第4讲 光的波动性 电磁波 相对论
知识排查
光的干涉
1.产生条件
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。
图1
2.两种典型的干涉 (1)杨氏双缝干涉。 ①原理如图1所示。 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Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0、1、2，…)，光屏上出现明条纹。 b.光的路程差Δr＝r2－r1＝(2k＋1)(k＝0、1、2，…)，光屏上出现暗条纹。
2(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相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝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。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。
光的衍射 偏振
1.光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射。
2.光发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象。 3.衍射图样
(1)单缝衍射：中央为亮条纹，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光。
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λld(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。
(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。 4.光的偏振现象 (1)偏振
光波只沿某一特定的方向的振动。 (2)自然光
太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。 (3)偏振光
在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。
电磁波与相对论
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3.0×10 m/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.电磁波的发射和接收 (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；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱。 ②电磁波谱的特性、应用
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电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 3.狭义相对论 (1)狭义相对论的两个基本假设
特性 波动性强、易发生衍射 热效应 引起视觉 化学效应、荧光效应、能杀菌消毒 贯穿本领强 贯穿本领最强 应用 无线电技术 红外线遥感 照明、摄影 医用消毒、防伪 检查、医用透视 工业探伤、医用治疗 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)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＝m0
v2
1－（）c。
②物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0。 (3)长度的相对性
沿相对运动方向上长度缩短(尺缩效应)
l＝l01－（）
vc2
(4)时间间隔的相对性(钟慢效应) Δt＝
Δτ1－（）vc 2
4.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＝mc。
小题速练
思考判断
(1)光的干涉和衍射现象说明了光是波，也能说明光是横波。( ) (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。( )
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(5)自然光是偏振光。( )
(6)阳光在水面的反射光是偏振光。( )
(7)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。( ) (8)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)×
光的干涉现象
1.双缝干涉
(1)光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同。
(2)双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝λ。
(3)用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白条纹，两侧为彩色 条纹。 2.薄膜干涉
(1)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。
ld
图2
(2)光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，两列光波同相叠加，出现明纹；反相叠加，出现暗纹。 (3)条纹特点：①单色光：明暗相间的水平条纹； ②白光：彩色水平条纹。
【例1】 (2016·江苏单科，12B)(1)杨氏干涉实验证明光的确是一种波，一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上，两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满足干涉的必要条件，则两列光的__________相同。如图3所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷，如果放置光屏，在________(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹。
图3
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(2)在上述杨氏干涉实验中，若单色光的波长λ＝5.89×10 m，双缝间的距离
－7
d＝1 mm，双缝到屏的距离l＝2 m。求第1个亮条纹到第11个亮条纹的中心
间距。
解析 (1)从两狭缝发出的光，它们的频率相同，是干涉光，在波峰与波谷相遇的区域中，振动相互抵消，会出现暗条纹，即在C点出现暗条纹。 (2)相邻亮条纹的中心间距Δx＝λ 由题意知，亮条纹的数目n＝10 解得L＝
ldnlλ－2
，代入数据得L＝1.178×10 m。 d－2
答案 (1)频率 C (2)1.178×10 m
【例2】 如图4甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是________。
图4
A.干涉现象是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B.干涉现象是由凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的
解析 由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故选项A正确，B错误；由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化的，形成不等间距的干涉条纹，故选项C正确，D错误。 答案 AC
光的衍射和光的偏振现象
1.对光的衍射的理解
(1)衍射是波的特征，波长越长，衍射现象越明显。任何情况下都可以发生衍射现象，只有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，光才可以看作是沿直线传播的。 2.自然光和偏振光的比较
自然光(非偏振光) 偏振光 - 5 -
高考物理总复习 第十三章 机械振动 机械波 光 电磁波 第4讲 光的波动性 电磁波 相对论教案(选修3-4)
