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第4讲光的波动性电磁波相对论（实验：用双缝干涉测光的波长）一光的干涉二光的衍射三光的偏振基础过关四电磁场电磁波电磁波谱五相对论的简单知识考点一光的干涉考点二光的衍射和偏振现象考点三电磁场电磁波电磁波谱考点突破考点四实验：双缝干涉测光的波长基础过关一、光的干涉1.光的干涉在两列光波叠加的区域,某些区域的光相互①加强,出现亮条纹,某些区域的光相互②减弱,出现暗条纹,且③加强区域和减弱区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象。2.干涉条件两列光的④频率相等,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的干涉现象。3.双缝干涉由同一光源发出的光经双缝后,在屏上出现亮暗相间的条纹。白光的双缝干涉的条纹是中央为⑤白色条纹,两边为⑥彩色条纹,单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为Δx= λ。ld4.薄膜干涉利用薄膜(如肥皂液薄膜)⑦前后两面反射的光相遇而形成的。干涉图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应的薄膜厚度⑧相同。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⑨相差不多,甚至比光的波长⑩还小的时候,衍射现象才会明显。(2)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)。2.衍射条纹的特点(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较三、光的偏振1.自然光:包含着在垂直于传播方向上沿 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(1)让自然光通过 偏振片形成偏振光。(2)让自然光在两种介质的界面发生反射和 折射,反射光和折射光都是偏振光。4.光的偏振现象说明光是一种 横波。四、电磁场电磁波电磁波谱1.电磁场变化的电场在周围空间产生磁场,变化的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。2.电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播,形成 电磁波。(2)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是 相同的(都等于光速)。(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 小。(4)v=λf,f是电磁波的频率。3.电磁波的发射(1)发射条件: 开放电路和足够高的 振荡频率。(2)调制方式a.调幅:使高频电磁波的 振幅随信号的强弱而变。调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段。b.调频:使高频电磁波的 频率随信号的强弱而变。调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法调制。4.无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率 相等时,激起的感应电流 最强,这就是 电谐振现象。(2)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。(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 调制的逆过程,所以叫做 解调。调幅波的解调也叫 检波。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、γ射线。(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,光速与光源和观测者间的相对运动没有关系。五、相对论的简单知识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,一切物理规律都是相同的。(2)物体运动时的质量m总要 大于静止时的质量m0。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= mc2。2.相对论的质速关系(1)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:m= 。021mvc1.判断下列说法对错。(1)光的颜色取决于折射率。 (✕)(2)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。 (√)(3)在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光变成单色光。 (✕)(4)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。(✕)(5)自然光是偏振光。 (✕)(6)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。 (✕)(7)无线电波不能发生干涉和衍射现象。 (✕)(8)波长不同的电磁波在本质上完全不同。 (✕)2.(2016天津理综,1,6分)我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1~10m范围内,则对该无线电波的判断正确的是 (C) A.米波的频率比厘米波频率高B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象D.不可能产生干涉和衍射现象3.下列关于电磁波的说法正确的是 (B)A.麦克斯韦提出了电磁场理论,并用实验证实了电磁波的存在B.各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样,为3×108m/sC.经过调幅后的电磁波是横波,经过调频后的电磁波是纵波D.红外线是波长比可见光波长还长的电磁波,常用于医院和食品消毒4.(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细,如图所示,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 (ADE)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E.如果屏上条纹变细,表明抽制的丝变粗考点一光的干涉考点突破1.双缝干涉中亮、暗条纹的确定双缝干涉实验中,光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差,记为δ。如图所示。(1)若光程差δ是波长λ的整倍数,即δ=nλ(n=1,2,3,…),P点将出现亮条纹;(2)若光程差δ是半波长的奇数倍,即δ=(2n+1) (n=0,1,2,3,…),P点将出现暗条纹;(3)屏上到双缝S1、S2距离相等的点为加强点,故双缝干涉中央条纹为亮条纹。2λ2.薄膜干涉的理解(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。 (2)光照射到薄膜上时,在膜的前表面AA'和后表面BB'分别反射回来,形成两列频率相同的光波,并且叠加,两列光波同相叠加,出现亮条纹;反相叠加,出现暗条纹。(3)原理分析单色光:①在P1(或P2)处,两个表面反射回来的两列光波的光程差δ等于波长的整数倍,即δ=nλ(n=1,2,3,…),薄膜上出现亮条纹;②在Q处,两列反射回来的光波的光程差δ等于半波长的奇数倍,即δ=(2n+1) (n=0,1,2,3,…),薄膜上出现暗条纹。白光:薄膜上出现水平彩色条纹。2λ(4)薄膜干涉的应用①干涉法检查平面平整度的原理:如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光从上面照射时,从空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方,两列光波的路程差相同,两列光波叠加时相互加强或减弱的情况也相同,所以若被测表面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测表面不平。 ②被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法:即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走,始终保持脚踏被检板,头顶样板,在行走过程中:a.若遇一凹下,他必向薄膜的尖端方向去绕,方可按上述要求过去,即条纹某处弯向薄膜尖端,该处为一凹下。(如图中P点)b.若某处有一凸起,他要想过去,必向薄膜底部方向去绕,即条纹某处弯向薄膜底部方向时,该处必为一凸起。(如图中Q点) 例如图所示,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2.1×10-6m,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4×10-7m;(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°(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。解析(1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2。由n= = ,得λ1=nλ2=1.5×4×10-7m=6×10-7m光程差Δx=2.1×10-6m所以N1= = =3.5由此可知,从S1和S2到P点的光程差Δx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sinC= 得cv12λλ1xλ672.110m610m1n答案(1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析n1= = 由此可知,B光在空气中波长λ3为λ3=n1λ介= ×3.15×10-7m=5.25×10-7m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。1sin3753533xλ672.110m5.2510m考向1双缝干涉现象1.在双缝干涉实验中,分别用红色和绿色的激光照射同一双缝,在双缝后的屏幕上,红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比,Δx1Δx2(填“”、“=”或“”)。若实验中红光的波长为630nm,双缝与屏幕的距离为1.00m,测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5mm,则双缝之间的距离为mm。答案0.300解析根据公式Δx= λ,红光波长大于绿光波长,因此Δx1Δx2。根据题意,相邻亮条纹间距Δx= mm=2.1mm,所以d= =3.00×10-4m=0.300mm。ld10.561lλx考向2薄膜干涉现象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上下两面反射形成的两列光叠加的结果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.观察薄膜干涉条纹时,应在入射光的另一侧答案AC解析根据薄膜干涉的产生原理可知,题述现象是由空气劈尖膜上下两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项对,B项错;因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的一侧,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,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。(1)条纹间距的影响因素:相邻亮条纹或相邻暗条纹的间距Δx与双缝到屏的距离l成正比,与两狭缝之间距离d成反比,与光的波长λ成正比,即Δx= λ。(2)色光颜色、频率、波长的关系:光的颜色由频率决定,光的频率由光源决定,在可见光中红光频率最低,紫光最高,真空中各色光光速相同,由c=λf知,真空中红光波长最大,紫光最小。(3)要明确同种颜色的光在不同介质中传播时,频率不变,波长随波速的变化而变化,要注意n= = 及v=λf的综合运用。ldcv真空介质方法技巧考点二光的衍射和偏振现象1.光的干涉和衍射的比较(1)干涉和衍射的比较(2)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.自然光和偏振光的比较自然光(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1.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.a、b是光的干涉图样B.c、d是光的干涉图样