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2022版高考物理一轮复习 第14章 光 电磁波 第2节 光的波动性 电磁波学案

2022版高考物理一轮复习 第14章 光 电磁波 第2节 光的波动性 电磁波学案

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第2节　光的波动性　电磁波

一、光的干涉、衍射及偏振
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。
二、电磁场　电磁波
电磁波的特点
(1)电磁波是横波，电场强度E和磁感应强度B的方向都与传播方向垂直。
(2)电磁波传播时不需要任何介质，在真空中传播的速度最大，c＝3×108 m/s。
(3)电磁波本身是一种物质，它具有能量。
(4)具有波的特征，能产生反射、折射、衍射、干涉等现象。

1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。 (√)
(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。 (×)
(3)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。 (×)
(4)自然光是偏振光。 (×)
(5)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播便形成了电磁波。 (×)
(6)在真空中传播的电磁波，当它的频率增加时，它的传播速度不变，波长变短。 (√)
(7)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。 (×)
2．在五彩缤纷的大自然中，我们常常会见到一些彩色光的现象，下列现象中不属于光的干涉的是(　　)
A．洒水车喷出的水珠在阳光照耀下出现的彩色现象
B．小孩儿吹出的肥皂泡在阳光照耀下出现的彩色现象
C．雨后天晴马路上油膜在阳光照耀下出现的彩色现象
D．实验室用双缝实验得到的彩色条纹
A　[A属于光的色散现象；B、C属于光的薄膜干涉现象；D属于光的双缝干涉现象。]
3．下列说法正确的是(　　)
A．“3D电影”的播放和观看利用了光的衍射
B．色散现象表明白光是复色光
C．泊松亮斑是光的干涉现象
D．增透膜的厚度应为入射光在增透膜中波长的
B　[“3D电影”利用光的偏振现象，选项A错误；泊松亮斑是光的衍射现象，选项C错误；增透膜的厚度应为入射光在增透膜中波长的，选项D错误。]
4．(2018·江苏高考)梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波。该电磁波(　　)
A．是纵波
B．不能在真空中传播
C．只能沿着梳子摇动的方向传播
D．在空气中的传播速度约为3×108 m/s
D　[电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，可以沿任意方向传播，既能在真空中传播，也能在介质中传播。电磁波在空气中的传播速度约为3×108 m/s，故选项D正确。]
5．在观察光的双缝干涉现象的实验中：
(1)将激光束照在如图乙所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图甲中的________。

甲　　　　　　　　　　乙　　　
(2)换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将________；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将________(以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”)。
[解析]　(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，A图正确。
(2)根据Δx＝λ知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄。
[答案]　(1)A　(2)变宽　变窄

光的干涉　[分考向训练]
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。

甲　　　　　　　　　乙
(1)若光程差δ是波长λ的整数倍，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)光屏上到双缝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。
2．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。
　光的双缝干涉
1．(2017·全国卷Ⅱ改编)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，不可选用的方法是(　　)
A．改用红色激光
B．改用蓝色激光
C．减小双缝间距
D．将屏幕向远离双缝的位置移动
B　[在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx＝λ，因此要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可减小双缝间的距离，增大屏幕与双缝的距离，换用波长更长或频率更小的光做光源。故选B。]
2．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2.1×10－6 m，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4×10－7 m；
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 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)。
[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＝1.5×4×10－7 m＝6×10－7 m
根据路程差Δx＝2.1×10－6 m
所以N1＝＝＝3.5
由此可知，从S1和S2到P点的路程差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sin C＝得
n′＝＝
由此可知，B光在空气中波长λ3为
λ3＝n′λ介＝×3.15×10－7 m＝5.25×10－7 m
所以N2＝＝＝4
可见，用B光做光源，P点为亮条纹。
[答案]　(1)暗条纹　(2)亮条纹
　薄膜干涉现象
3．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，条纹远离劈尖移动
D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧
A　[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项错误。]
4．如图甲所示，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，以下说法不正确的是(　　)

　　　甲　　　　　　乙
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．若使用半径大一些的凸薄透镜，则干涉条纹的间距要变大
B　[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C正确；若使用半径大一些的凸薄透镜，则空气薄膜上的厚度变化更慢，则形成的干涉条纹的间距要变大，故D正确。]
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

干涉
衍射
现象
光在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
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更小
典型实验
杨氏双缝实验
单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射
图样不同点
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、衍射图样都有明暗相间的条纹
(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，光才可以看成是沿直线传播的。
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
　光的衍射
1．在一束单色光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后，在光屏上得到如下四幅图样，关于光屏前传播方向上放置的装置，以下说法正确的是(　　)

甲　　　　乙　　　　丙　　　　　丁
A．甲是单缝、乙是双缝
B．乙是双缝、丙是小圆孔
C．丁是小圆孔、甲是双缝
D．丙是小圆孔、丁是小圆板
D　[根据衍射与干涉图样的区别是：前者是中间亮条纹明且宽大，越向两侧宽度越小；后者明暗条纹宽度相等，可知甲图是双缝干涉条纹，乙图是单缝衍射条纹；根据小孔衍射与泊松亮斑的区别可知，小圆孔做衍射的图样是中央较大的区域内是亮的，周围是明暗相间的圆环，可知丙是小孔衍射，丁是小圆板衍射图样。所以只有D是正确的。]
2．抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，观察激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(　　)

A．这里应用的是光的衍射现象
B．这里应用的是光的直线传播性
C．这里应用的是光的干涉现象
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
A　[当障碍物的尺寸与波的波长相当，或小于波的波长，会发生明显的衍射，该装置的原理是运用光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则说明衍射现象更加明显，可知金属丝变细。故B、C、D错误，A正确。]
　光的偏振
3．假设所有的汽车前窗玻璃和车灯玻璃均按同一要求设置，使司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。以下措施中可行的是(　　)
A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的
B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向也是竖直的
C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向也是斜向右上45°
D　[如果透振方向是竖直的话，那么会车时，两车的光不能叠加相消，也就是对方车辆的光仍要照到自己，感到眼花；若前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°，则对方车辆的光与自己前窗正好成90度，对方的光就通不过你的前窗射到你的眼，不会发生眼花，故D正确。]
4．(2021·江苏省新高考适应性考试)小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光转动镜片时发现光有强弱变化下列说法能够解释这一现象的是(　　)
A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用
B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用
C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用
D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用
B　[发现强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用。故选B。]
电磁场　电磁波　电磁波谱　
1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2．LC振荡电路
(1)放电过程：电场能转化为磁场能，q↓→i↑，充电过程：磁场能转化为电场能，q↑ →i↓。
(2)充电完毕：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小；放电完毕：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小。
(3)LC回路的周期和频率T＝2π，f＝。
3．对电磁波的理解
(1)电磁波是横波。电磁波的电场强度E、磁感应强度B、传播方向v三者两两垂直，如图所示。

(2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。
4．电磁波谱分析及应用
电磁
波谱
频率/Hz
真空中
波长/m
特性
应用
递变
规律
无线
电波
<3×1011
>10－3
波动性强，易发生衍射
无线电技术

红外线
1011～1015
10－3～10－7
热效应
红外遥感
可见光
1015
10－7
引起视觉
照明、摄影
紫外线
1015～1017
10－7～10－9
化学效应、荧光效应、灭菌消毒
医用消毒、防伪
X射线
1016～1019
10－8～10－11
贯穿本领强
检查、医用透视
γ射线
>1019
<10－11
贯穿本领最强
工业探伤、医用治疗
　LC振荡电路
1．某个智能玩具的声响开关与LC电路中的电流有关，如图所示为玩具内的LC振荡电路部分。已知线圈自感系数L＝2.5×10—3 H，电容器电容C＝4 μF，在电容器开始放电时(取t＝0)，上极板带正电，下极板带负电，则(　　)

A．LC振荡电路的周期T＝π×10－4 s
B．当t＝π×10－4 s时，电容器上极板带正电
C．当t＝×10－4 s时，电路中电流方向为顺时针
D．当t＝×10－4 s 时，电场能正转化为磁场能
C　[由公式T＝2π＝2×3.14× s＝6.28×10－4 s，故A错误；当t＝π×10－4 s＝，即电容器先放电再反向充电，所以电容器上极板带负电，故B错误；当t＝×10－4 s即<t<，即电容器处于反向充电过程，所以电流方向为顺时针，磁场能正在转化为电场能，故C正确，D错误。]
2．如图所示，LC振荡电路的导线及自感线圈的电阻不计，在图示状态回路中电流方向如箭头所示，且此时电容器C的极板A带正电荷，则该状态(　　)

A．电流i正在增大
B．电容器带电量正在增加
C．电容器两极板间电压正在减小
D．线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在增大
B　[根据图示电路知，该LC振荡电路正在充电，电流在减小，磁场能转化为电场能，A错误；电路充电，电容器的带电量在增大，B正确；电容器的带电量在增大，根据U＝ 得出，电压在增大，C错误；充电的过程，电量在增加，磁场能转化为电场能，电流在减小，所以线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在减小，D错误。]
　电磁波
3．关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关
B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波
C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度方向、磁感应强度方向平行
D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输
B　[电磁波在真空中的传播速度恒为光速，A错误；根据麦克斯韦电磁理论可得周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，B正确；变化的电场与变化的磁场共同产生电磁场，电磁波是横波，电磁波的电场强度方向与磁感应强度方向总是相互垂直，且与传播方向垂直，C错误；电磁波可以在介质中传播，所以可以利用电缆、光缆进行有线传播，也可以不需要介质进行传播，即无线传播，D错误。]
4．关于各种电磁波的性质比较，下列说法中正确的有(　　)
A．由于红外线的波长比可见光长，所以比可见光更难发生干涉、衍射
B．由于γ射线的波长太短了，所以根本无法发生干涉、衍射
C．无论哪一种电磁波，在真空中的传播速度都相同
D．γ射线的穿透能力最强，所以最适于用来透视人体，检查骨骼和其它病变情况
C　[由于红外线的波长比可见光长，所以比可见光更容易衍射，故A错误；干涉、衍射是波的特有属性，γ射线是电磁波，尽管γ射线的波长太短了，但仍能发生干涉、衍射，故B错误；根据麦克斯韦电磁理论，无论哪一种电磁波，在真空中的传播速度都相同，故C正确； γ射线对人体有较大的伤害，所以一般不用来做透视，故D错误。]