第十二章 学案58 光的波动性 电磁波 相对论

学案58 光的波动性电磁波相对论一、概念规律题组1．取两块平玻璃板，合在一起用手捏紧，会从玻璃板上看到彩色条纹，这是光的干涉现象，有关这一现象的叙述正确的是()A．这是上下两块玻璃板的上表面反射光干涉的结果B．这是两玻璃板间的空气薄层上下两表面的反射光相干涉的结果C．这是上面一块玻璃的上、下两表面的反射光干涉的结果D．这是下面一块玻璃的上、下两表面的反射光干涉的结果2．两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以至没有光通过．如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中，将会产生下述的哪一种现象？()A．透过偏振片的光强先增强，然后又减小到零B．透过的光强先增强，然后减小到非零的最小值C．透过的光强在整个过程中都增强D．透过的光强先增强，再减弱，然后又增强3．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4．下列说法中正确的是()A．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B．在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c－vC．在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c＋v D．麦克耳孙—莫雷实验得出的结果是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的二、思想方法题组5．在杨氏双缝干涉实验中，如果()A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹D．用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹6．关于电磁波谱，下列说法中正确的是()A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波B．红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的C．伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的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一、光的干涉1．双缝干涉现象中明暗条纹产生的条件及分布规律(1)相干光源的两列光波到达某点的路程差等于波长的整数倍时，该处光相互加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长的奇数倍时，该处光互相减弱，出现暗条纹．双缝干涉中央条纹为明条纹．(2)双缝干涉是等间距的，相邻明条纹(或暗条纹)间的距离与波长成正比(装置已确定的情况下)．利用双缝干涉实验可测量光波的波长．2．薄膜干涉的应用干涉法检查平面如图1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；若平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．图1【例1】两个狭缝相距0.3 mm，位于离屏50 cm处，现用波长为600 nm的光照射双缝．则：(1)两条相邻暗条纹间的距离是多少？(2)若将整个装置放于水中，那么两条相邻暗条纹间的距离是多少？(n 水＝43)[规范思维][针对训练1] (2010·江苏·12B(2))如图2所示，图2在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7 m ，屏上P 点距双缝S 1和S 2的路程差为7.95×10－7 m ，则在这里出现的应是________(选填“明条纹”或“暗条纹”)．现改用波长为 6.30×10－7 m 的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将________(选填“变宽”、“变窄”或“不变”)．二、光的衍射和偏振 1．衍射条纹产生的实质 是光波发生干涉的结果，即相干波叠加的结果．当光源发出的光照射到小孔或障碍物时，小孔处或障碍物的边缘可看成许多点光源，这些点光源是相干光源，发出的光相干涉，形成明暗相间的条纹．2．光的偏振(1)除了从光源直接发出的光外，日常生活中遇到的光大都是偏振光． (2)偏振光的理论意义及应用①理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波．光的偏振现象说明光波是横波．②应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等． 【例2】图3抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图3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，下列叙述中正确的是()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[规范思维]【例3】(2009·福建·13)光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是()A．用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的衍射现象C．在光导纤维束内传送图像是利用光的色散现象D．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象[针对训练2](1)肥皂泡在太阳光照射下呈现的彩色是____________现象；露珠在太阳光照射下呈现的彩色是____________现象；通过狭缝看太阳光时呈现的彩色是____________现象．(2)凡是波都具有衍射现象，而把光看作直线传播的条件是________．要使光产生明显的衍射，条件是__________________________________________________________ ________________________________________________________________________.(3)当狭缝的宽度很小并保持一定时，用红光和紫光照射狭缝，看到的衍射条纹的主要区别是________________________________________________________________________________________________________________________________________________.(4)如图4所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P或Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明____．图4三、电磁场和电磁波1．麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论2．电磁波(1)产生：变化的电场和变化的磁场总是交替产生，由发生区域向周围空间传播开去，就形成电磁波．(2)特点：①电磁波是横波，电场强度E和磁感应强度B的方向都与传播方向垂直．②电磁波传播时不需要任何介质，在真空中传播的速度最大，c＝3×108m/s.③电磁波本身是一种物质，它具有能量．④具有波的特征，能产生反射、折射、衍射、干涉等现象．3．电磁波谱(1)不同的电磁波，由于频率和波长的不同，因而表现出不同的特性．波长较长的无线电波和红外线，很容易发生干涉、衍射现象，而对于波长较短的紫外线、X射线、γ射线，不容易观察到它们的干涉、衍射现象．(2)在电磁波谱中，能引起视觉的可见光是频率范围很窄的一段电磁波．【例4】(2010·天津理综·1)下列关于电磁波的说法正确的是()A．均匀变化的磁场能够在空间产生电场B．电磁波在真空和介质中传播速度相同C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播【例5】(2009·四川理综·14)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变化的磁场四、相对论相对论问题重点掌握狭义相对论的两个基本假设、相对论质量公式、相对论质能方程．【例6】(2009·江苏·12B(1))如图5所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为________．(填写选项前的字母)图5A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c【基础演练】1．下列现象中能证明光是横波的是()A．光的色散B．光的干涉C．光的衍射D．光的偏振2．(2009·天津理综·2)下列关于电磁波的说法正确的是()A．电磁波必须依赖介质传播B．电磁波可以发生衍射现象C．电磁波不会发生偏振现象D．电磁波无法携带信息传播3．(2010·北京理综·13)属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()A．真空中光速不变B．时间间隔具有相对性C．物体的质量不变D．物体的能量与质量成正比4．在观察光的衍射的实验中，分别观察到如图6(a)、(b)所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹．那么障碍物应是()图6A ．(b)图对应的是很小的中间有小圆孔的不透明圆板B ．(a)图对应的是很大的不透明圆板C ．(b)图对应的是很大的中间有大圆孔的不透明挡板D ．(a)图对应的是很大的中间有小圆孔的不透明挡板 5.图7(2011·北京·14)如图7所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S 时，在光屏P 上观察到干涉条纹．要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以( )A ．增大S 1与S 2的间距B ．减小双缝屏到光屏的距离C ．将绿光换为红光D ．将绿光换为紫光 6．(2010·上海·7)电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等，按波长由长到短的排列顺序是( )A ．无线电波、红外线、紫外线、γ射线B ．红外线、无线电波、γ射线、紫外线C ．γ射线、红外线、紫外线、无线电波D ．紫外线、无线电波、γ射线、红外线7．市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时，能使被照射物品处灯光产生的热效应大大降低，从而广泛应用于博物馆、商店等处．这种灯降低热效应的原理之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面镀上一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时从玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线．用λ表示此红外线在膜中的波长，则所镀膜的厚度最小应为( )A.λ8B.λ4C.λ2D ．λ8．(2011·天津·6)甲、乙两单色光分别通过同一双缝干涉装置得到各自的干涉图样，设相邻两个亮条纹的中心距离为Δx ，若Δx 甲>Δx 乙，则下列说法正确的是( )A ．甲光能发生偏振现象，乙光则不能发生B ．真空中甲光的波长一定大于乙光的波长C ．甲光的光子能量一定大于乙光的光子能量D ．在同一均匀介质中甲光的传播速度大于乙光 9．在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P 和Q.在Q 的后边放上光屏，以下说法正确的是( )A ．Q 不动，旋转偏振片P ，屏上光的亮度不变B ．Q 不动，旋转偏振片P ，屏上光的亮度时强时弱C ．P 不动，旋转偏振片Q ，屏上光的亮度不变D ．P 不动，旋转偏振片Q ，屏上光的亮度时强时弱【能力提升】10．(2008·海南·18(1))设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍．则粒子运动时的质量等于其静止质量的________倍，粒子运动速度是光速的________倍．图811．如图8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点到S1、S2距离之差为2.1×10－6 m，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4×10－7 m.(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°.12．雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备．目前雷达发射的电磁波的频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内．(1)下列关于雷达的说法中正确的是()A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标间的距离D．波长越短的电磁波，反射性能越强图9(2)设雷达向远处发射无线电波．每次发射的时间是1 μs，两次发射的时间间隔为100 μs.显示器上呈现出的尖形波如图9所示．已知图中ab＝bc，则障碍物与雷达之间的距离是多大？学案58光的波动性电磁波相对论【课前双基回扣】1．B[形成干涉条纹是有一定条件的，即两列相干光的光程差需要连续变化，Δx＝kλ时，形成明条纹，当Δx＝(2k＋1)λ2时，形成暗条纹，当入射光是白光时，就会形成彩色条纹，对平板玻璃来说，每一块平板玻璃上下表面都是平行的，故不具备产生干涉条纹的条件，而中间的空气膜，则可能具备这一条件，故应选B.]2．A[起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过；偏振方向平行时，光强达到最大．当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，然后又减小到零．]3．D[由光的偏振现象的知识可知A、B、C均反映了光的偏振特性，只有D选项是利用手指间的狭缝去观察光的衍射现象，故选D.]4．D5．BD[白光作为光源，屏上将呈现彩色条纹，A错；B为红光的双缝干涉，图样为红黑相间，故B正确；红光和紫光频率不同，不能产生干涉图样，C错；遮住一条狭缝时，紫光将发生单缝衍射，形成衍射图样，D正确．]6．AB[波长越长的无线电波波动性越显著，干涉、衍射现象易发生；从电磁波产生的机理可知γ射线是原子核受激发后产生的；不论物体温度高低如何都能辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强．]思维提升1．双缝干涉中条纹间距公式为Δx＝ldλ.知道明暗条纹产生的条件．薄膜干涉现象是利用薄膜前后两个面反射的光相遇而成，图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同．2．只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小或者跟光的波长相差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象．3．光的偏振证明光是横波．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光．4．(1)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，变化的电场和磁场成为一个完整的整体，这就是电磁场．(2)电磁波是横波．在空间传播不需要介质．5．电磁波谱中各种波产生的机理不同．特性不同，有不同的应用．【核心考点突破】例1 (1)1 mm(2)0.75 mm解析(1)Δx＝ld λ＝50×10－20.3×103×600×10－9 m＝10－3 m＝1 mm(2)如把整个装臵放入水中，则在水中光的波长为：λ′＝λn水＝450 nm＝4.50×10－7 m，相邻暗条纹间距为：Δx′＝ld λ′＝50×10－20.3×10－3×4.50×10－7 m＝0.75×10－3 m＝0.75 mm.[规范思维]在应用公式Δx＝laλ解题时，要注意同一色光在不同介质中的波长不同．例2 AD[由于是激光束过细丝，通过障碍物所以为光的衍射现象，当抽制的丝细了的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就越大，A、D对．][规范思维]解决本题的关键是弄清楚这是利用了光的干涉现象还是利用了光的衍射现象．要牢记光发生明显衍射的条件：孔径或障碍物的尺寸比光的波长小或者跟光的波长差不多时，即障碍物或孔径越小，衍射越明显．例3 D[用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用了光的薄膜干涉现象，A错；用三棱镜观察白光看到彩色图样是利用了光的折射形成的色散现象，B错；在光导纤维束中传送图像是利用了光的全反射现象，C错；光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象，D正确．]例4 A [均匀变化的磁场在空间产生恒定的电场，故选项A 正确；电磁波在介质中的传播速度v ＝c n，故选项B 错误；只有周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波，故选项C 错误；电磁波在同种均匀介质中才能沿直线传播，故选项D 错误．]例5 D [雷达是用微波测定物体的位臵，A 错；使电磁波随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变化的磁场，D 正确．]例6 D [光速相对任何参考系不变，故D 正确．][针对训练]1．暗条纹 变宽解析 由于路程Δs ＝7.95×10－7 m ＝1.5λ，所以将出现暗条纹，由Δx ＝l dλ可知，由于波长变大，故条纹间距变宽．2．见解析解析 (1)肥皂泡呈现的彩色是光的干涉现象；露珠呈现的彩色是光的色散；通过狭缝看太阳光呈现的彩色是光的衍射现象．(2)障碍物或孔的尺寸比波长大得多时，可把光看作沿直线传播；障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时，可产生明显的衍射现象．(3)红光的中央亮纹宽，红光的中央两侧的亮纹离中央亮纹远．(4)这个实验说明了光是一种横波．思想方法总结1．(1)光的折射、光的干涉、光的衍射现象都能使太阳光呈现彩色条纹，但产生的原理和彩色条件的形状都有区别，要注意加以识别．(2)太阳光或白炽灯发出的光是自然光，通过一个偏振片后变为偏振光，另一个偏振片转动时，光屏上透射光的强度就发生了变化．2．(1)电磁波是一种波，因此它具有波的一切特性：干涉、衍射、折射等，同时又具有它自己的特点，如传播不需要介质，因为它是电磁场交替激发向外传播的过程，电磁场本身就是物质．(2)知道各种电磁波的产生机理、特性、应用，是解决此题的关键．本章本节的很多知识点同学们务必强化识记，同时也应注重理解．【课时效果检测】1．D2．B [电磁波不依赖介质在真空中也可传播；电磁波具有波的特性，可以发生衍射、干涉等现象；电磁波是横波，能发生偏振现象；电磁波能携带信息传播．综上所述，只有B 项正确．]3．A [狭义相对论的基本假设有：(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．综上所述，只有A 项正确．]4．D5．C [在双缝干涉实验中，相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离Δx ＝L dλ，要想增大条纹间距可以减小两缝间距d ，或者增大双缝屏到光屏的距离L ，或者换用波长更长的光做实验．由此可知，选项C 正确，选项A 、B 、D 错误．]6．A [在电磁波家族中，按波长由长到短分别有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线等，所以A 项对．]7．B [根据薄膜干涉原理，如果镀膜的厚度为红外线在薄膜介质中波长的14时，红外线在薄膜的两个表面上反射的光刚好相抵消，从而大大减小了红外线反射光的强度．]8．BD [由Δx ＝Lλd得同一双缝干涉装臵，Δx 越大则λ越大，B 对；光的偏振与波长无关，A 错；由E ＝hc λ知，λ越大，E 越小，C 错；由光的折射率随波长增大而减小和v ＝c/n 知，D 对．]9．BD [P 是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，偏振光的振动方向与P 的透振方向一致，所以当Q 与P 的透振方向平行时，通过Q 的光强最大；当Q 与P 的透振方向垂直时，通过Q 的光强最小，即无论旋转P 或Q ，屏上的光强都是时强时弱，故B 、D 正确．]10．k k 2－1k解析 由E ＝mc 2得E E 0＝m m 0，即m ＝k·m 0 由m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2得m m 0＝11－⎝⎛⎭⎫v c 2＝k ，得v ＝k 2－1kc. 11．(1)暗条纹 (2)亮条纹解析 (1)设A 光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ1′，由n ＝λ1λ1′，得λ1＝nλ1′＝1.5×4×10－7 m ＝6×10－7 m根据路程差Δr ＝2.1×10－6 m 所以N 1＝Δr 1＝2.1×10－66×107＝3.5 由此可知，从S 1和S 2到P 点的路程差Δr 是波长λ1的3.5倍，所以P 点为暗条纹． (2)根据临界角与折射率的关系sin C ＝1n ′得n ′＝1sin 37°＝53 由此可知，B 光在空气中波长λ2为：λ2＝n ′λ介＝53×3.15×10－7 m ＝5.25×10－7 m 由路程差Δs 和波长λ的关系N 2＝Δr λ2＝2.1×10－65.25×10－7＝4 可见，用B 光作光源，P 点为亮条纹．12．(1)ACD (2)7.5×103 m解析 (1)根据λ＝c/f ，在200 MHz 至1 000 MHz 的频率范围内电磁波的波长范围在0.3 m 至1.5 m 之间，故A 正确；根据电磁场理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故B错误；雷达是利用电磁波的反射原理，C正确；电磁波波长越短，越不易发生衍射，反射性能越好，D正确．(2)由ab等于bc可知电磁波从发射到返回所用时间为50 μs.设雷达与障碍物之间的距离为x.电磁波往返的时间为t＝50 μs，由2x＝ct得x＝ct/2＝3×108×50×10－6×12m＝7.5×103 m.易错点评1．在第7题中，由于对增透膜或增反膜的原理不明，造成判断失误．2．在第12题的第2问中，应注意看清题图，理解好题意．电磁波从发射到返回用时为50 μs，而不是100 μs.。