1、第 4 讲 光的波动性 电磁波 相对论基 础知 识 回 顾 知识点一 光的干涉1光的干涉在两列光波的叠加区域，某些区域的光被，出现亮纹，某些区域的光被，出现暗纹，且和互相间隔的现象叫做光的干涉现象2干涉条件两列光的，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象加强减弱加强减弱频率相等3双缝干涉由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现明暗相间的条纹白光的双缝干涉的条纹是中央为条纹，两边为条纹，单色光的双缝干涉中相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为 xld.l 为双缝到光屏的距离，d 为两缝之间的距离4薄膜干涉利用薄膜(如肥皂液薄膜)反射的光相遇而形成的干涉图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应的薄膜厚度白
2、色彩色前后两面相同知识点二 光的衍射1光的衍射现象光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象2光发生明显衍射现象的条件当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长时，光才能发生明显的衍射现象相差不多3衍射图样(1)单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是，最远离中央的是(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现斑，这是光能发生衍射的有力证据之一紫光红光亮知识点三 光的偏振1偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱的光即
3、为偏振光光的偏振现象证明光是(填“横波”或“纵波”)2自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光3偏振光的产生：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫做，第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫做横波各个方向起偏器检偏器知识点四 电磁场、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，变化的电场能够在周围空间产生2电磁场变化电场在周围空间产生磁场，变化磁场在周围空间产生电场，变化的电场和磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场电场磁场3电磁波(1)
4、电磁场在空间由近及远的传播，形成(2)电磁波的传播不需要，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度是的(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(4)vf，f 是电磁波的频率电磁波介质相同小4电磁波的发射(1)发射条件：电路和信号，所以要对传输信号进行(包括调幅和调频)(2)调制方式调幅：使高频电磁波的随信号的强弱而变调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段调频：使高频电磁波的随信号的强弱而变调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法调制开放高频振荡调制振幅频率5无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率时，激起的振荡电
5、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，也叫做相等最强调谐调谐检波调制解调6电磁波谱知识点五 狭义相对论的基本假设 质速关系、相对论质能关系式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，一切物理规律都是的(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的，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系相同相同2相对论的质速关系(1)物体的质量随物体速度的增加而，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
6、量总要静止时的质量 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.增大m01vc2mc2大于1光的颜色取决于折射率()答案 2只有频率相同的两列光波才能产生干涉()答案 3在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光()答案 4自然光是偏振光()答案 5电磁波的传播需要介质()答案 6电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场()答案 7电谐振就是电磁振荡中的“共振”()答案 8无线电波不能发生干涉和衍射现象()答案 9波长不同的电磁波在本质上完全相同()答案 10真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的()答案 11若物体能量增大，则它的质量增
7、大()答案 考 点互 动 探 究 核心提示2 个条件：光发生干涉和衍射的条件 3 种现象：光的干涉、光的衍射和光的偏振 1 个区别：干涉图象和衍射图象的区别 1 个公式：双缝条纹间距公式：xld 1 个理论：麦克斯韦电磁场理论 2 种假设：爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设考点一 光的干涉、衍射及偏振1光的干涉(1)明暗条纹的判断方法单色光a如右图所示，光源 S1、S2 发出的光到屏上 P 点的路程差 r2r1k(k0,1,2)时，光屏上出现明条纹b光的路程差 r2r1(2k1)2(k0,1,2)时，光屏上出现暗条纹白光：光屏上出现彩色条纹中央条纹为明条纹(2)双缝干涉条纹是等间距的，相邻明条纹
8、(或暗条纹)间的距离 x 与波长成正比(装置已确定的情况下)即 xld.(3)薄膜干涉(等原干涉)如右图所示，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分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加原理分析单色光a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 rn(n1,2,3)，薄膜上出现明条纹b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(2n1)2(n0,1,2,3)，薄膜上出现暗条纹白光：薄膜上出现水平彩色条纹(4)薄膜干涉的应用干涉法检查平面如右图所示，两板之间形成一楔
9、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2光的干涉和衍射的比较(1)干涉和衍射的比较内容干涉衍射现象在光重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或更小典型实验杨氏双缝实验单缝衍射(圆孔衍射、不透明圆盘衍射)图样特点不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹(2
10、)对光的衍射的理解干涉和衍射是波的特征，波长越长，干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跟踪训练1(2014江苏卷)某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到右图甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示他改变的实验条件可能是()A减小光源到单缝的距离B减小双缝之间的距离C减小双缝到光屏之间的距离D换用频率更高的单色光源解析 根据条纹间距公式 xld 可知，若增大条纹间距，可以采取的措施有：换用波长更长、频率更低的单色光源，减小双缝间的距
11、离 d，增大双缝到屏的距离 l，故选项 B正确答案 B2下图所示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蓝黄红紫解析 由双缝干涉条纹间隔公式可知，左侧第一个是红光通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样，第三个是蓝光通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样；由单缝衍射可知，左侧第二个是紫光通过同一个单缝形成的衍射图样，左侧第四个是黄光通过同一个单缝形成的衍射图样，所以选项B 正确答案 B3(
12、多选)(2015上海虹口二模)英国物理学家托马斯杨巧妙地解决了相干光源问题，第一次在实验室观察到了光的干涉现象下图为实验装置简图，M 为竖直线状光源，N 和 O 均为有狭缝的遮光屏，P 为像屏现有四种刻有不同狭缝的遮光屏，实验时正确的选择是()AN 应选用遮光屏 1 BN 应选用遮光屏 3CO 应选用遮光屏 2 DO 应选用遮光屏 4解析 根据双缝干涉的原理可知，N 应选用单缝遮光屏 1，O 应选用双缝光屏 2，故 A、C 正确答案 AC考点二 电磁场和电磁波1对麦克斯韦电磁场理论的理解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
13、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(很大)，c3108m/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.对电磁波谱的四点说明(1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性其中波长较长的无线电波和红外线等，易发生干涉、衍射现象；波长较短的紫外线、X 射线、射线等，穿透能力较强(2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和 X 射线、X 射线和 射线都有重叠(3)不同的电磁波，产生的机理
14、不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X 射线是原子的内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的(4)电磁波的能量随频率的增大而增大跟踪训练1(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)，正确的是()解析 A 图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，A 错误；B 图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，B 正确；C 图中的上图是振荡的磁场，它
15、能产生同频率的振荡电场，且相位相差2，C 正确；D 图的上图是振荡电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图与上图相比较，相位相差应为2而不是，D 错误答案 BC2(2014四川卷)电磁波已广泛运用于很多领域下列关于电磁波的说法符合实际的是()A电磁波不能产生衍射现象B常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机C根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度D光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同解析 干涉、衍射是波所特有的现象，所以电磁波能产生衍射现象，选项 A 错误；常用的遥控器是通过发出红外线来遥控电视机的，选项 B 错误；利用多普勒效应可以判断遥远天体相对地球的速
16、度，选项 C 正确；根据光速不变原理，在不同的惯性系中，光速是相同的，选项 D 错误答案 C3(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是()A电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波B紫外线的频率比可见光低，长时间照射可以促进钙的吸收，改善身体健康CX 射线和 射线的波长比较短，穿透力比较强D红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线解析 无线电波的波长长，易发生衍射现象，A 正确紫外线的频率比可见光高，B 错任何物体都能辐射红外线，D 错故选 A、C.答案 AC4关于电磁波，下列说法正确的是()A雷达是用 X 光来测定物体位置的设备B使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调C用红
17、外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光D变化的电场可以产生磁场解析 雷达是用微波测定物体的位置的设备，A 错；使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，B 错；使钞票上的荧光物质发出可见光的是紫外线，C 错；根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场可以产生磁场，D 正确答案 D考点三 狭义相对论的简单应用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2对“长度的相对性”的理解：狭义相对论中
18、的长度公式：ll01vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而 l 可认为杆沿杆的长度方向以速度 v 运动时，静止的观察者测量的长度，还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度 v 运动时测出的杆的长度3对“时间间隔的相对性”的理解：时间间隔的相对性公式：t1vc2中 是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 t 则是相对于事件发生地以速度 v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫作狭义相对论中的时间膨胀(动钟变慢)4对相对论速度变换公式的理解：速度变换公式 u
19、uv1uvc2.式中 u 是物体相对静止参考系的速度，v 是运动参考系相对静止参考系的速度，u是物体相对运动参考系的速度(u与 v 同向取正值，反之取负值)长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了一艘宇宙飞船的船身长度为 L090 m，相对地面以 u0.8c 的速度在一观测站的上空飞过(1)观测站的观测人员测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔为多少？尝试解答(1)观测站测得船身的长度为LL0 1u2/c290 10.82 m54 m通过观测站的时间间隔为tLu54 m0.8c 2.25107 s(2)宇宙员测得飞船船身通过
20、观测站的时间间隔为 tL0u90 m0.8c 3.75107 s.答案(1)2.25107 s(2)3.75107 s跟踪训练1(多选)对于公式 mm01vc2，下列说法中正确的是()A公式中的 m0 是物体以速度 v 运动时的质量B当物体运动速度 v0 时，物体的质量 mm0，即物体的质量改变了，故经典力学不再适用C当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速的速度运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动D通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化解析 公式中的 m0
21、 是物体的静止时的质量，在 v 远小于光速时，经典力学依然成立，故 A、B 错，C、D 对答案 CD2关于狭义相对论的说法，不正确的是()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狭义相对论任何情况下都适用解析 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
22、案 D3(1)你站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地所以，你认为这木杆是平着落到了地上而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示她看到()A两端同时落地BA 端比 B 端先落地CB 端比 A 端先落地D木杆是向右倾斜着落地的(2)一张宣传画是边长为 5 m 的正方形，一高速列车以2108 m/s 速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？(3)远方的一颗星以 0.8c 的速度离开地球，在地球上测得它辐射出来的闪光按 5 昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？解析(1)令飞飞同学所在的参考系静止，则人和杆所在的参考系将向 BA 方向运动，在杆下落的同时，假设在 AB的中央有一光源开始发光，且光源向右运动经过杆落地时间后，B 距光源比 A 距光源近了，根据光速不变原理可知，光到达 B 所用时间比 A 短，故 B 事件先发生，即 B 先落地；至于木杆向哪倾斜也是相对的，从飞飞的角度看，木杆是向右倾斜着落地的(2)ll01vc251210831082 m3.7 m，在垂直运动方向没有相对性，所以看到的是一张 3.75 m2 的宣传画(3)因为 t1vc2，所以 t 1vc2，t5 昼夜，v0.8c，所以 5 10.823(昼夜)答案(1)CD(2)3.75 m2 的画(3)3 昼夜请做：课时跟踪训练(四十一)