第13章 第37讲 光的波动性 电磁波 相对论-【名师大课堂】2025年高考物理艺术生总复习必备（word教师用书）

第37讲　光的波动性　电磁波　相对论 一、光的干涉 1．光的干涉 在两列光波叠加的区域，某些区域的光相互__加强__，出现亮条纹，某些区域的光相互__减弱__，出现暗条纹，且__加强__区域和减弱区域互相间隔的现象叫作光的干涉现象． 2．干涉条件 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．双缝干涉 由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现亮暗相间的条纹．白光的双缝干涉的条纹是中央为__白色__条纹，两边为__彩色__条纹，单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为Δx＝λ. 4．薄膜干涉 利用薄膜(如肥皂液薄膜)__前后两面__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__相同__． 二、光的衍射 1．光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 项目 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，且越靠外，亮条纹的亮度__越弱__，宽度__越小__ a.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__ b.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__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__ (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，在网盘的阴影中心出现__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__，反射光和折射光都是偏振光． 4．光的偏振现象说明光是一种__横__波． 四、电磁波 1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场能够在周周空间产生__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__．电磁波是__横__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＝λf，f是电磁波的频率． 3．电磁波的发射 (1)发射条件：__开放__电路和__高频振荡__信号，所以要对传输信号进行调制(调幅或调频). (2)调制方式 ①调幅：使高频电磁波的__振幅__随信号的强弱而变． ②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)当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率__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，叫作__检波__．检波是__调制__的逆过程，也叫作__解调__． 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、γ射线． 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中都是相同的，光速和光源、观测者间的相对运动没有关系． 2．质速关系 (1)物体的质量随物体速度的增加而__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m总要__大于__静止时的质量m0. 3．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__． 考点一　光的干涉 1．双缝干涉 (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：Δx＝λ，其中l是双缝到光屏的距离，d是双缝间的距离，λ是光波的波长． 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． ②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0，1，2，…)，薄膜上出现暗条纹． (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，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． 　在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行．在它们中间形成一个厚度均匀的空气膜，现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化，当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则(　D　) A．出现最亮时，B上表面的反射光与A上表面的反射光叠加后加强 B．出现最亮时，B下表面的反射光与A上表面的反射光叠加后相抵消 C．温度从t1升至t2的过程中，A的高度增加 D．温度从t1升至t2的过程中，A的高度增加 考点二　光的衍射、偏振 1．光的干涉和衍射的比较 (1)干涉和衍射的比较 项目 干涉 衍射 现象 光在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光的波长差不多或更小 典型实验 杨氏双缝干涉实验 单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射 图样不 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、衍射图样都有明暗相间的条纹 (2)光的衍射的理解 ①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． 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． 2．自然光和偏振光的比较 项目 自然光(非偏振光) 偏振光 光的来源 直接从光源发出的光 自然光通过偏振片后的光 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 3．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． 4．三种不同的衍射现象的特点 (1)单缝衍射图样的四个特点 ①中央条纹亮而宽； ②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱； ③波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大，单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大； ④白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色． (2)圆孔衍射图样的两个特点 ①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环．越向外，亮环亮度越低． ②白光的网孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环． (3)泊松亮斑图样的特点 圆形阴影中心有一亮斑，圆形阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环．与小孔衍射图样有明显区别． 5．光的偏振 (1)自然光与偏振光的比较 类别 自然光 偏振光 成因 从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光 自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光 振动 方向 在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动 在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向 经偏振片后现象比较 如图所示，通过偏振片后，自然光就变成了偏振光，转动偏振片，偏振光的亮度不变，但偏振方向随之变化 如图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗 (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． 　(多选)如图所示的4种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹).则在下面的四个图中(　BC　) A．属于衍射图样的是A和C B．属于干涉图样的是A和C C．A图对应的光的波长比C图对应的光的波长更大 D．B图对应的光的频率比D图对应的光的频率更小 考点三　电磁场、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＝3×108 m/s 在空气中不大(如常温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 　(电磁波和机械波的区别)如图所示，我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑．米波雷达发射无线电波的波长在1～10 m范围内，则对该无线电波的判断正确的是(　C　) A．米波的频率比厘米波频率高 B．和机械波一样须靠介质传播 C．同光波一样会发生反射现象 D．不可能产生干涉和衍射现象 考点四　狭义相对性的简单应用 1．伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的． 2．伽利略相对性原理与电磁规律：按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的，但根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的． 3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设 (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是相同的． (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系． 　(多选)下列说法正确的是(　BC　) A．相对论与量子力学否定了经典力学理论 B．真空中的光速在任何惯性参考系中都是相同的 C．狭义相对论只适用于惯性参考系 D．假设火车以接近光速的速度通过站台，站台上的旅客观察到车上的乘客变矮了 学科网（北京）股份有限公司 $$