1、第2节 光的波动性 电磁波 相对论-2-一、光的干涉 1.定义:在两列光波的叠加区域,某些区域的光被加强,出现亮纹,某些区域的光被减弱,出现暗纹,且加强 和减弱 互相间隔的现象叫做光的干涉现象。2.条件:两列光的频率相等,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的干涉现象。-3-3.双缝干涉:由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是频率相等 的相干光,屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍 处出现亮条纹;路程差是半波长的奇数倍 处出现暗条纹。相邻的明条纹(或暗条纹)之间距离x与波长、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为x=。4.薄膜干涉:利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面 反射的光相遇而形成的。图样中
2、同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同。-4-二、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:(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较-5-单缝衍射 圆孔衍射 中央为亮且宽的条纹,两侧为明暗相间 的条纹,且越靠外,亮条纹的亮度越弱,宽度越小 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,宽度越小;亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而减小 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
3、是大且亮的白色亮斑,周围是不等间距的彩色的同心圆环 -6-(2)泊松亮斑(圆盘衍射):当光照到不透明(选填“透明”或“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)。三、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.偏振光的形成:(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。-7-四、电
4、磁场、电磁波、电磁波谱 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(1)电磁场在空间由近及远的传播,形成电磁波。(2)电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播,在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速)。(3)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。(4)v=f,f是电磁波的频率。-8-3.电磁波的发射(1)发射条件:开放 电路和高频振荡 信号,所以对要传输的信号进行调制。(2)调制方式 调幅:使高频电磁波的振幅 随信号的强弱而变。调频:使高频电磁波的频率 随信号的强弱而变。4.无线电波的接收(1
5、)当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率相等 时,激起的振荡电流最强,这就是电谐振现象。(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐。能够调谐的接收电路叫作调谐 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。检波是调制 的逆过程,也叫做解调。-9-5.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谱叫作电磁波谱。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、射线。-10-五、相对论 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
6、中都是相同 的,光速与光源、观测者间的相对运动没有 关系。2.相对论的质速关系(1)物体的质量随物体速度的增大而增大,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.相对论质能关系 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。0 1-2-11-1.请用麦克斯韦的电磁场理论说明电磁波是怎样产生的。提示麦克斯韦关于电磁场理论的主要论点:变化的磁场产生电场;变化的电场产生磁场。如果在空间某区域有不均匀变化的电场,那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场,这个变化的磁场又引起新的变化的电场于是,变化的电
7、场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播,这就产生了电磁波。2.通过阅读教材,归纳分析电磁波和机械波的波速各有什么特点。提示电磁波可以在真空中传播且波速一定,在介质中不同频率的电磁波的波速不同;而机械波不能在真空中传播,其波速由介质决定,与频率无关。-12-考点一 考点二 考点三 考点一 光的干涉现象的理解及应用(师生共研)1.光的双缝干涉现象(1)明暗条纹的判断方法 如图所示,光源S1、S2发出的光到屏上P点的路程差r2-r1=k(k=0,1,2,)时,光屏上出现明条纹。光的路程差r2-r1=(2k+1)(k=0,1,2,)时,光屏上出现暗条纹。(2)条纹间距:x=,其中l是双缝到光屏的
8、距离,d是双缝间的距离,是光波的波长。2 ld-13-考点一 考点二 考点三 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 在P1、P2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差r等于波长的整数倍,即r=n(n=0,1,2,),薄膜上出现明条纹。在Q处,两列反射回来的光波的路程差r等于半波长的奇数倍,即r=(2n+1)(n=0,1,2,),薄膜上出现暗条纹。2-14-考点一 考点二 考点三(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
9、楔形空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检平面是平整光滑的,我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检平面不平整,则干涉条纹发生弯曲。-15-考点一 考点二 考点三 例1(多选)关于光学镜头增透膜,以下说法中正确的是()A.增透膜是为了减少光的反射损失,增加透射光的强度 B.增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的 C.增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的 D.因为增透膜的厚度一般适合绿光反射时相互抵消,红光、紫光的反射不能完全抵消,所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色 E.涂有增透膜的镜头,进入的光线全部相互抵消,因此这种镜头的成像效果较好 1414 答案 解析 解析 关闭光学镜头前的增透膜使得前
10、后两个表面反射光的光程差为半个波长,相互抵消,是为了减少光的反射损失,增加透射光的强度,A 正确;根据光的干涉理论,增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的14,B 错误,C 正确;增透膜通常是针对人眼最敏感的绿光设计的,使从镜头反射的绿光干涉相消,而对太阳光中红光和紫光并没有显著削弱,所以看上去呈淡紫色,D 正确;涂有增透膜的镜头,只能抵消某种色光的反射光线,E 错误。答案 解析 关闭ACD-16-考点一 考点二 考点三 例2(2016四川成都模拟)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2.110-6 m。今有A、B两种单色光,已知A光在折
11、射率为n=1.5的介质中波长为410-7 m;B光在某种介质中波长为3.1510-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37(sin 37=0.6,cos 37=0.8)。现在空气中分别用A、B两种单色光做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹?若用A光照射时,把其中一条缝遮住,试分析光屏上能观察到的现象。-17-考点一 考点二 考点三 解析：设A光在空气中波长为1,在介质中波长为2,由 n=12得1=n2=1.5410-7 m=610-7 m根据路程差x=2.110-6 m所以 N1=1=2.1106 m6107 m=3.5由此可知,从S1和S2到P点的路程差x是A光波长1的3.5倍,
12、所以P点为暗条纹。根据临界角与折射率的关系 sin C=1得n=1sin37 =53由此可知,B光在空气中波长3为3=n 介=533.1510-7 m=5.2510-7 m-18-考点一 考点二 考点三 所以 N2=3=2.110-6 m5.2510-7 m=4可见,从S1和S2到P点的路程差x是B光波长3的4倍,用B光作光源,P点为亮条纹。遮住一条细缝,A光通过另一条缝会发生单缝衍射现象,光屏上仍出现明、暗相间的条纹,但中央条纹最宽最亮,两边条纹变窄变暗。答案：见解析-19-考点一 考点二 考点三 规律总结1.双缝干涉中亮暗条纹的分析步骤和注意问题(1)一般解题步骤 由题设情况依空=n介,求
13、得光在真空(或空气)中的波长。由屏上出现亮、暗条纹的条件判断光屏上出现的是亮条纹还是暗条纹。根据亮条纹的判断式r=k(k=0,1,2,)或暗条纹的判断式r=(2k+1)(k=0,1,2,),判断出k的取值,从而判断条纹数。2-20-考点一 考点二 考点三(2)应注意的问题 空=n介可以根据c=空、v=介、n=三个式子推导得到。两列光发生干涉的条件是两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。相干光的获得方法。a.将一束光分成两束而获得,此法称为分光法。b.利用激光。2.对薄膜干涉的两点理解(1)薄膜干涉是由于光在薄膜前后两个表面上反射的光引起的。一般来说,在不同厚度的薄膜上的光程差不同,所以同
14、一厚度薄膜的两个表面反射的光发生干涉即形成同一条纹。(2)薄膜干涉中条纹间距与厚度变化快慢有关,厚度变化越快,条纹间距越小。cv-21-考点一 考点二 考点三 突破训练 1.在双缝干涉实验中,分别用红色和绿色的激光照射同一双缝,在双缝后的屏幕上,红光的干涉条纹间距x1与绿光的干涉条纹间距x2相比,x1 (选填“”“=”或“x2。相邻亮条纹之间的距离为 x=10.55mm=2.1 mm,双缝间的距离 d=,代入数据得 d=0.300 mm。答案 解析 关闭 0.300-22-考点一 考点二 考点三 考点二 光的衍射及偏振现象(师生共研)1.对光的衍射的理解(1)干涉和衍射是波的特征,波长越长,干
15、涉和衍射现象越明显。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,光才可以看作是沿直线传播的。-23-考点一 考点二 考点三 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。-24-考点一 考点二
16、 考点三 例3如图为条纹总宽度相同的4种明暗相间的条纹,其中有两种是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样,还有两种是黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(灰黑色部分表示亮纹)。则图中从左向右排列,亮条纹的颜色依次是()A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫 答案 解析 解析 关闭由于双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此 1、3 为双缝干涉条纹,2、4 为单缝衍射条纹。双缝干涉条纹的宽度(即相邻明、暗条纹间距)x=,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,所以 1、3 分别对应于
17、红光和蓝光。而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,所以 2、4 分别对应于紫光和黄光。综上所述,1、2、3、4 四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄,B 正确。答案 解析 关闭B-25-考点一 考点二 考点三 例4(多选)如图所示,电灯S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮,则()A.图中a光为偏振光 B.图中b光为偏振光 C.以SP为轴将B转过180后,在P处将看到光亮 D.以SP为轴将B转过90后,在P处将看到光亮 E.无论以SP为轴将B转过多大角度后,在P处都将看不到光亮 答案 解析 解析 关闭自然光沿各个方向发散是
18、均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只沿着某一特定方向振动的光。从电灯直接发出的光为自然光,则A错误;自然光通过A偏振片后,即变为偏振光,则B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,P点无光亮,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,将B转过180后,P处仍无光亮,C错误;若将B转过90,则该偏振片将变为能通过竖直方向振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确,E错误。答案 解析 关闭BD-26-考点一 考点二 考点三 方法归纳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
19、形成的。-27-考点一 考点二 考点三 突破训练 2.(多选)抽制高强度纤维细丝的过程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,下列叙述正确的是()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.如果屏上条纹变宽,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 答案 解析 解析 关闭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对。答案 解析 关闭AD-28-考点一 考点二 考点
20、三 3.奶粉中碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标,可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度,从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后,偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度,这一角度称为“旋光度”,的值只与糖溶液的浓度有关,将的测量值与标准值相比较,就能确定被测样品的含糖量了。如图所示,S是自然光源,A、B是偏振片,转动B,使到达O处的光最强,然后将被测样品P置于A、B之间。-29-考点一 考点二 考点三(1)偏振片A的作用是 。(2)偏振现象证明了光是一种 。(3)(多选)以下说法正确的是()A.到达O处光的强度会明显减弱 B.到达O处光的强度不会明显减弱 C.将偏振片B转动一个角度,使得
21、O处光强度最强,偏振片B转过的角度等于 D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光强度最强,偏振片A转过的角度等于 答案 解析 解析 关闭(1)自然光源发出的光不是偏振光,但当自然光经过偏振片后就变成了偏振光,因此偏振片A的作用是把自然光变成偏振光。(2)偏振现象证明了光是一种横波。(3)因为A、B的透振方向一致,故A、B间不放糖溶液时,自然光通过偏振片A后变成偏振光,通过B后到达O。当在A、B间加上糖溶液时,由于糖溶液的旋光作用,使通过A的偏振光的振动方向转动了一定角度,通过B到达O的光的强度不是最大,但当B转过了一个角度,恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光的振动方向一致时,O处光强又为最强,
22、故B的旋转角度即为糖溶液的旋光度。若偏振片B不动而将A旋转一个角度,再经糖溶液旋光后光的振动方向恰与B的透振方向一致,则A转过的角度也为,故选项A、C、D正确。答案 解析 关闭(1)把自然光变成偏振光(2)横波(3)ACD-30-考点一 考点二 考点三 考点三 电磁场和电磁波 相对论(多维探究)1.对麦克斯韦电磁场理论的理解 -31-考点一 考点二 考点三 2.对电磁波的理解(1)电磁波是横波。电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直,如图所示。(2)电磁波与机械波的比较-32-考点一 考点二 考点三 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
23、生 波的特点 横波 纵波或横波 波 速 在真空中等于光速c=3108 m/s,在介质中与频率有关 与介质有关,与频率无关(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 -33-考点一 考点二 考点三 3.对狭义相对论的理解(1)惯性系:如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫作惯性系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。(2)光速的大小与选取的参考系无关,因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的,无任何前提条件。(3)狭义相对论认为物体的质量m与物体的速度v有关,其关系式为m=(
24、m0为物体静止时的质量)。4.相对论质能关系 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。m0 1-vc 2-34-考点一 考点二 考点三 考向1 电磁场和电磁波 例5(1)关于电磁场和电磁波,下列说法不正确的是()A.均匀变化的电场在它的周围产生稳定的磁场 B.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的,且都与波的传播方向垂直 C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播 D.只要空间中某个区域有振荡的电场或磁场,就能产生电磁波(2)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内。请回答下列关于雷达和电磁波的有关问题。雷达发射电磁波的波长范
25、围是多少?能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的距离?-35-考点一 考点二 考点三 解析：(1)由麦克斯韦电磁场理论可知,均匀变化的电场在它的周围产生稳定的磁场,A选项不符合题意;因电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的,且与波的传播方向垂直,所以电磁波是横波,B选项不符合题意;电磁波可以在真空中传播,C选项符合题意;只要空间中某个区域有振荡的电场或磁场,就在周期性变化的电场周围空间产生同周期变化的磁场或电场,周期性变化的磁场或电场又在它周围空间产生同周期变化的电场或磁场,这样由近及远传播,形成了电磁波,D不符合题意。-36-考点一 考点二 考点三(2)由 c=f 可得 1=
26、1=3.0108200106 m=1.5 m,2=2=3.01081 000106 m=0.3 m。故雷达发射电磁波的波长范围是0.31.5 m。电磁波测距的原理就是通过发射和接收电磁波的时间间隔来确定距离,所以可根据x=确定雷达和目标间的距离。2答案：(1)C(2)0.31.5 m 能-37-考点一 考点二 考点三 考向2 相对论 例6如图所示,两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行,相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为l,则A测得两飞船间的距离 (选填“大于”“等于”或“小于”)l。当B向A发出一光信号,A测得该信号的速度为 。答案 解析 解析 关闭狭义相对论的两个基本原理
27、之一就是光速不变原理,因此A测得信号的速度仍等于c(或光速)。以地面为参考系,在运动方向上有尺缩效应现象,而B相对A是静止的,没有尺缩效应现象,则A测得两飞船距离应大于l。答案 解析 关闭大于 c(或光速)-38-考点一 考点二 考点三 特别提醒电磁波谱分析及应用 电磁波谱 频率/Hz 真空中波长/m 特性 应 用 递变规律 无线电波 10-3 波动性强,易发生衍射 通信、雷达 红外线 10111015 10-310-7 热效应 红外遥感 可见光 1015 10-7 引起视觉 照明、摄影 紫外线 10151017 10-710-9 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪 X 射线 101
28、61019 10-810-11 贯穿本领强 检查、医用透视 -39-考点一 考点二 考点三 电磁波谱 频率/Hz 真空中波长/m 特性 应 用 递变规律 射线 1019 10-11 贯穿本领最强 工业探伤、医用治疗 -40-考点一 考点二 考点三 突破训练 4.(多选)(2016甘肃兰州模拟)下列说法正确的是()A.红外线、紫外线、伦琴射线和射线在真空中传播的速度一样,均为3108 m/s B.红外线应用在遥感技术中,是利用它穿透本领强的特性 C.紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度 D.日光灯是紫外线的荧光效应的应用 答案 解析 解析 关闭不同波长的电磁波在真空中的传播速度均为c
29、;红外线在遥感技术中用到了它的热效应,而它的穿透本领不强;紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度;利用紫外线的荧光效应可以制成日光灯,由此可知A、C、D正确。答案 解析 关闭ACD-41-考点一 考点二 考点三 5.(多选)关于狭义相对论,下列说法正确的是()A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的 B.狭义相对论认为在一切惯性参考系中,光在真空中的速度都等于c,与光源的运动无关 C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D.狭义相对论在任何情况下都适用 答案 解析 解析 关闭狭义相对论认为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,选项A正确;狭义相对论认为在一切惯性参考系中,光在真空中的速度都等于c(光速不变原理),与光源的运动无关,选项B正确;狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系,故选项C正确,D错误。答案 解析 关闭ABC