1、【 精品教育资源文库 】 第 4 讲 光的波动性 电磁波和相对论 一、光的干涉、衍射和偏振 1.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 亮 条纹，某些区域相互减弱，出现 暗 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 相同 、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 白色亮 条纹，其余为 彩色 条纹 . 2.光的衍射 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.光的偏振 (1)自然光：包含着在垂直于传
2、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 让自然光通过 偏振片 形成偏振光 . 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 横 波 . 自测 1 (多选 )下列属于光的干涉现象的是 ( ) 答案 BC 【 精品教育资源文库 】 解析 图 A 属于单缝衍射，图 B 属于薄膜干涉，图 C 属于薄膜干涉，图 D 属于白光的色散，故属 于光的干涉现象的是 B、 C. 二、电磁波和相对论
3、 1.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 电场 ，变化的电场能够在周围空间产生 磁场 . (2)电磁波 电磁场在空间由近及远的传播，形成 电磁波 . 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 ). 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 . v f ， f 是电磁波的频率 . (3)电磁波的发射 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 ). 调制方式 a.调幅：使高频电磁波的 振幅 随信号的强弱而变 . b.调频：使
4、高频电磁波的 频率 随信号的强弱而变 . (4)无线电波的接收 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 . 使接收电路产生电谐振的过程叫做 调谐 ，能够调谐的接收电路叫做 调谐 电路 . 从经过调制的高频振荡中 “ 检 ” 出调制信号的过程，叫做 检波 .检波是 调制 的逆过程，也叫做 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做电磁波谱 . 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、 射线 . 2.相对论 (1)狭义相对论的两个基本假设 狭义相对性原理：在
5、不同的惯性参考系中，一切物理规律都是 相同 的 . 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 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： 【 精品教育资源文库 】 m m01 vc 2. 物体运动时的质量总要 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. 自测 2 关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是 ( ) A.电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 B.手机在通话
6、时涉及的波既有电磁波又有声波 C.太阳光中的可见光和医院 “B 超 ” 中的超声波传播速度相同 D.遥控器发出的红外线波长和医院 “CT” 中的 X 射线波长相同 答案 B 解析 电磁波和声波都能传递信息，比如人们之间的语言交流，选项 A 错误；太阳光中的可见光属于电磁波，而 “B 超 ” 中的超声波属于机械波，它们的传播速度不同，选项 C 错误；遥 控器发出的红外线波长比 X 射线波长大得多，选项 D 错误；手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波，选项 B 正确 . 自测 3 关于狭义相对论的说法，不正确的是 ( ) 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
7、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 命题点一 光的干涉现象 1.双缝干涉 (1)条纹间距公式： x ld ，对同一双缝干涉装置，光 的波长越长，干涉条纹的间距越大 . (2)明暗条纹的判断方法： 如图 1 所示，光源 S1、 S2发出的光到屏上 P 点的路程差为 r r2 r1. 【 精品教育资源文库 】 图 1 当 r k (k 0,1,2?) 时，光屏上 P 处出现明条纹 . 当 r (2k 1) 2(k 0,1,2?) 时，光屏上 P 处出现暗条纹 . 2.薄膜干涉
8、 (1)形成原因：如图 2 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 . 图 2 (2)明暗条纹的判断方法： 两个表面反射回来的两列光波的路程差 r，等于薄膜厚度的 2 倍 . 在 P1、 P2处， r n (n 1,2,3?) ，薄膜上出现明条纹 . 在 Q 处， r (2n 1) 2(n 0,1,2,3?) ，薄膜上出现暗条纹 . 类型 1 光的双缝干涉 例 1 关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是 ( ) A.单缝的作用是获得频率相同的两相干光源 B.双缝的作用是获得
9、两个振动情况相同的相干光源 C.光屏上距两缝的路程差等于半个波长的整数倍处出现暗条纹 D.照射到单缝的单色光的频率越高， 光屏上出现的条纹越宽 答案 B 解析 单缝的作用是获得一束细光，故 A 错误；双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源， B 正确；屏上出现暗条纹处距两缝的路程差等于半个波长的奇数倍，故 C 错误；单色光的频率越高，波长越短，根据 x ld ，知相邻条纹的间距越小，条纹越窄，故 D 错误 . 例 2 如图 3 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【 精品教育资源文库 】 S1和 S2距离之差为 2.110 6 m，今分别用
10、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？ 图 3 (1)已知 A 光在折射率为 n 1.5 的介质中波长为 410 7 m； (2)已知 B 光在某种介质中波长为 3.1510 7 m，当 B 光从这种介质射向空气时，临界角为37(sin 37 0.6， cos 37 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 cv 12得 1 n 2 1.5410 7 m 610 7 m 根据路程差 r 2.110
11、6 m 所以 N1 r1 2.110 6 m610 7 m 3.5 由此可知，从 S1和 S2到 P 点的路程差 r 是波长 1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 3为 3 n 介 533.1510 7 m 5.2510 7 m 所以 N2 r3 2.110 6 m5.2510 7 m 4 可见，用 B 光做光源， P 点为亮条纹 . (3)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 . 类型 2 光的薄膜干涉 例 3 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图 4
12、 甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜 .当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点： 【 精品教育资源文库 】 图 4 (1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； (2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 . 现若在图甲的装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹 ( ) A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失 答案 A 解析 如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏， A 正确 . 变式 1 一束白光在真空
13、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 解析 白光包含各种颜色的光，它们的波长不同，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，所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹， A 正确 . 命题点二 光的衍射和偏振现象 1.对光的衍射的理解 (1)波长越长，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
14、 . (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，光才可以看做是 沿直线传播的 . 2.单缝衍射与双缝干涉的比较 【 精品教育资源文库 】 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 情况 中央条纹最亮，两边变暗 条纹清晰，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 【 精品教育资源文库 】 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.光的偏振 (1)自然光与偏振光的比较 类别 自然光 (非偏振光 ) 偏振光 光的 来源 从普通光
