【创新设计】2022届高考物理一轮 （考纲自主研读+命题探究+高考全程解密） 第4讲光的波动性 电磁波 相对论简介（含解析） 新人教版选修3-4

第4讲　光的波动性　电磁波　相对论简介光的干涉、衍射和偏振　Ⅰ(考纲要求)【思维驱动】(单选)如图1－4－1是双缝干涉实验装置的示意图，图1－4－1S为单缝，S1、S2为双缝，P为光屏．用绿光从左边照射单缝S时，可在光屏P上观察到干涉条纹．下列说法正确的是(　　)．A．减小双缝间的距离，干涉条纹间的距离减小B．增大双缝到屏的距离，干涉条纹间的距离增大C．将绿光换为红光，干涉条纹间的距离减小D．将绿光换为紫光，干涉条纹间的距离增大解析　由双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ可知，减小双缝间的距离d，干涉条纹间的距离Δx增大，A错误；增大双缝到屏的距离L，干涉条纹间的距离增大，B正确；将绿光换为红光，入射光的波长增大，干涉条纹间的距离应增大，C错误；将绿光换为紫光，入射光的波长变短，干涉条纹间的距离应减小，D错误．答案　B【知识存盘】1．光的干涉和衍射比较内容干涉衍射现象在光重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象13\n产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或小得多典型实验杨氏双缝干涉实验单缝衍射、圆孔衍射、不透明圆盘衍射图样特点不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2.薄膜干涉(1)相干光来自于薄膜的前、后表面(或上、下表面)反射回来的两列反射光．(2)薄膜干涉的应用：增透膜；检查工件的平整度(如图1－4－2所示)．图1－4－23．自然光和偏振光的比较表自然光(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，且沿各个方向光振动的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向激光的特性及应用　Ⅰ(考纲要求)【思维驱动】(单选)(2022·江苏单科，12B(1))(单选)激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛．下面关于激光的叙述正确的是(　　)．A．激光是纵波B．频率相同的激光在不同介质中的波长相同13\nC．两束频率不同的激光能产生干涉现象D．利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离解析　电磁波是横波，A项错；光在不同介质中传播速度不同，波长也不同，B项错；相干光的条件是频率相同，C项错，D项正确．答案　D【知识存盘】激光的特点及应用(1)激光的平行度好、方向性好，可以精确测距．(2)激光的单色性好、相干性好，可以像无线电波一样进行调制，用来传递信息；还可以用来全息照相．(3)激光的亮度高，可以利用激光切割、焊接，医学上用激光做“光刀”来切开皮肤；进行激光核聚变．电磁波谱、电磁波及其应用　Ⅰ　(考纲要求)【思维驱动】(单选)下列关于电磁波的说法正确的是(　　)．A．电磁波必须依赖介质传播B．电磁波可以发生衍射现象C．电磁波不会发生偏振现象D．电磁波无法携带信息传播解析　根据电磁波的产生机理及传播特性可知，电磁波的传播不需要介质，选项A错误；干涉、衍射是所有波都具有的共同特性，选项B正确；由于电磁波是横波，故能发生偏振现象，选项C错误；电磁波能够携带图象、声音等信息进行传播，选项D错误．答案　B【知识存盘】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．13\n3．电磁波(1)电磁场在空间由近及远的传播，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．4．电磁波谱电磁波谱特性应用真空中波长/m频率/Hz递变规律无线电波波动性强，易发生衍射无线电技术>10－3<3×1011波长减小频率增大红外线热效应红外线遥感10－3～10－71011～1015可见光引起视觉照明、摄影10－71015紫外线化学效应、荧光效应、能杀菌医用消毒、防伪10－7～10－91015～1017X射线贯穿性强检查、医用透视10－8～10－111016～1019γ射线贯穿本领最强工业探伤、医用治疗<10－11>101913\n电磁波与机械波的区别：(1)电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播．(2)机械波的波速仅取决于介质，而电磁波的波速与介质及波的频率均有关系．(3)机械波可以是横波也可以是纵波，电磁波只能是横波．狭义相对论的基本假设　Ⅰ　狭义相对论时空　　　观与经典时空观的区别　Ⅰ　同时的相对性　　　长度的相对性　质能关系　Ⅰ(考纲要求)　　　【思维驱动】(单选)属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(　　)．A．真空中光速不变B．时间间隔具有相对性C．物体的质量不变D．物体的能量与质量成正比答案　A【知识存盘】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)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、观测者间的相对运动没有关系．2．狭义相对论时空观与经典时空观经典时空观认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，而相对论认为空间和时间与物质运动状态有关．经典时空观是相对论在低速运动时的特例．3．“同时”的相对性在经典物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考13\n系中一定也是同时的，而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对性的．4．长度的相对性(1)经典物理学认为，一条杆的长度不会因为观察者与杆做相对运动而不同．(2)如果与杆相对静止的人认为杆长l0，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间关系为l＝l0.(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．5．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．考点一　光的干涉现象【典例1】(2022·江苏高考)如图1－4－3所示，图1－4－3在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7m．则在这里出现的应是________(填“明条纹”或暗条纹)．现改用波长为6.30×10－7m的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将________(填“变宽”、变窄或“不变”)．解析　因为＝，即半波长的奇数倍，所以出现暗条纹．根据条纹间距公式Δx＝λ，当单色光的波长变长时，条纹间距变宽．答案　暗条纹　变宽【变式跟踪1】13\n图1－4－4如图1－4－4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、S2距离之差为2.1×10－6m，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°；(3)若让A光照射S1，B光照射S2，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根据路程差Δr＝2.1×10－6m，所以N1＝＝＝3.5由此可知，从S1和S2到P点的路程差是波长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n＝＝由此可知，B光在空气中波长λ3为：λ3＝nλ介＝×3.15×10－7m＝5.25×10－7m由路程差Δr和波长λ的关系N2＝＝＝4可见，用B光做光源，P点为亮条纹．(3)若让A光和B光分别照射S1和S2，这时既不能发生干涉，也不发生衍射，此时在光屏上只能观察到亮光．答案　(1)暗条纹　(2)亮条纹　(3)见解析,借题发挥明、暗条纹的条件(1)单色光(如图1－4－5所示)图1－4－5①光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0，1，2…)，光屏上出现明条纹．13\n②光的路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0，1，2…)，光屏上出现暗条纹．(2)白光：光屏上出现彩色条纹．(3)条纹间距公式：Δx＝λ考点二　光的偏振和衍射【典例2】(单选)(2022·江苏卷，12B)图1－4－6如图1－4－6所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是(　　)．A．A、B均不变　　　　B．A、B均有变化C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变解析　白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后为偏振光，当Q旋转时，只有与P的偏振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光强有变化，选项C正确．答案　C【变式跟踪2】(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是(　　)．A．其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄B．其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄C．其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽D．其他条件不变，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽解析　当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，条纹间距也越大，黄光波长大于绿光波长，所以条纹间距变窄，A、C正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹间距也会变宽，B错误；当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，D正确．答案　ACD,借题发挥1．偏振光的产生方式13\n(1)通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器．第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器．(2)自然光射到两种介质的界面上，如水面、玻璃等表面，形成的反射光和折射光均为偏振光．2．光波是横波光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波，光的偏振现象说明光波是横波．3．除了直接从光源发出的光外，日常生活中遇到的光大都是不同程度的偏振光．考点三　电磁场和电磁波【典例3】(单选)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解析　变化的磁场就能产生电场，A正确．若只有电场和磁场而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，C错．光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断B错．D选项中没强调是“均匀”介质，若介质密度不均匀会发生折射，故D错．答案　A【变式跟踪3】(单选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)．A．雷达是用X光来测定物体位置的设备B．使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调C．用红外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光D．均匀变化的电场可以产生恒定的磁场解析　雷达是利用微波来定位的，A项错误；使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制，B项错误；钞票是利用紫外线的荧光作用，C项错误；均匀变化的电场可以产生恒定的磁场，D项正确．答案　D,借题发挥电磁波的特点1．电磁波是横波．2．波速公式v＝λf对电磁波仍适用，电磁波在真空中的传播速度为c＝3×108m/s，在介质中传播速度比真空中的传播速度小．13\n3．电磁波具有波的一切特征，能产生反射、折射、干涉、衍射等现象．4．电磁波是物质，具有能量，电磁波是传递能量的一种方式．考点四　狭义相对论的简单应用【典例4】(单选)如图1－4－7所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为________(填写选项前的字母)．图1－4－7A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．1.0c解析　根据光速不变原理可知：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故D正确．答案　D【变式跟踪4】(单选)在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的(　　)．①一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速；②质量、长度、时间的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变；③惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些．A．①③是正确的B．①②是正确的C．①②③是正确的D．②③是正确的解析　由爱因斯坦狭义相对论可知，①②③说法均对，故正确答案为C.答案　C,借题发挥对狭义相对论的两个假设的理解1．一切物理规律(包括力学、光学、电磁学等)的数学形式与参考系的选择无关．2．真空中的光速与光源的运动和观察者的运动无关．3．任何惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系，抽象地谈论时间长短和空间尺寸是毫无意义的．虽然时空量度是相对的，但是，客观事物的存在、发生与发展的过程又是绝对的，不以观察者所处的参考系的不同而改变．相对性与绝对性是辩证统一的关系．13\n一、光的干涉、衍射和偏振1．(单选)光的偏振现象说明光是横波．下列现象中不能反映光的偏振特性的是(　　)．A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹解析　由光的偏振现象的知识可知A、B、C均反映了光的偏振特性，只有D选项是利用手指间的狭缝去观察光的衍射现象，故选D.答案　D2．(单选)(2022·成都一模)图1－4－8用如图1－4－8所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈．将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是(　　)．A．当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°B．当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°C．当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°D．干涉条纹保持原来状态不变解析　金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，A、B、C错误，D13\n正确．答案　D3．如图1－4－9所示，A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图样，其中图A是光的________(填“干涉”或“衍射”)图样．由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径________(填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径．图1－4－9解析　A中出现明暗相间的条纹，B中出现圆形亮斑．只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象．图A是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10－7m数量级上，所以图A对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小．图B的形成可以用光的直线传播解释．答案　衍射　小于二、电磁波及其应用4．(多选)(2022·泰州模拟)电磁波与机械波相比较有(　　)．A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质B．电磁波在任何介质中的传播速率都相同，机械波在同一介质中的传播速率相同C．电磁波与机械波都不能产生干涉现象D．电磁波与机械波都能产生衍射现象解析　电磁波传播不需要介质，且在不同介质中，传播速度不同，即v＝；故A正确、B错误；电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，故C错、D正确．答案　AD5．(多选)(2022·湖北天门市抽测)电磁波与声波比较(　　)．A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关解析　可以根据电磁波的特点和声波的特点进行分析，选项A、B均与事实相符，所以13\nA、B项正确；根据λ＝，电磁波速度变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度与介质有关，也与频率有关，所以选项D错误．答案　ABC13