨交加时，屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿屋顶金光灿灿，像被重新洗过一般。（1）阳光在大殿屋顶的反射光不是偏振光。

（

√

）（2）雨过天晴天空出现的彩虹是光的全反射现象。

（

×

）（3）肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的折射现象。

（

×

）（4）雨过天晴天空出现的彩虹与阳光下的肥皂泡呈现彩色的原理是一样的。

（

×

）√×××Part02着眼“四翼”·探考点⁠考点一

光的干涉现象

[多维探究类]考法一

双缝干涉【典例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和S2距离之差为2.1×10－6m，今分别用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n＝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°（sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）。

答案

（2）亮条纹｜解题技法｜亮、暗条纹的判断方法（1）对于两个振动步调一致的光源，如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差：①r2－r1＝kλ（k＝0，1，2…）时，光屏上出现亮条纹。

（2）对于两个振动步调反相的光源，产生亮、暗条纹的条件与上面的正好相反。考法二

薄膜干涉【典例2】

（2023·江苏南通二模）劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图所示，将一块平板玻璃a放置在另一平板玻璃b上，在一端夹入两张纸片，当单色光从上方入射后，从上往下可以看到干涉条纹。则（

）A.干涉条纹是由a、b上表面反射的光叠加产生的B.相邻的暗条纹对应位置下方的空气膜厚度差不同C.若抽去一张纸片，条纹变密D.若某亮条纹发生弯曲，该亮条纹对应位置的空气膜厚度仍相等

答案

D⁠1.（2021·江苏高考）铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置时，肥皂膜上的彩色条纹上疏下密，由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是

（

）解析：C

薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹，在复色光时，出现彩色条纹，若肥皂膜前后表面的厚度从上到下增大的越来越快，则会使干涉条纹的间距上疏下密，故C正确。2.“牛顿环”又称“牛顿圈”，如图甲所示，牛顿环的上表面是半径很大的玻璃球冠的平面，下表面是球冠的凸面，其工作原理为“薄膜干涉”。可以用来判断透镜表面曲率半径和液体折射率等。把牛顿环与玻璃面接触，在日光下或用白光照射时，可以看到明暗相间的彩色圆环；若用单色光照射，则会出现一些明暗相间的单色圆环，如图乙所示。它们是由球面和被检测面上反射的光相互干涉而形成的条纹，这些圆环的分布情况与球冠半径及被测物品的表面情况有关。以下分析正确的是（

）A.圆环的间距大小与球冠半径大小无关B.球冠的半径越大，圆环的间距越小C.若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的D.被检测的面必须是平的解析：C

若将玻璃球冠的半径增大一些，则玻璃球冠与被检测的平面之间的空气膜的厚度的变化减慢，所以形成的同心圆环的间距增大，球冠的半径越大，圆环的间距越大，选项A、B错误；牛顿环实验不仅可以测平面还可以测球面，若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的，选项C正确，D错误。｜解题技法｜薄膜干涉的理解和应用（1）形成：如图甲所示，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）亮、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＝1，2，3，…），薄膜上出现亮条纹。

（3）应用：干涉法检查平面，如图乙所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。考点二

光的衍射和偏振现象

[素养自修类]1.[光的衍射现象]如图为物理学家拍摄的DNA分子的X射线衍射图样，生物学家据此提出DNA的双螺旋结构模型。下列说法中正确的是（

）A.X射线是高速电子流B.X射线的频率比可见光的低C.衍射图样说明了X射线具有粒子性D.拍摄所用X射线的波长与DNA分子大小接近解析：D

X射线是电磁波，故A错误；根据电磁波谱，可知X射线的频率比可见光的高，故B错误；衍射图样说明了X射线具有波动性，故C错误；发生明显衍射的条件是波长与障碍物的尺寸相差不多，所以拍摄所用X射线的波长与DNA分子大小接近，故D正确。2.[干涉、衍射的图样比较]利用图1所示的装置（示意图），观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是（

）图1甲乙图2A.甲对应单缝，乙对应双缝B.甲对应双缝，乙对应单缝C.都是单缝，甲对应的缝宽较大D.都是双缝，甲对应的双缝间距较大解析：A

单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。

根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，故A正确。3.[光的偏振的应用]（2023·江苏省新高考适应性考试）小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光，转动镜片时发现光有强弱变化。下列说法能够解释这一现象的是（

）A.阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用B.阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用C.阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用D.阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用解析：B

发现强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用，故选B。⁠1.单缝衍射与双缝干涉的比较单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2.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。3.光的偏振的理解（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。考点三

电磁波

[素养自修类]1.[电磁波的产生]某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是（

）解析：D

由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时（如A图），由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场时（如B图、C图），会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场（如D图），才会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场……如此交替的产生磁场和电场，便会形成电磁波，故选D。2.[电磁波与机械波的比较]关于机械波与电磁波，下列正确的是（

）A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关B.电磁波可以发生衍射现象和偏振现象C.简谐机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高，则波传播速度越大D.紫外线在水中的传播速度大于红外线在水中的传播速度解析：B

电磁波在真空中的传播速度都等于光速，与电磁波的频率无关，故A错误；衍射现象是波特有的现象，而偏振现象是横波特有的现象，电磁波是一种横波，可以发生衍射现象和偏振现象，故B正确；在同一种均匀介质中传播时，简谐机械波的传播速度相等，故C错误；光在介质中传播，频率越高，传播速度越小，紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度，故D错误。3.[电磁波的应用]电磁波广泛应用在现代医疗中。下列没有应用电磁波的医用器械有（

）A.杀菌用的紫外灯B.拍胸片的X光机C.治疗咽喉炎的超声波雾化器D.测体温的红外体温计解析：C

红外线、紫外线和X光从本质上说都是电磁波；治疗咽喉炎的超声波雾化器用的是超声波，超声波属于机械波。故选C。⁠1.对麦克斯韦电磁场理论的理解2.电磁波与机械波的比较名称项目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c＝3×108m/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3.电磁波的特性及其应用电磁波谱特性应用递变规律无线电波容易发生衍射通信和广播衍射能力减弱直线传播能力增强红外线热效应红外线遥感可见光引起视觉照明等紫外线荧光效应、能杀菌灭菌消毒、防伪X射线穿透能力强医用透视、安检γ射线穿透能力很强工业探伤、医用治疗Part03锁定“目标”·提素能⁠1.（2023·江苏镇江一模）利用微距相机可以拍摄到形状各异的雪花图像（图甲），其中有一种“彩虹”雪花，中间部分有一个夹有空气的薄冰层，呈彩色花纹（图乙），这是由于（

）A.光的干涉B.光的衍射C.光的偏振D.小孔成像解析：A

薄冰中间所夹的空气薄层相当于一层薄膜，光在此空气薄层上形成薄膜干涉，呈现彩色花纹。故选A。2.（2023·江苏南京高三开学考试）图甲所示为研究光的干涉与衍射现象的实验装置，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射在狭缝上，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样（图中阴影部分表示暗条纹）。下列说法正确的是（

）A.图乙是光的双缝干涉图样，图丙是光的衍射图样B.遮住一条狭缝，仅减小另一狭缝的宽度，图丙中亮条纹宽度将减小C.照射双缝时，仅增加L，图乙中相邻亮条纹的中心间距减小D.照射双缝时，若S1、S2到屏上P点的距离差为半波长的奇数倍，P点处是亮条纹

3.（2023·江苏连云港二模）如图，某同学观察肥皂膜干涉现象。将有肥皂膜的铁丝圈挂在酒精灯右侧，在火焰中分别加入不同金属元素，火焰会呈现不同的颜色。下列说法正确的是（

）A.条纹形状是相互平行的竖直线B.从上向下，条纹的间距越来越小C.紫光的条纹数比黄光要少一些D.干涉条纹是由一束反射光和另一束入射光叠加产生的

4.（2023·江苏省南京市、盐城市高三模拟）如图所示的四种明暗相间条纹，是红光、紫光分别通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和通过同一个单缝形成的衍射图样。图中黑色部分代表亮纹，下列四幅图中由红光形成的干涉图样是（

）

5.（2023·江苏连云港二模）某一质检部门利用干涉原理测定矿泉水的折射率。如图所示，单缝S0、屏上的P0点位于双缝S1和S2的中垂线上，当双缝与屏之间的介质为空气或矿泉水时，屏上的干涉条纹间距分别为Δx1与Δx2。当介质为矿泉水时，屏上P点处是P0上方第2条亮纹的中心。则（

）A.Δx2大于Δx1C.当介质为空气时，P0上方第2条亮纹的中心在P点的下方D.仅将S0水平向左移动少许，就不能观察到干涉图样了

6.（2023·江苏姜堰高三月考）在信息技术迅猛发展的今天，光盘是存储信息的一种重要媒介。光盘上的信息通常是通过激光束来读取的。若红、蓝激光束不是垂直投射到盘面上，则光线在通过透明介质层时会发生偏折而改变行进的方向。如图所示。下列说法中正确的是（

）A.图中光束①是红光，光束②是蓝光B.在光盘的透明介质层中，光束①比光束②传播速度更快C.若光束①、②先后通过同一小孔，则①衍射现象更明显D.若光束①、②从透明介质层以相同且逐渐增大的入射角射向空气中，则①先发生全反射

7.下列说法不正确的是（

）A.戴上特制眼镜看3D电影有立体感是利用了光的偏振原理B.雨后公路积水表面漂浮的油膜看起来是彩色的，这是光的折射现象C.激光全息照相时利用了激光相干性好的特性D.激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，可以读取盘上的信息是利用激光平行度好的特性解析：B

戴上特制的眼镜观看3D电影产生立体视觉，是利用光的偏振现象，在两只眼睛中产生的视觉差，故A正确；雨后公路积水表面漂浮的油膜看起来是彩色的，这是光的薄膜干涉造成的，故B错误；激光全息照相利用了激光的频率相同的特点，进行叠加干涉而形成的，故C正确；用激光读取光盘上记录的信息是利用激光平行度好的特点，故D正确。8.光的偏振现象说明光是横波。下列现象中不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.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：D

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，当看到透射光的强度发生变化时，则说明光的振动方向与传播方向相垂直，能反映光的偏振特性，故A正确；一束自然光入射到两种介质的表面时，一定有反射光线，不管折射光线与反射光线是否垂直，反射光都为偏振光，故B正确；在日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振光片，由于反射光太强，偏振光强，加偏振片可以将反射的偏振光过滤，使图像清晰，故C正确；通过手指间缝隙观察日光灯，看到彩色条纹是光的衍射现象，而不是偏振现象，故D错误。⁠9.（2023·江苏南京外国语学校模拟）G1、G2为放在水平面上的高度略有差别的两个长方体，为了检查这两个长方体的上表面是否相互平行，检测员用一块标准的平行透明平板T压在G1、G2的上方，T与G1、G2支架分别形成尖劈形空气层，如图所示。G1、G2的上表面与平板的夹角分别为α和β，P为平板T上表面上的一点。用单色光从上方照射平板T，G1、G2的上方都能观察到明显的干涉条纹，则（

）A.若α＝β，则G1上方的干涉条纹间距小于G2