2024高考物理一輪復(fù)習(xí)2.2光的波動性電磁波相對論題型突破練含解析選修3-4

PAGE14-光的波動性電磁波相對論考點(diǎn)一光的干涉雙縫干涉【典例1】(2024·全國卷Ⅱ)某同學(xué)利用圖示裝置測量某種單色光的波長。試驗(yàn)時，接通電源使光源正常發(fā)光；調(diào)整光路，使得從目鏡中可以視察到干涉條紋?；卮鹣铝袉栴}： (1)若想增加從目鏡中視察到的條紋個數(shù)，該同學(xué)可_________；

A.將單縫向雙縫靠近B.將屏向靠近雙縫的方向移動C.將屏向遠(yuǎn)離雙縫的方向移動D.運(yùn)用間距更小的雙縫(2)若雙縫的間距為d,屏與雙縫間的距離為l,測得第1條暗條紋到第n條暗條紋之間的距離為Δy,則單色光的波長λ=__________;

(3)某次測量時,選用的雙縫的間距為0.300mm,測得屏與雙縫間的距離為1.20m,第1條暗條紋到第4條暗條紋之間的距離為7.56mm。則所測單色光的波長為【通型通法】1.題型特征:光的干涉。2.思維導(dǎo)引:(1)明確影響條紋間距的因素l、d、λ。(2)由題給的條件比照Δy=ldλ,【解析】(1)選B。Δy=ldλ,因Δy越小,目鏡中視察到的條紋數(shù)越多,將單縫向雙縫靠近,對條紋個數(shù)無影響,A錯誤;如l減小,則條紋個數(shù)增多,B正確,C錯誤;若d減小,則條紋個數(shù)削減,D(2)相鄰兩條暗條紋之間的距離是Δy0=Δy由公式得Δy0=ldλ,所以λ=Δ(3)把各數(shù)據(jù)代入波長公式,有:λ=0.300×10-3答案:(1)B(2)Δyd(n薄膜干涉【典例2】關(guān)于薄膜干涉，下列說法中正確的是 ()A.只有厚度勻稱的薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象B.只有厚度不勻稱的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象C.厚度勻稱的薄膜會形成干涉條紋D.視察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，視察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)【通型通法】1.題型特征：光的薄膜干涉。2.思維導(dǎo)引：(1)薄膜干涉是通過一側(cè)光照耀到薄膜前后兩個面反射回來形成的同頻率的光形成的。(2)前后兩個面反射回來的光波的路程差，①為波長的整數(shù)倍，振動加強(qiáng)出現(xiàn)明條紋；②為半個波長奇數(shù)倍，振動減弱出現(xiàn)暗條紋?！窘馕觥窟xD。當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照耀到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿意振動加強(qiáng)的條件，就會出現(xiàn)明條紋，滿意振動減弱的條件就會出現(xiàn)暗條紋。這種狀況在薄膜厚度不勻稱時才會出現(xiàn)；當(dāng)薄膜厚度勻稱時，不會出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象，假如是單色光照耀，若滿意振動加強(qiáng)的條件，整個薄膜前方都是亮的，否則整個薄膜的前方都是暗的；假如是復(fù)色光照耀，某些顏色的光因干涉而減弱，另一些顏色的光會因干涉而加強(qiáng)，減弱的光透過薄膜，加強(qiáng)的光被反射回來，這時會看到薄膜的顏色呈某種單色光的顏色，但不形成干涉條紋。1.雙縫干涉：(1)光能夠發(fā)生干涉的條件：兩光的頻率相同，振動步調(diào)相同。(2)明暗條紋的推斷方法：如圖所示，光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點(diǎn)的路程差為Δr=r2-r1。當(dāng)Δr=kλ(k=0，1，2…)時，光屏上P′處出現(xiàn)明條紋。當(dāng)Δr=(2k+1)λ2(k=0，1，2…)時，光屏上P′(3)用白光照耀雙縫時，形成的干涉條紋的特點(diǎn)：中心為白條紋，兩側(cè)為彩色條紋。(4)雙縫干涉形成的條紋是等間距的，兩相鄰亮條紋或相鄰暗條紋間距離與波長成正比，即Δy=ldλ2.薄膜干涉：(1)形成緣由：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。光照耀到薄膜上時，在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。(2)明暗條紋的推斷方法：兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr，等于薄膜厚度的2倍。在P1、P2處，Δr=nλ(n=1，2，3…)，薄膜上出現(xiàn)明條紋。在Q處，Δr=(2n+1)λ2(n=0，1，2，3…)，(3)條紋特點(diǎn)：①單色光：明暗相間的水平條紋；②白光：彩色水平條紋。(4)薄膜干涉的應(yīng)用。干涉法檢查平面如圖所示，兩板之間形成一楔形空氣膜，用單色光從上向下照耀，假如被檢平面是平整光滑的，會視察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲?！炯庸逃?xùn)練】1.(多選)(2024·全國卷Ⅱ)在雙縫干涉試驗(yàn)中，用綠色激光照耀在雙縫上，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E.將光源向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動【解析】選A、C、D。據(jù)Δx=ldλ可知改用紅色激光、減小雙縫間距、屏幕向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動可增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，故選A、C、D2.把一個平行玻璃板壓在另一個平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構(gòu)成空氣劈尖，讓單色光從上方射入(如圖)，這時可以看到亮暗相間的條紋。下面關(guān)于條紋的說法中正確的是 ()A.將薄片向著劈尖移動使劈角變大時，條紋變疏B.將薄片遠(yuǎn)離劈尖移動使劈角變小時，條紋變疏C.上玻璃板是被檢測件，下玻璃板是標(biāo)準(zhǔn)件D.亮暗相間的條紋在上玻璃板的上表面上【解析】選B。當(dāng)將薄片向著劈尖移動使劈角變大時，相鄰亮條紋間距變小，所以干涉條紋會變密；若將薄片遠(yuǎn)離劈尖移動使劈角變小時，相鄰亮條紋間距變大，所以干涉條紋會變疏，故A項(xiàng)錯誤，B項(xiàng)正確；該圖中，上玻璃板是標(biāo)準(zhǔn)件，下玻璃板是被檢測件，故C項(xiàng)錯誤；從空氣膜的上下表面分別反射的兩列光是相干光，發(fā)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)條紋，所以此條紋是由上方玻璃板的下表面和下方玻璃板的上表面反射光疊加后形成的，條紋在上玻璃板的下表面上，故D項(xiàng)錯誤。考點(diǎn)二光的衍射偏振光的衍射【典例3】(2024·江蘇高考)將兩支鉛筆并排放在一起，中間留一條狹縫，通過這條狹縫去看與其平行的日光燈，能視察到彩色條紋，這是由于光的______(選填“折射”“干涉”或“衍射”)。當(dāng)縫的寬度_________(選填“遠(yuǎn)大于”或“接近”)光波的波長時，這種現(xiàn)象非常明顯。

【通型通法】1.題型特征：光的衍射現(xiàn)象。2.思維導(dǎo)引：(1)光能繞過障礙物的現(xiàn)象，是光的衍射現(xiàn)象。(2)當(dāng)障礙物或縫的寬度與光波的波長接近或比光波的波長小時，能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象?！窘馕觥客ㄟ^兩支鉛筆中間的縫能看到彩色條紋，說明光繞過縫而到人的眼睛，所以這是光的衍射現(xiàn)象；由發(fā)生明顯衍射條件可知，當(dāng)縫的寬度與光波的波長接近或比光波的波長小得多時能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。答案：衍射接近光的偏振【典例4】(多選)關(guān)于光的偏振，下列說法正確的是 ()A.自然光通過偏振片后，就得到了偏振光B.拍攝水面下的景物時，加偏振片可使像更清楚C.全部的波都具有偏振現(xiàn)象D.立體電影是應(yīng)用光的偏振的一個實(shí)例E.自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，折射光是偏振光，反射光不是偏振光【解析】選A、B、D。自然光通過偏振片后，從而得到在某一方向振動的光，這就是偏振光，故A項(xiàng)正確；拍攝水面下的景物時，為防止反射光，所以在照相機(jī)鏡頭前裝一個偏振片可減弱水面反射光的影響，故B項(xiàng)正確；只有橫波才能發(fā)生光的偏振現(xiàn)象，故C項(xiàng)錯誤；立體電影的制作利用了光的偏振現(xiàn)象，放映的時候也是用雙鏡頭放映機(jī)，其中每個鏡頭前放有偏振方向不同的偏振光片，觀眾戴的眼鏡上也有相對應(yīng)方向的偏振光片，這樣每只眼睛就只能看到一個鏡頭所投影的圖像，故D項(xiàng)正確；自然光是在垂直于傳播方向上的沿一切方向振動且各個方向振動的光波強(qiáng)度都相同，透過一個偏振片后就成為偏振光，偏振光經(jīng)過一個偏振片后仍是偏振光，故E項(xiàng)錯誤。光的干涉和衍射的比較【典例5】(2024·北京高考)利用圖1所示的裝置(示意圖)，視察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到如圖2中甲和乙兩種圖樣。下列關(guān)于P處放置的光學(xué)元件說法正確的是 ()A.甲對應(yīng)單縫，乙對應(yīng)雙縫B.甲對應(yīng)雙縫，乙對應(yīng)單縫C.都是單縫，甲對應(yīng)的縫寬較大D.都是雙縫，甲對應(yīng)的雙縫間距較大【通型通法】1.題型特征：光的干涉和衍射現(xiàn)象的比較。2.思維導(dǎo)引：(1)光的干涉現(xiàn)象是兩列波的疊加，衍射是光繞過障礙物的現(xiàn)象。(2)單縫衍射圖樣為中心亮條紋最寬最亮，往兩邊變窄；雙縫干涉圖樣是明暗相間的條紋，條紋間距相等?！窘馕觥窟xA。單縫衍射圖樣為中心亮條紋最寬最亮，往兩邊變窄，雙縫干涉圖樣是明暗相間的條紋，條紋間距相等，條紋寬度相等，結(jié)合圖2甲、乙可知，甲對應(yīng)單縫，乙對應(yīng)雙縫，故A正確，B、C、D錯誤。1.對光的衍射的理解：(1)波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，在任何狀況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的差別。(2)衍射現(xiàn)象說明“光沿直線傳播”只是一種特別狀況，只有在光的波長比障礙物小得多時，光才可以看作是沿直線傳播的。2.單縫衍射與雙縫干涉的比較：單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)條紋寬度條紋寬度不等，中心最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度狀況中心條紋最亮，兩邊變暗條紋清楚，亮度基本相等相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋3.光的偏振：(1)自然光與偏振光的比較。類別自然光(非偏振光)偏振光光的來源從一般光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿隨意方向，且沿各個方向振動的光的強(qiáng)度相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動沿特定方向(2)偏振光的應(yīng)用：加偏振濾光片的照相機(jī)鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消退車燈眩光等?！炯庸逃?xùn)練】1.通過下列現(xiàn)象，不能正確地反映光具有的本性的是 ()A.泊松亮斑說明光具有波動性B.薄膜干涉說明光具有波動性C.單縫衍射說明光具有波動性D.偏振現(xiàn)象說明光是一種縱波【解析】選D。光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是一種波，A、B、C正確；偏振現(xiàn)象說明光是橫波，D錯誤。2.如圖，用激光照耀直徑小于激光束的不透亮圓盤，例如小分幣，我們可以在光屏上看到的圖樣為下列圖中的 ()【解析】選B。當(dāng)用激光照耀直徑小于激光束的不透亮圓盤時，在圓盤后屏上的陰影中心出現(xiàn)了一個亮斑，亮斑的四周是明暗相間的環(huán)狀衍射條紋。這就是泊松亮斑，是激光繞過不透光的圓盤發(fā)生衍射形成的，故B項(xiàng)正確，A、C、D項(xiàng)錯誤?？键c(diǎn)三電磁波和電磁波譜【典例6】(多選)應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論推斷如圖所示的表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖象中(每個選項(xiàng)中的上圖表示變更的場，下圖表示變更的場產(chǎn)生的另外的場)，正確的是 ()【解析】選B、C。A圖中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知四周空間不會產(chǎn)生電場，A圖中的下圖是錯誤的；B圖中的上圖是勻稱變更的電場，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B圖正確；C圖中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位差為π2，C圖是正確的；D圖的上圖是振蕩的電場，可在其四周空間產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場，但是下圖中的圖象與上圖相比較，相位差為π，故D1.電磁波與機(jī)械波的比較：名稱項(xiàng)目電磁波機(jī)械波相同點(diǎn)能量都攜帶能量并傳播能量速度公式v=λf遵循規(guī)律均可發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象不同點(diǎn)產(chǎn)生由周期性變更的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動產(chǎn)生本質(zhì)是物質(zhì)，是電磁現(xiàn)象，是電磁振蕩的傳播不是物質(zhì)，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播傳播機(jī)理電磁場交替感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)間相互作用傳播介質(zhì)不須要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必需有介質(zhì)(真空中不能傳播)波的種類橫波既有橫波也有縱波速度特點(diǎn)由介質(zhì)和頻率確定，在真空中等于光速(很大)(c=3×108僅由介質(zhì)確定2.電磁波譜的特性及應(yīng)用：電磁波譜特性應(yīng)用遞變規(guī)律無線電波簡潔發(fā)生衍射通信和廣播紅外線熱效應(yīng)紅外線遙感可見光引起視覺照明等紫外線熒光效應(yīng)，能殺菌滅菌消毒、防偽X射線穿透實(shí)力強(qiáng)醫(yī)用透視、安檢γ射線穿透實(shí)力很強(qiáng)工業(yè)探傷、醫(yī)用治療【加固訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是 ()A.變更的磁場四周肯定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān)B.周期性變更的磁場產(chǎn)生同頻率變更的電場C.變更的電場和變更的磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場D.電場四周肯定存在磁場，磁場四周肯定存在電場【解析】選A、B、C。只要有變更的磁場，四周就存在電場，與是否有閉合電路無關(guān)，故A項(xiàng)正確；周期性變更的磁場會產(chǎn)生同頻率變更的電場，故B項(xiàng)正確；變更的電場和變更的磁場相互聯(lián)系著，形成一個統(tǒng)一體，即電磁場，故C項(xiàng)正確；只有變更的電場才能形成磁場，而只有交變的電場才能形成變更的磁場，若電場或磁場是恒定的，不會產(chǎn)生磁場或電場，故D項(xiàng)錯誤。2.目前，我國正在開展5G網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)工作，并將于2024年進(jìn)入全面5G時代。屆時，將開啟萬物互聯(lián)時代：車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、才智城市、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動駕駛技術(shù)等將一一變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。5G，即第五代移動通信技術(shù)，采納3300～5000MHz頻段，相比于現(xiàn)有的4G(即第四代移動通信技術(shù)，1880～2635MHz頻段)技術(shù)而言，具有極大的帶寬、極大的容量和極低的時延。5G信號與4G信號相比下列說法正確的是 ()A.5G信號在真空中的傳播速度更快B.5G信號是橫波，4G信號是縱波C.5G信號粒子性更顯著D.5G信號更簡潔發(fā)生明顯衍射【解析】選C。任何電磁波在真空中的傳播速度均為光速，故傳播速度相同，故A項(xiàng)錯誤；電磁波均為橫波，故B項(xiàng)錯誤；5G信號的頻率更高，則其粒子性更顯著，故C項(xiàng)正確；因5G信號的頻率更高，則波長小，故4G信號更簡潔發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故D項(xiàng)錯誤?？键c(diǎn)四狹義相對論的簡潔應(yīng)用1.(多選)(2024·江蘇高考)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有 ()A.飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快B.飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢C.地球上的人觀測到地球上的鐘較快D.地球上的人觀測到地球上的鐘較慢【解析】選A、C。飛船上的人以飛船為參考系，故地球是高速運(yùn)動的，依據(jù)愛因斯坦的運(yùn)動延時效應(yīng)，飛船上的人觀測到地球上的鐘較慢，即飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快，故A正確，B錯誤；地球上的人以地球?yàn)閰⒖枷?，認(rèn)為飛船高速運(yùn)動，依據(jù)延時效應(yīng)，飛船上的鐘較慢，故地球上的人觀測到地球上的鐘較快，C正確，D錯誤。2.(多選)在狹義相對論中，下列說法正確的是 ()A.一切運(yùn)動物體相對于視察者的速度都不能大于真空中的光速B.質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與視察者的相對運(yùn)動狀態(tài)而變更的C.慣性系中的視察者，視察一個與他做相對運(yùn)動的時鐘時，會看到這個時鐘比與他相對靜止的相同的時鐘走得慢些D.大型粒子加速器能夠?qū)щ娏Ｗ蛹铀僦凉馑俚?9.9%，假如接著加速，粒子的速度將超過光速【解析】選A、B、C。依據(jù)狹義相對論的速度變換公式可知，光速是物體的極限速度，選項(xiàng)A正確；由質(zhì)量相對性、長度相對性和時間間隔的相對性可知，選項(xiàng)B、C均正確；光速為極限速度，任何速度都不能超過真空中的光速，選項(xiàng)D錯誤。1.狹義相對論的兩個基本假設(shè)：(1)狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，光速與光源、觀測者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。2.相對論質(zhì)能關(guān)系：用m表示物體的質(zhì)量，E表示它具有的能量，則愛因斯坦質(zhì)能方程為：E=mc2。【加固訓(xùn)練】1.一艘太空飛船靜止時的長度為30m，他以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，A.飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30B.地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30C.飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD.地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c【解析】選B。依據(jù)相對論學(xué)問推斷地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30m，故A項(xiàng)錯誤，B項(xiàng)正確；由光速不變原理知C、2.如圖所示，兩艘飛船A、B沿同始終線同向飛行，相對地面的速度均為v(v接近光速c)。地面上測得它們相距L，則從A測得兩飛船間的距離___________(選填“大于”“等于”或“小于”)L。當(dāng)B向A發(fā)出一光信號，A測得該信號的速度為___________。

【解析】從飛船A測量時飛船B是靜止時，從地面上測量時兩飛船都是運(yùn)動的，由相對論的“尺縮效應(yīng)”知運(yùn)動長度要縮短，故從地面測得的飛船間距小。由光速不變原理知光信號的傳播速度與參考系是無關(guān)的，故A測得該信號的速度仍為光速c。答案：大于c(或光速)考點(diǎn)五試驗(yàn)：用雙縫干涉測光的波長【典例7】用雙縫干涉測光的波長的試驗(yàn)裝置如圖甲所示,已知單縫與雙縫的距離L1=60mm,雙縫與光屏的距離L2=700mm,單縫寬d1=0.0.25mm。 (1)分劃板的中心刻線分別對準(zhǔn)第1條和第4條亮條紋的中心時,手輪上的示數(shù)如圖乙所示,則對準(zhǔn)第1條時示數(shù)y1=__________mm,對準(zhǔn)第4條時示數(shù)y2=__________mm,相鄰兩條亮條紋間的距離Δy=__________mm。

(2)計(jì)算波長的公式λ=__________;求得的波長是__________nm(保留三位有效數(shù)字)。

【解析】(1)對準(zhǔn)第1條時示數(shù)y1=(2+0.01×19.0)mm=2.190對準(zhǔn)第4條時示數(shù)y2=(7.5+0.01×36.9)mm=7.869相鄰兩條亮條紋間的距離Δy=y2-y14-(2)由干涉條紋間距公式Δy=ldλ可得波長λ=d2L2Δy=6.76×10-7m=676答案