（新课标）年高考物理一轮复习 第十三章 振动与波 光学 相对论 第4讲 光的波动性 电磁波 相对论课件.ppt

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1、课标版课标版 物理物理第4讲光的波动性电磁波相对论一、光的干涉一、光的干涉1.定义:在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现条纹,某些区域相互减弱,出现条纹,且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。2.条件:两束光的频率、相位差恒定。3.双缝干涉图样特点: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,中央为条纹,其余为条纹。教材研读教材研读亮亮暗暗相同相同白色亮白色亮彩色彩色自测自测1一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹,除中央白色亮条纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是()A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B.各色光的速度不同,因而各色光分别产生的

2、干涉条纹的间距不同C.各色光的强度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D.上述说法都不正确答案A白光包含各种颜色的光,各色光的波长不同,在相同条件下做双缝干涉实验时,它们的干涉条纹间距不同,所以在中央白色亮条纹两侧出现彩色条纹,A正确。二、光的衍射二、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,甚至比光的波长的时候,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。相差不多相差不多还小还小单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹,两侧为的条纹,且越靠外,亮条纹的亮度,宽度a.中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着的同心圆环,且越靠外,圆形亮条纹的

3、亮度,宽度b.亮环(或暗环)间的距离随圆孔半径的增大而白光中央为亮且宽的白色条纹,两侧为亮度、宽度的彩色条纹,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明暗相间明暗相间越弱越弱越小越小明暗相间明暗相间越弱越弱越小越小减小减小逐渐变暗逐渐变暗变窄变窄同心圆环同心圆环(2)泊松亮斑(圆盘衍射):当光照到(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(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)。自测自测2关于单缝衍射图样,以下说法正确的是()A.黄光和蓝光透过相同宽度的狭缝衍射时,黄光的中央条纹较窄,条纹间距较小B.在单缝衍射中

4、,狭缝越窄,中央亮条纹的宽度也越窄,明暗条纹间距离越小C.单色光单缝衍射图样是明暗相间的平行条纹,且各亮条纹的高度和宽度基本相同D.用白光观察单缝衍射,中央亮条纹最宽,且是白色的不透明不透明亮斑亮斑答案D在单缝衍射中,入射光波长越大,狭缝越窄,中央亮条纹越宽,相邻条纹间距越大;单缝衍射的条纹宽度和亮度不相同,其中中央亮条纹最宽最亮,越向外条纹越窄,亮度越小;故A、B、C选项错误。白光的单缝衍射图样中中央亮条纹最宽且为白色,而两侧出现彩色条纹,故D选项正确。三、光的偏振三、光的偏振1.自然光:在垂直于传播方向上沿振动的光,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

5、平面上,只沿着某个的方向振动的光。3.偏振光的形成:(1)让自然光通过形成偏振光。(2)让自然光在两种介质的界面发生反射和,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波。一切方向一切方向特定特定偏振片偏振片折射折射横横四、电磁场、电磁波、电磁波谱四、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。3.电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播,形成。(2)电磁波的传播不需要,可在

6、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)。电场电场磁场磁场电磁波电磁波介质介质相同相同(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)v=f,f是电磁波的频率。4.电磁波的发射(1)发射条件:电路和足够高的,要对传输信号进行(包括调幅和调频)。(2)调制方式a.调幅:使高频振荡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。b.调频:使高频振荡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。小小开放开放振荡频率振荡频率调制调制振幅振幅频率频率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

7、率时,激起的感应电流,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)由调谐电路接收到的感应电流,是经过调制的高频电流,还不是我们需要的声音或图像信号。因此还要使声音或图像信号从高频电流中还原出来,这个过程是的逆过程,所以叫做。调幅波的解调也叫。6.电磁波谱:按照电磁波的或的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱。相等相等最强最强调谐调谐调谐调谐调制调制解调解调检波检波频率频率波长波长按波长由长到短排列的电磁波谱为:无线电波、红外线、紫外线、X射线、射线。自测自测4(辨析题)(1)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。()(2)无线电波不能发生干涉和

8、衍射现象。()(3)波长不同的电磁波在本质上完全不同。()答案(1)(2)(3)可见光可见光五、相对论五、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,光速与光源和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)物体运动时的质量总要静止时的质量m0。相同相同相同相同增大增大大于大于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=。自测自测5下

9、列关于狭义相对论的说法中错误的是()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D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mc2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。考点一光的干涉考点一光的干涉1.双缝干涉(1)光能够发生干涉的条件:两光的频率相同,振动步调相同。(2)

10、双缝干涉形成的条纹是等间距的,两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比,即x=。(3)用白光照射双缝时,形成的干涉条纹的特点:中央为白条纹,两侧为彩色条纹。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。考点突破考点突破(2)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,两列光波同相叠加,出现明纹;反相叠加,出现暗纹。(3)条纹特点:单色光:明暗相间的水平条纹;白光:彩色水平条纹。典例典例1(2015四川成都模拟)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2.1

11、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410-7m;(2)已知B光在某种介质中波长为3.1510-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37(sin37=0.6,cos37=0.8);(3)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。答案(1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析解析(1)设A光在空气中波长为1,在介质中波长为2,由n=,得1=n2=1.5410-7m=610-7m根据光程差x=2.110-6m所以N1=3.5由此可知,从S1和S2到P点的光程差x是波长1的3.5倍,

12、所以P点为暗条纹。(2)根据临界角与折射率的关系sinC=得n1=由此可知,B光在空气中波长3为3=n1介=3.1510-7m=5.2510-7m所以N2=4P点为亮条纹。(3)若用A光照射时,把其中一条缝遮住,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。亮暗条纹的判断方法(1)如图所示,两个相同频率的光源发出的光到屏上P点的路程差r2-r1=k(k=0,1,2)时,光屏上出现亮条纹。(2)光的路程差r2-r1=(2k+1)(k=0,1,2)时,光屏上出现暗条纹。1-1(2014大纲全国,17,6分)在双缝干涉实验中,一钠灯发出的波长为589nm的光,在距双缝1.00m

13、的屏上形成干涉图样。图样上相邻两明纹中心间距为0.350cm,则双缝的间距为()A.2.0610-7mB.2.0610-4mC.1.6810-4mD.1.6810-3m答案C由x=可得双缝间距d=m=1.6810-4m,选项C正确。1-2(多选)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上,一端用薄片垫起,构成空气劈尖,让单色光从上方射入,如图所示,这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法中正确的是()A.干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果B.干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.将上玻璃板平行上移,条纹向着劈尖移动D.观察薄膜干涉

14、条纹时,应在入射光的另一侧答案AC根据薄膜干涉的产生原理,上述现象是由空气劈尖膜的前后表面反射的两列光叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振动加强,形成亮条纹,所以A项正确,B项错误;因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的同一侧,故D项错误;条纹的位置与空气膜的厚度是对应的,当上玻璃板平行上移时,可等效看做是同一厚度的空气膜向劈尖移动,故条纹向着劈尖移动,故C项正确。考点二光的衍射考点二光的衍射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

15、殊情况,只有在光的波长比障碍物小得多时,光才可以看做是沿直线传播的。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。典例典例2让太阳光垂直照射一块遮光板,板上有一个可以自由收缩的三角形孔,当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时,在孔后的屏上将先后出现()A.由大变小的三角形光斑,直至光斑消失B.由大变小的三角形光斑、明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失C.由大变小的三角形光斑,明暗相间的条纹,直至黑白色条纹消失D.由大变小的三角形光斑,小圆形光斑,明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失答案

16、D当孔足够大时,由于光的直线传播,所以屏上首先出现的是三角形光斑,之后随着孔的继续缩小,出现小孔成像,成的是太阳的像,故为小圆形光斑,随着孔的进一步缩小,当尺寸与光波波长相当时,出现明暗相间的衍射条纹,最后随孔的闭合而全部消失,所以只有D正确。2-1(2015福建龙岩调研)如图所示,a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样。分析各图样的特点可以得出的正确结论是()A.a、b是光的干涉图样B.c、d是光的干涉图样C.形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短D.形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长短答案A由双缝干涉和单缝衍射图样的特点可知,a、b图是干涉图样,c、d图是

17、衍射图样,故A项正确,B项错误;由公式x=可知,条纹宽的入射光的波长长,所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长,故C项错误;由单缝衍射图样特点可知,c图样的光的波长比d图样的光的波长长,故D项错误。2-2(多选)抽制高强度纤维细丝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,表明抽制的丝变细答案AD由于是激光束越过细丝即绕过障碍物,所以是光的衍射

18、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。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,且沿各个方向的振动的光的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿特定方向考点三光的偏振考点三光的偏振1.自然光与偏振光的比较2.偏振光的应用:照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。典例典例3(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

19、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处都将看到光亮答案BD沿各个方向振动的自然光的强度相同,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;灯发出的自然光通过A偏振片后,变为偏振光,则B对;设通过A的光沿竖直方向振动,在P处看不见光亮,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,若将B转过180后,P处仍无光亮,若将B转过90,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D对,C、E错。3-1(2015江西南昌联考)假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置

20、,使司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激,也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。以下措施中可行的是()A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是水平的B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向也是竖直的C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45D.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45,车灯玻璃的透振方向也是斜向右上45答案D首先,司机要能够看清楚自己车灯发出的经对面物体反射回来的光线,所以他自己车灯玻璃的透振方向和前窗玻璃的透振方向一定要平行;其次,他不能看到对面车灯发出的强光,所以对面车灯玻璃的透振方向与他自己车窗玻璃的透振方向一定要垂直。满足上述要求

21、的只有D。考点四对电磁场理论和电磁波的理解考点四对电磁场理论和电磁波的理解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E、磁场B、传播方向v三者两两垂直,如图所示。(2)电磁波与机械波不同,机械波在介质中传播的速度与介质有关,电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。3.电磁波谱(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,但它们产生的机理不同。典例典例4(

22、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(2)目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz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?答案(1)A(2)0.3m1.5m能解析(1)如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是恒定的,不能再产生新的电场(或磁场),因而不能产生电磁波,A正确,C错误;电磁波在真空中传播速度最大,在不同介质中传播速度不同,B

23、错误;电磁波在同种均匀介质中才能沿直线传播,D错误。(2)由c=f可得:1=m=1.5m,2=m=0.3m。故雷达发射电磁波的波长范围是0.3m1.5m。电磁波测距的原理就是通过发射和接收反射回来的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。4-1关于麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的是()A.稳定的电场产生稳定的磁场B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场C.变化的电场产生的磁场一定是变化的D.振荡的电场在周围空间产生的磁场也是振荡的答案D麦克斯韦的电磁场理论要点是:变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场),若磁场(电场)的变化是均

24、匀的,产生的电场(磁场)是稳定的,若磁场(电场)的变化是振荡的,产生的电场(磁场)也是振荡的,由此可判定答案为D项。考点五对狭义相对论的理解考点五对狭义相对论的理解1.速度变换公式:u=。若u=v=c时,u=c,从而证明了光速是速度的极限,也反证了光速不变原理。2.相对论质量:m=。从上式可以看出,当物体(一般是粒子)的速度很大时,其运动时的质量明显大于静止时的质量。3.质能方程:E=mc2。含义:反映物体质量和能量之间的关系。由此会有两种能量表达:即静止时的能量和运动时的能量;两能量之差就是物体的动能Ek,即Ek=E-E0。4.时间间隔的相对性:t=。含义:运动的时钟变慢,一切物理、生理过程

25、变慢。5.长度的相对性:l=l0。含义:在运动方向上的长度变小,在垂直运动方向上的长度不变。典例典例5(1)你站在一根长木杆的中央附近,并且看到木杆落在地上时是两头同时落地,所以,你认为这根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B.A端比B端先落地C.B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5m的正方形,一高速列车以2108m/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的速度远离地球,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?答案(1)CD(2)3.75m2的画(3)3昼夜解析(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,则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)l=l0=5m3.7m,在垂直运动方向没有相对性,所以看到的是一张3.75m2的宣传画。(3)因为t=,所以=t,t=5昼夜,v=0.8c,所以=5=3(昼夜)。