第4单元 光的波动性电磁波相对论 必备知识要打牢 抓双基 固本源 F握程度 IBEL ZHISHI YAO DALAO 加如说点 光的干涉和衍射 相一相 在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为△x=06m;若分别用频率为f 50×1014H和丘2=7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝时,P点会出现亮条纹还是暗条 纹? 「提示]根据乙=矿得c=4,可求两种单色光的波长分别为 3×108 A==50×101m=06pm 3×108 f7.5×10 m=0.4m 与题给条件△x=0.6m比较可知△=h1= 故用频率为f的光照射双缝时,P点出现亮条纹;用频率为f的光照射双缝时,P点出 现暗条纹。 [记一记] 、光的干涉 产生条件 (1)两列光的频率相同,振动方向相同,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的干涉图 (2)将同一列光波分解为两列光波,可以获得相干光源,双缝干涉和薄膜干涉都是用此 方法获得相干光源。 2两种典型的干涉 (1)杨氏双缝干涉: ①原理如图12-4-1所示
1 第 4 单元 光的波动性__电磁波__相对论 光的干涉和衍射 [想一想] 在双缝干涉实验中，双缝到光屏上 P 点的距离之差为 Δx＝0.6 μm；若分别用频率为 f1 ＝5.0×1014 Hz 和 f2＝7.5×1014 Hz 的单色光垂直照射双缝时，P 点会出现亮条纹还是暗条 纹？ [提示] 根据 v＝λf 得 c＝λf，可求两种单色光的波长分别为： λ1＝ c f1 ＝ 3×108 5.0×1014 m＝0.6 μm λ2＝ c f2 ＝ 3×108 7.5×1014 m＝0.4 μm 与题给条件 Δx＝0.6 μm 比较可知 Δx＝λ1＝ 3 2 λ2。 故用频率为 f1 的光照射双缝时，P 点出现亮条纹；用频率为 f2 的光照射双缝时，P 点出 现暗条纹。 [记一记] 一、光的干涉 1．产生条件 (1)两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图 样。 (2)将同一列光波分解为两列光波，可以获得相干光源，双缝干涉和薄膜干涉都是用此 方法获得相干光源。 2.两种典型的干涉 (1)杨氏双缝干涉： ①原理如图 12－4－1 所示
图12-4-1 ②明、暗条纹的条件: (i)单色光:形成明暗相间的条纹,中央为明条纹。 光的路程差n-n=丛(k=0,1,2…),光屏上出现明条纹。 b.光的路程差n-n1=(2k+1)(k=0,1,2…),光屏上出现暗条纹 (i)白光:光屏上出现彩色条纹,且中央亮条纹是白色(填写颜色)。 ③条纹间距公式:Ax=4 (2)薄膜干 ①相干光:光照射到透明薄膜上,从薄膜的两个表面反射的两列光波。 ②图样特点:同双缝干涉,同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等。 ③应用:增透膜,利用光的干涉检查平整度 光的衍射 1.光的衍射 光绕过障碍物偏离直线传播的现象 2.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 3.衍射条纹的特点 (1)单缝衍射:单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹,两侧是明暗相间的条纹, 条纹宽度比中央窄且暗:白光的衍射图样为中间宽且亮的白条纹,两侧是渐窄且暗的彩色条 (2)圆孔衍射:明暗相间的不等距圆环。 (3)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,在圆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) [试一试] 如图12-4-2所示,一束白光从左侧射入肥皂薄膜,下列说法正确的是()
2 图 12－4－1 ②明、暗条纹的条件： (ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹。 a．光的路程差 r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出现明条纹。 b．光的路程差 r2－r1＝(2k＋1) λ 2 (k＝0,1,2…)，光屏上出现暗条纹。 (ⅱ)白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。 ③条纹间距公式：Δx＝ l d λ。 (2)薄膜干涉： ①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波。 ②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等。 ③应用：增透膜，利用光的干涉检查平整度。 二、光的衍射 1．光的衍射 光绕过障碍物偏离直线传播的现象。 2．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。 3．衍射条纹的特点 (1)单缝衍射：单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹， 条纹宽度比中央窄且暗；白光的衍射图样为中间宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条 纹。 (2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。 (3)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，在圆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)。 [试一试] 1．如图 12－4－2 所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法正确的是( )
图12-4-2 A.人从右侧向左看,可看到彩色条纹 B.人从左侧向右看,可看到彩色条纹 C.彩色条纹水平排列 D.彩色条纹竖直排列 解析:选BC一束白光照射到薄膜上经薄膜两个界面上反射回来的光再相遇时产生干 涉现象,这样当人从左侧向右看时,可以看到彩色条纹,选项B正确,A错误。由于薄膜 从上向下逐渐加厚,在同一水平线上的厚度相同,故彩色条纹是水平排列的,选项C正确 D错误 电磁场与电磁波 「想一想] 电磁波在传播过程中,每处的电场方向与磁场方向有何关系?它们与电磁波的传播方向 有何关系? 提示]垂直垂直 [记一记] 1.电磁波的产生 (1)麦克斯韦电磁场理论: 变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场 (2)电磁场 变化的电场和变化的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 电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波 ①电磁波是横波,在空间传播不需要介质。 ②真空中电磁波的速度为3×108m/s ③=f对电磁波同样适用。 ④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象 2.电磁波的发射与接收 (1)发射电磁波的条件 ①要有足够高的振荡频率 ②电路必须开放,使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。 (2)调制有调幅和调频两种方式,解调是调制的逆过程
3 图 12－4－2 A．人从右侧向左看，可看到彩色条纹 B．人从左侧向右看，可看到彩色条纹 C．彩色条纹水平排列 D．彩色条纹竖直排列 解析：选 BC 一束白光照射到薄膜上经薄膜两个界面上反射回来的光再相遇时产生干 涉现象，这样当人从左侧向右看时，可以看到彩色条纹，选项 B 正确，A 错误。由于薄膜 从上向下逐渐加厚，在同一水平线上的厚度相同，故彩色条纹是水平排列的，选项 C 正确， D 错误。 电磁场与电磁波 [想一想] 电磁波在传播过程中，每处的电场方向与磁场方向有何关系？它们与电磁波的传播方向 有何关系？ [提示] 垂直 垂直 [记一记] 1．电磁波的产生 (1)麦克斯韦电磁场理论： 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。 (2)电磁场： 变化的电场和变化的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： 电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波。 ①电磁波是横波，在空间传播不需要介质。 ②真空中电磁波的速度为 3×108m/s。 ③v＝λf 对电磁波同样适用。 ④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。 2．电磁波的发射与接收 (1)发射电磁波的条件： ①要有足够高的振荡频率； ②电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。 (2)调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程
(3)电磁波谱 ①定义:按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线 和γ射线,形成电磁波谱。 ②电磁波谱的特性、应用:
4 (3)电磁波谱： ①定义：按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线 和 γ 射线，形成电磁波谱。 ②电磁波谱的特性、应用：
电磁波谱频率m真空中波 特性 应用 递变规律 波动性强 无线电技 无线电波 >103易发生衍 衍直 术 射 射线 红外线 能 红外线 103~107热效应 遥感 力播 可见光 1015 07引起视觉照明、摄影减能 化学效应 弱力 紫外线 荧光数应医用消毒、 增 防伪 能杀菌 106~10-8~10 X射线 贯穿性检查、医用 1019 透视 贯穿本领工业探伤 Y射线 <10-1 最强 医用治疗 [试一试] 2.下列说法正确的是() A.麦克斯韦证明了光的电磁说的正确性 B.红外线的显著作用是热作用,紫外线最显著的作用是化学作用 C.X射线的穿透本领比γ射线更强 D.X射线与γ射线的产生机理不同,因此它们的频率范围界线分明,不可能重叠 解析:选B麦克斯韦提岀了光的电磁说,赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。Ⅹ 射线是原子的内层电子受激发而产生的,γ射线是原子核受激发而产生的,产生机理确实不 同,但X射线和γ射线都有一个较大的频率范围,较高频率的X射线与较低频率的γ射线 产生了重叠,其他相邻电磁波间也存在重叠。综上所述,A、D选项不正确,B选项与事实 致,C选项与事实相反;所以只有选项B正确 知识点三 相对论 「想一想] 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多
5 电磁波谱 频率/Hz 真空中波 长/m 特性 应用 递变规律 无线电波 ＜3× 1011 ＞10－3 波动性强， 易发生衍 射 无线电技 术 衍 直 射 线 能 传 力 播 减 能 弱 力 增 强 红外线 1011～ 1015 10－3～10－7 热效应 红外线 遥感 可见光 1015 10－7 引起视觉 照明、摄影 紫外线 1015～ 1017 10－7～10－9 化学效应、 荧光效应 能杀菌 医用消毒、 防伪 X 射线 1016～ 1019 10－8～10－ 11 贯穿性强 检查、医用 透视 γ 射线 ＞1019 ＜10－11 贯穿本领 最强 工业探伤、 医用治疗 [试一试] 2．下列说法正确的是( ) A．麦克斯韦证明了光的电磁说的正确性 B．红外线的显著作用是热作用，紫外线最显著的作用是化学作用 C．X 射线的穿透本领比 γ 射线更强 D．X 射线与 γ 射线的产生机理不同，因此它们的频率范围界线分明，不可能重叠 解析：选 B 麦克斯韦提出了光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。X 射线是原子的内层电子受激发而产生的，γ 射线是原子核受激发而产生的，产生机理确实不 同，但 X 射线和 γ 射线都有一个较大的频率范围，较高频率的 X 射线与较低频率的 γ 射线 产生了重叠，其他相邻电磁波间也存在重叠。综上所述，A、D 选项不正确，B 选项与事实 一致，C 选项与事实相反；所以只有选项 B 正确。 相 对 论 [想一想] 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多
少倍?粒子运动速度是光速的多少倍? [提示]k [记一记 狭义相对论的基本假设 (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 2.时间和空间的相对性 (1)时间间隔的相对性:△r= (2)长度的相对性:1=b0/1- 3.相对论的速度变换公式 ′+U 1 4.相对论质量 5.质能方程 3.惯性系S中有一边长为l的正方形(如图12-4-3所示),从相对S系沿x方向以接 近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是() 图12-4-3 解析:选C由l=6-(可知沿速度方向即x方向的长度变短了,而垂直于速度 方向,即y轴上的边长不变,故C对。 高频考点要通关 抓考点 攻重点 得找高分掌握程度 6
6 少倍？粒子运动速度是光速的多少倍？ [提示] k k 2－1 k [记一记] 1．狭义相对论的基本假设 (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。 2．时间和空间的相对性 (1)时间间隔的相对性：Δt＝ Δτ 1－( v c ) 2 。 (2)长度的相对性：l＝l0 1－( v c ) 2。 3．相对论的速度变换公式 u＝ u′＋v 1＋ u′v c 2 。 4．相对论质量 m＝ m0 1－( v c ) 2 。 5．质能方程 E＝mc2。 [试一试] 3．惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形(如图 12－4－3 所示)，从相对 S 系沿 x 方向以接 近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是( ) 图 12－4－3 解析：选 C 由 l＝l0 1－( v c ) 2可知沿速度方向即 x 方向的长度变短了，而垂直于速度 方向，即 y 轴上的边长不变，故 C 对
号点 光的干涉与衍射 1行射与干涉的比较 两种现象 单缝衍射 双缝干涉 比较项目 条纹宽度条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等 不同点 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮,两边变暗|清晰条纹,亮度基本相等 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射 相同点 都有明暗相间的条纹 2.干涉与衍射的本质 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果,从本质上讲,衍射条纹的形成与干涉条 纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中,可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波 它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。 「例1](2011北京高考)如图12-4-4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( 单缝屏双缝屏光屏 图12-4-4 A.增大S1与S2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 尝试解题] 由Δx=知,d增大,Δx减小,A错误;/减小;Ax减小,B错误;绿光波长小于红 光波长,大于紫光波长,易判定C正确,D错误。 答案]C 对电磁场理论的认识 (1)恒定的磁场周围没有电场产生,同理,恒定的电场周围也没有磁场产生。 (2)变化的磁场产生电场
7 光的干涉与衍射 1.衍射与干涉的比较 两种现象 比较项目 单缝衍射 双缝干涉 不同点 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，两边变暗 清晰条纹，亮度基本相等 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射 都有明暗相间的条纹 2．干涉与衍射的本质 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条 纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波， 它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。 [例 1] (2011·北京高考)如图 12－4－4 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( ) 图 12－4－4 A．增大 S1 与 S2 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 [尝试解题] 由 Δx＝ l d λ 知，d 增大，Δx 减小，A 错误；l 减小；Δx 减小，B 错误；绿光波长小于红 光波长，大于紫光波长，易判定 C 正确，D 错误。 [答案] C 对电磁场理论的认识 (1)恒定的磁场周围没有电场产生，同理，恒定的电场周围也没有磁场产生。 (2)变化的磁场产生电场
(3)变化的电场产生磁场。 (4)周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系,形成一个不可分离的统一的场 就是电磁场。 例2]下列关于电磁场的说法中正确的是() A.只要空间某处有变化的电场或磁场,就会在其周围产生电磁场,从而形成电磁波 B.任何变化的电场周围一定有磁场 C.振荡电场和振荡磁场交替产生,相互依存,形成不可分离的统一体,即电磁场 D.电磁波的理论在先,实践证明在后 审题指导] 分析麦克斯韦的电磁场理论时,要注意“变化”“均匀变化”“周期性变化”这几种说 法的不同。 尝试解题] 根据麦克斯韦的电磁场理论可知选项A错,若电场或磁场的变化是均匀的,则不能形 成电磁波,只能形成稳定的磁场或电场,B项正确。若电场的变化是非均匀的,则可形成电 磁场,由电磁场的定义可知C正确。英国物理学家麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在 并指出电磁波的特点。例如:电磁波的传播不需要介质,它在真空中的速度等于光速,电磁 波是横波等,进而说明光是电磁波家庭中的一员,二十多年后德国物理学家赫兹用实验验证 了电磁波的存在,所以D正确。 [答案]BCD
8 (3)变化的电场产生磁场。 (4)周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系，形成一个不可分离的统一的场， 就是电磁场。 [例 2] 下列关于电磁场的说法中正确的是( ) A．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波 B．任何变化的电场周围一定有磁场 C．振荡电场和振荡磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场 D．电磁波的理论在先，实践证明在后 [审题指导] 分析麦克斯韦的电磁场理论时，要注意“变化”“均匀变化”“周期性变化”这几种说 法的不同。 [尝试解题] 根据麦克斯韦的电磁场理论可知选项 A 错，若电场或磁场的变化是均匀的，则不能形 成电磁波，只能形成稳定的磁场或电场，B 项正确。若电场的变化是非均匀的，则可形成电 磁场，由电磁场的定义可知 C 正确。英国物理学家麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在， 并指出电磁波的特点。例如：电磁波的传播不需要介质，它在真空中的速度等于光速，电磁 波是横波等，进而说明光是电磁波家庭中的一员，二十多年后德国物理学家赫兹用实验验证 了电磁波的存在，所以 D 正确。 [答案] BCD