第4節(jié)光的波動(dòng)性電磁波相對(duì)論一、光的干涉、衍射及偏振1光的干涉(1)定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象。(2)條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定。(3)雙縫干涉圖樣特點(diǎn)：?jiǎn)紊庹丈鋾r(shí)，形成明暗相間的等間距的干涉條紋；白光照射時(shí)，中央為白色條紋，其余為彩色條紋。2光的衍射發(fā)生明顯衍射的條件：只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波長(zhǎng)相差不多，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象才會(huì)明顯。3光的偏振(1)自然光：包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同。(2)偏振光：在垂直于光的傳播方向的平面上，只沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)的光。(3)偏振光的形成讓自然光通過偏振片形成偏振光。讓自然光在兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射和折射，反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光。(4)光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波。二、電磁場(chǎng)電磁波相對(duì)論1電磁波的特點(diǎn)(1)電磁波是橫波，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向都與傳播方向垂直。(2)電磁波傳播時(shí)不需要任何介質(zhì)，在真空中傳播的速度最大，c3×108 m/s。(3)電磁波本身是一種物質(zhì)，它具有能量。(4)具有波的特征，能產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。2相對(duì)論的簡(jiǎn)單知識(shí)(1)狹義相對(duì)論的基本假設(shè)：狹義相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都是相同的。(2)時(shí)間和空間的相對(duì)性：時(shí)間間隔的相對(duì)性t。長(zhǎng)度的相對(duì)性ll0。(3)相對(duì)論速度變換公式：u。(4)質(zhì)能方程：Emc2。1思考辨析(正確的畫“”，錯(cuò)誤的畫“×”)(1)只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉。()(2)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫的作用是使白光變成單色光。(×)(3)陽光下茂密的樹蔭中地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的。(×)(4)自然光是偏振光。(×)(5)均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng)向外傳播便形成了電磁波。(×)(6)在真空中傳播的電磁波，當(dāng)它的頻率增加時(shí)，它的傳播速度不變，波長(zhǎng)變短。()(7)光速不變?cè)碇赋龉庠谡婵罩袀鞑ニ俣仍诓煌瑧T性參考系中都是相同的。()2(多選)在五彩繽紛的大自然中，我們常常會(huì)見到一些彩色光的現(xiàn)象，下列現(xiàn)象中屬于光的干涉的是()A灑水車噴出的水珠在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象B小孩兒吹出的肥皂泡在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象C雨后天晴馬路上油膜在陽光照耀下出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象D用游標(biāo)卡尺兩測(cè)量爪的狹縫觀察日光燈的燈光出現(xiàn)的彩色現(xiàn)象E實(shí)驗(yàn)室用雙縫實(shí)驗(yàn)得到的彩色條紋BCEA屬于光的色散現(xiàn)象；B、C屬于光的薄膜干涉現(xiàn)象；D屬于光的單縫衍射現(xiàn)象；E屬于光的雙縫干涉現(xiàn)象。3(多選)下列說法正確的是()A“3D電影”的播放和觀看利用了光的衍射B色散現(xiàn)象表明白光是復(fù)色光C泊松亮斑是光的干涉現(xiàn)象D增透膜的厚度應(yīng)為入射光在增透膜中波長(zhǎng)的E光的偏振現(xiàn)象表明光是橫波BDE“3D電影”利用光的偏振現(xiàn)象，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；泊松亮斑是光的衍射現(xiàn)象，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。4(多選)(2016·全國(guó)卷)關(guān)于電磁波，下列說法正確的是()A電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)B周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁波C電磁波在真空中自由傳播時(shí)，其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直D利用電磁波傳遞信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸E電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，若波源的電磁振蕩停止，空間的電磁波隨即消失ABC電磁波在真空中的傳播速度等于光速，與電磁波的頻率無關(guān)，選項(xiàng)A正確；周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁波，選項(xiàng)B正確；電磁波傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直，選項(xiàng)C正確；電磁波可以通過光纜傳輸，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；電磁波波源的電磁振蕩停止，波源不再產(chǎn)生新的電磁波，但空間中已產(chǎn)生的電磁波仍可繼續(xù)傳播，選項(xiàng)E錯(cuò)誤。5在觀察光的雙縫干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中：(1)將激光束照在如圖乙所示的雙縫上，在光屏上觀察到的現(xiàn)象是圖甲中的_。甲乙(2)換用間隙更小的雙縫，保持雙縫到光屏的距離不變，在光屏上觀察到的條紋寬度將_；保持雙縫間隙不變，減小光屏到雙縫的距離，在光屏上觀察到的條紋寬度將_(以上均選填“變寬”“變窄”或“不變”)。解析(1)雙縫干涉圖樣是平行且等寬的明暗相間的條紋，A圖正確。(2)根據(jù)x知，雙縫間的距離d減小時(shí)，條紋間距變寬；當(dāng)雙縫到屏的距離l減小時(shí)，條紋間距變窄。答案(1)A(2)變寬變窄 光的干涉、衍射及偏振分考向訓(xùn)練1光的干涉、衍射比較內(nèi)容干涉衍射現(xiàn)象在光疊加區(qū)域出現(xiàn)加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象光繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象產(chǎn)生條件兩束光頻率相同、相位差恒定障礙物或孔的尺寸與波長(zhǎng)差不多或更小典型實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉單縫衍射(圓孔衍射、圓盤衍射)圖樣特點(diǎn)不同點(diǎn)條紋寬度條紋寬度相等條紋寬度不等、中央最寬條紋間距各相鄰條紋間距相等各相鄰條紋間距不等亮度情況清晰條紋，亮度基本相等中央條紋最亮，兩邊變暗相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象；干涉、衍射都有明暗相間的條紋2.亮暗條紋的判斷方法(1)如圖所示，光源S1、S2發(fā)生的光到屏上某點(diǎn)的路程差r2r1k(k0,1,2)時(shí)，光屏上出現(xiàn)亮條紋。(2)光的路程差r2r1(2k1)(k0,1,2)時(shí)，光屏上出現(xiàn)暗條紋。3薄膜干涉(1)如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。(2)光照射到薄膜上時(shí)，在膜的前表面AA和后表面BB分別反射出來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加，兩列光波同相疊加，出現(xiàn)亮紋；反相疊加，出現(xiàn)暗紋。(3)條紋特點(diǎn)：?jiǎn)紊猓好靼迪嚅g的水平條紋；白光：彩色水平條紋。4自然光和偏振光的比較自然光(非偏振光)偏振光光的來源直接從光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動(dòng)方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿任意方向，且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光的強(qiáng)度相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)沿特定方向光的干涉現(xiàn)象1(多選)(2017·全國(guó)卷)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用綠色激光照射在雙縫上，在縫后的屏幕上顯示出干涉圖樣。若要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可選用的方法是()A改用紅色激光B改用藍(lán)色激光C減小雙縫間距D將屏幕向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動(dòng)E將光源向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動(dòng)ACD在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中相鄰亮條紋的間距x，因此要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距可減小雙縫間的距離，增大屏幕與雙縫的距離，換用波長(zhǎng)更長(zhǎng)或頻率更小的光做光源。故選A、C、D。2如圖所示，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，S1和S2為雙縫，P是光屏上的一點(diǎn)，已知P點(diǎn)與S1和S2距離之差為2.1×106 m，今分別用A、B兩種單色光在空氣中做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，問P點(diǎn)是亮條紋還是暗條紋？(1)已知A光在折射率為n1.5的介質(zhì)中波長(zhǎng)為4×107 m；(2)已知B光在某種介質(zhì)中波長(zhǎng)為3.15×107 m，當(dāng)B光從這種介質(zhì)射向空氣時(shí)，臨界角為37°(sin 37°0.6，cos 37°0.8)。解析(1)設(shè)A光在空氣中波長(zhǎng)為1，在介質(zhì)中波長(zhǎng)為2，由n得1n21.5×4×107 m6×107 m根據(jù)路程差x2.1×106 m所以N13.5由此可知，從S1和S2到P點(diǎn)的路程差x是波長(zhǎng)1的3.5倍，所以P點(diǎn)為暗條紋。(2)根據(jù)臨界角與折射率的關(guān)系sin C得n由此可知，B光在空氣中波長(zhǎng)3為3n介×3.15×107 m5.25×107 m所以N24可見，用B光做光源，P點(diǎn)為亮條紋。答案(1)暗條紋(2)亮條紋光的衍射3(多選)關(guān)于光的衍射現(xiàn)象，下面說法正確的是()A紅光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋B白光的單縫衍射圖樣是紅暗相間的直條紋C光照到不透明小圓盤上出現(xiàn)泊松亮斑，說明發(fā)生了衍射D光照到較大圓孔上出現(xiàn)大光斑，說明光沿直線傳播，不存在光的衍射E在單縫衍射中增大單縫到屏的距離，衍射條紋變寬ACE單色光照到狹縫上產(chǎn)生的衍射圖樣是亮暗相間的直條紋，A正確；白光的衍射圖樣是彩色條紋，故B錯(cuò)誤；光照到不透明圓盤上，在其陰影處出現(xiàn)亮點(diǎn)，是衍射現(xiàn)象，故C正確；光的衍射現(xiàn)象只有明顯與不明顯之分，D項(xiàng)中屏上大光斑的邊緣模糊，正是光的衍射造成的，不能認(rèn)為不存在光的衍射現(xiàn)象，D錯(cuò)誤；與雙縫干涉相似，增大單縫到屏的距離，衍射條紋變寬，故E正確。4(2019·日照模擬)光傳感器可用來測(cè)量光屏上的光強(qiáng)分布。如圖甲所示為某同學(xué)利用單縫做的一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，圖乙為該同學(xué)使用光傳感器對(duì)該實(shí)驗(yàn)所采集到的光屏上的光強(qiáng)分布圖象，則該同學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)是光的_(選填“干涉”或“衍射”)實(shí)驗(yàn)；根據(jù)圖乙可以看出，光屏上中央亮條紋的光強(qiáng)分布特點(diǎn)是_。甲乙解析由圖乙可知，條紋中間亮、兩邊窄，是衍射條紋；根據(jù)光的衍射原理，則光屏上中央亮條紋的光強(qiáng)分布特點(diǎn)是中間強(qiáng)兩邊弱。答案衍射中間強(qiáng)兩邊弱光的偏振5(多選)如圖所示，電燈S發(fā)出的光先后經(jīng)過偏振片A和B，人眼在P處迎著入射光方向，看不到光亮，則()A圖中a光為自然光B圖中a光為偏振光C圖中b光為偏振光D以SP為軸將B轉(zhuǎn)過180°后，在P處將看到光亮E以SP為軸將B轉(zhuǎn)過90°后，在P處將看到光亮ACE自然光沿各個(gè)方向發(fā)散是均勻分布的，通過偏振片后，透射光是只沿著某一特定方向振動(dòng)的光。從電燈直接發(fā)出的光為自然光，A對(duì)，B錯(cuò)；它通過A偏振片后，即變?yōu)槠窆?，則C對(duì)；設(shè)通過A的光沿豎直方向振動(dòng)，P點(diǎn)無光亮，則B偏振片只能通過沿水平方向振動(dòng)的偏振光，將B轉(zhuǎn)過180°后，P處仍無光亮，D錯(cuò)；若將B轉(zhuǎn)過90°，則該偏振片將變?yōu)槟芡ㄟ^豎直方向上振動(dòng)的光的偏振片，則偏振光能通過B，即在P處有光亮，E對(duì)。 電磁波相對(duì)論依題組訓(xùn)練1(多選)關(guān)于電磁波譜，下列說法正確的是()AX射線對(duì)生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變B射線是波長(zhǎng)最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高C紫外線比紫光更容易發(fā)生干涉和衍射D在電磁波譜中，最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象的是射線E在電磁波譜中，無線電波一般可用于通信ABE紫外線比紫光的波長(zhǎng)短，更不容易發(fā)生干涉和衍射，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在電磁波譜中，最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象的是無線電波，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2(多選)關(guān)于機(jī)械波、電磁波和相對(duì)論的下列說法正確的是()A機(jī)械波和電磁波在介質(zhì)中的傳播速度僅由介質(zhì)決定B假設(shè)火車以接近光速的速度通過站臺(tái)，站臺(tái)上的旅客觀察到車上的乘客變矮了C簡(jiǎn)諧機(jī)械波傳播時(shí)單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過介質(zhì)中某點(diǎn)的完全波的個(gè)數(shù)就是這列波的頻率D用光導(dǎo)纖維束傳播圖象信息利用了光的全反射E在真空中傳播的兩列電磁波，頻率大的波長(zhǎng)短CDE機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)決定，與波的頻率無關(guān)，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)和波的頻率均有關(guān)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；火車以接近光速的速度通過站臺(tái)時(shí)，站臺(tái)上的旅客觀察到車上的乘客變瘦了，而不是變矮，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；簡(jiǎn)諧波的振動(dòng)周期與傳播周期相同，故單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過介質(zhì)中某點(diǎn)的完全波的個(gè)數(shù)就是這列簡(jiǎn)諧波的頻率，選項(xiàng)C正確；光導(dǎo)纖維束是用全反射來傳輸圖象信息的，選項(xiàng)D正確；在真空中傳播的兩列電磁波，傳播速度相同，由vf知，頻率越大，波長(zhǎng)越短，選項(xiàng)E正確。3如圖所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對(duì)地面的速度均為v(v接近光速c)。地面上的人測(cè)得它們相距為L(zhǎng)，則飛船A上的人測(cè)得兩飛船間的距離_(選填“大于”“等于”或“小于”)L。當(dāng)B向A發(fā)出一光信號(hào)，飛船A上的人測(cè)得該信號(hào)的速度為_。解析狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理之一就是光速不變?cè)?，因此飛船A上的人測(cè)得信號(hào)的速度仍等于c(或光速)，以地面為參考系，在運(yùn)動(dòng)方向有尺縮效應(yīng)現(xiàn)象，而B相對(duì)A是靜止的，沒有尺縮效應(yīng)現(xiàn)象，則飛船A上的人測(cè)得兩飛船距離應(yīng)大于L。答案大于c(或光速) 實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)依題組訓(xùn)練1實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)器材雙縫干涉儀、光具座、光源、學(xué)生電源、導(dǎo)線、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭、刻度尺。2實(shí)驗(yàn)原理(1)根據(jù)公式x得x。(2)用刻度尺測(cè)出雙縫到光屏的距離l，用測(cè)量頭調(diào)節(jié)清晰的干涉條紋，測(cè)出n個(gè)亮紋間的距離a，則x。雙縫間距d是已知的，這樣就可以計(jì)算出波長(zhǎng)。3注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)調(diào)整光源、單縫、雙縫和光屏、測(cè)量頭共軸，單縫和雙縫安裝時(shí)應(yīng)豎直且相互平行，遮光筒的軸線要與光具座導(dǎo)軌平行。若不共軸或單縫與雙縫不平行則會(huì)引起干涉條紋亮度小，不清晰，不便于觀察和測(cè)量。(2)分劃板上的刻線應(yīng)與干涉條紋的亮(暗)線平行，否則會(huì)增大測(cè)量的誤差。(3)雙縫、測(cè)量頭安裝到遮光筒上時(shí)要裝到底，使各部件的定位面緊密吻合，否則會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。(4)雙縫干涉演示儀的測(cè)量頭有兩種，一種相當(dāng)于螺旋測(cè)微器，一種相當(dāng)于游標(biāo)卡尺，具體應(yīng)用時(shí)要加以區(qū)別。(5)測(cè)量雙縫至屏的距離l，要多次測(cè)量取平均值，同時(shí)要固定好雙縫及屏，切勿松動(dòng)。題組訓(xùn)練1在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。甲(1)某同學(xué)以線狀白熾燈為光源，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)并觀察了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，總結(jié)出以下幾點(diǎn)，正確的是()A燈絲與單縫和雙縫必須平行放置B干涉條紋與雙縫垂直C干涉條紋的疏密程度與單縫寬度有關(guān)D干涉條紋的間距與光的波長(zhǎng)有關(guān)(2)當(dāng)測(cè)量頭中的分劃板中心刻線對(duì)齊某條紋的中心時(shí)，手輪上的示數(shù)如圖乙所示，該讀數(shù)為_mm。(3)如果測(cè)量頭中的分劃板中心刻線與干涉條紋不在同一方向上，如圖丙所示。則在這種情況下測(cè)量干涉條紋的間距x時(shí)，測(cè)量值_(選填“大于”“小于”或“等于”)實(shí)際值。乙丙解析(1)為了獲得清晰的干涉的亮條紋，A正確；干涉條紋與雙縫平行，B錯(cuò)誤；干涉條紋的間距x與單縫寬度無關(guān)，與光的波長(zhǎng)有關(guān)，C錯(cuò)誤，D正確。(2)手輪的讀數(shù)為0.5 mm20.0×0.01 mm0.700 mm。(3)條紋與分劃板不平行時(shí)，實(shí)際值x實(shí)x測(cè)cos ，為條紋與分劃板間的夾角，故x實(shí)<x測(cè)。答案(1)AD(2)0.700(3)大于2在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀按要求安裝在光具座上，如圖甲所示，并選用縫間距d0.2 mm的雙縫屏。從儀器注明的規(guī)格可知，像屏與雙縫屏間的距離l700 mm。然后，接通電源使光源正常工作。甲乙丙(1)已知測(cè)量頭主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50個(gè)分度。某同學(xué)調(diào)整手輪后，從測(cè)量頭的目鏡看去，第一次映入眼簾的干涉條紋如圖乙(a)所示，圖乙(a)中的數(shù)字是該同學(xué)給各暗紋的編號(hào)，此時(shí)圖乙(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x11.16 mm；接著再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，映入眼簾的干涉條紋如圖丙(a)所示，此時(shí)圖丙(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x2_mm。(2)利用上述測(cè)量結(jié)果，經(jīng)計(jì)算可得兩個(gè)相鄰明紋(或暗紋)間的距離x_mm；這種色光的波長(zhǎng)_nm。解析(1)由游標(biāo)尺的讀數(shù)規(guī)則可知：x2(15.01×0.02)mm15.02 mm。(2)題圖乙(a)中暗紋與題圖丙(a)中暗紋間的間隔為6個(gè)，故x2.31 mm；由x可知660 nm。答案(1)15.02(2)2.3166010