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第十三章 光 电磁波和相对论简介
第二讲 光的波动性 电磁波 相对论简介
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幻灯片 4知识点一 光的干涉
1．产生条件
(1)两列光的 相同，振动方向相同，且具有恒定的 ，才能产生稳定的干涉图样．Zx x k
(2)将同一列光波分解为两列光波，可以获得相干光源， 和薄膜干涉都是用此方法获得相干光源．
频率
相位差
双缝干涉
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幻灯片 52.两种典型的干涉
(1)杨氏双缝干涉
①原理如图所示．
②明、暗条纹的条件
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幻灯片 6明暗相间
kλ
彩色
白色
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(2)薄膜干涉
①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个 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 相等．
③应用： ，利用光的干涉检查平整度．
表面
厚度
增透膜
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1．用白光做双缝干涉实验时，中央出现白色条纹，两侧出现彩色条纹的原因
(1)从双缝射入的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹．
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幻灯片 9(2)两侧各色光的条纹间距与波长成正比，即红光的亮纹间宽度最大，紫光亮纹间宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色条纹．Zx x k
2．薄膜干涉的成因
(1)薄膜特点：如图所示，由于重力作用，肥皂膜上薄下厚．
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(2)相干光线：薄膜前表面AA′和后表面BB′的反射光线叠加．
(3)亮纹条件：在P1、P2处，薄膜厚度的2倍为前后表面反射光的光程差，当光程差等于波长整数倍时形成亮条纹．
(4)暗纹条件：在Q处，光程差等于半波长的奇数倍，形成暗条纹．
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1．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为Δx＝0.6 μm，若分别用频率为f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是( )
A．用频率为f1的单色光照射时，出现明条纹
B．用频率为f2的单色光照射时，出现明条纹
C．用频率为f1的单色光照射时，出现暗条纹
D．用频率为f2的单色光照射时，出现暗条纹
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幻灯片 13答案：AD
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幻灯片 14知识点二 光的衍射
1．光的衍射：光绕过障碍物偏离 传播的现象．
2．产生明显衍射的条件：障碍物或小孔的尺寸跟光波的波长 ，或比光波的波长 ．
3．泊松亮斑：当光照射到不透明的小圆板上时，在圆板的 出现的亮斑．
直线
差不多
小
中央
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1．衍射图样
(1)单缝衍射
①单色光：明暗相间的不等距条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧条纹具有对称性．
②白光：中间为宽且亮的白色条纹，两侧是窄且暗的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，远离中央的是红光．Zx x k
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(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环远远超过孔的直线照明的面积．
(3)圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑称为泊松亮斑(证实光的波动性)．
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幻灯片 172．衍射与干涉的比较
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2．关于光的衍射现象，下面说法正确的是( )
A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹
B．白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹
C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射
D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射现象
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解析：单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现光点，是衍射现象．光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在衍射现象．
答案：AC
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幻灯片 20知识点三 光的偏振
1．偏振：光波只沿 的方向振动，称为光的偏振．
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 振动的光，而且沿各个方向振动的光波的 都相同，这种光叫做自然光．
3．偏振光：在 于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光，叫做偏振光．光的偏振证明光是 ．自然光通过 后，就得到了偏振光．
某一特定
一切方向
强度
垂直
横波
偏振片
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偏振光的产生
1．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．
2．偏振光的产生方式Z xx k
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．
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3．偏振光的理论意义
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．
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3．下列现象中可以说明光是横波的是( )
A．光的干涉和衍射现象
B．光的色散现象
C．光的全反射现象
D．光的偏振现象
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解析：根据光能发生干涉和衍射现象，说明光是一种波，具有波动性；根据光的色散现象，说明同一介质对不同光的折射率不同，也说明不同光在同一介质中的速度不同；根据光的全反射现象，说明光由光密介质进入光疏介质和由光疏介质进入光密介质会有不同的现象；光的偏振现象说明振动方向与光的传播方向垂直，即说明光是横波，所以正确选项为D.
答案：D
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幻灯片 263．实验步骤
(1)安装双缝干涉仪
①先将光源(线状光源)、遮光筒依次放于光具座上，如图甲所示，调整光源的高度，使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮．
甲
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幻灯片 27②将单缝和双缝安装在光具座上，在遮光筒有光屏一端安装测量头，如图乙所示．
乙
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幻灯片 28a．光源、单缝、双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上．
b．双缝与单缝平行．
c．调整分划板位置使分划板中心刻线位于光屏中央．
(2)观察双缝干涉图样
①调节单缝的位置，使单缝和双缝间距离保持在5～10 cm，使缝相互平行，中点大致位于遮光筒的轴线上，这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹，若干涉条纹不清晰，可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝，即可使干涉条纹清晰明亮．在屏上就会看到白光的双缝干涉图样．
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幻灯片 29②将红色(或绿色)滤光片放在单缝前面，通过目镜可看到单色光的双缝干涉图样．
③改变滤光片的颜色和双缝的距离，观察干涉条纹的变化．
(3)测定单色光的波长
①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．
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1．误差分析
(1)测量多条亮条纹间距离时读数不准确或没有使分划板中心刻线与亮条纹中央对齐；
(2)用刻度尺测量双缝到光屏间距离l时产生误差．
2．注意事项
(1)光源灯丝最好是线状灯丝，并与单缝平行且靠近．
(2)安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝相互平行．
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4．(1)某同学利用红激光做“用双缝干涉测光的波长”的实验时，第一次分划板中心刻度线对齐A条纹中心时，如图甲所示，游标卡尺的示数如图丙所示；第二次分划板中心刻度线对齐B条纹中心线时如图乙所示，游标卡尺的读数如图丁所示．已知双缝间距为0.5 mm，双缝到屏的距离为1 m，则图丙中游标卡尺的读数为______mm，图丁中游标卡尺的读数为______ mm.实验时测量多条干涉条纹宽度的目的是____________________．所测光波的波长为______m．(保留两位有效数字)
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幻灯片 34(2)如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两条纹间的距离将______．
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幻灯片 36答案：(1)11.5 16.7 减小误差，提高实验的精确度 6.5×10－7 (2)变小
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幻灯片 37知识点五 电磁波
1．电磁波的产生
(1)电磁场：变化的磁场产生 ，变化的 产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分割的统一体，这就是 ．
电场
电场
电磁场
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幻灯片 38变化的电场
变化的磁场
垂直
横波
3.0×108_m
干涉
衍射
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幻灯片 39开放电路
开放电路
调制
调幅
调频
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幻灯片 40(2)电磁波谱
①按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、 、 、X射线和γ射线，形成电磁波谱．
②不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，才具有不同的特性．
可见光
紫外线
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1．对电磁波的理解
(1)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)．
(2)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．
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幻灯片 432．电磁波谱及各种电磁波的应用
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5．关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是( )
A．均匀变化的电场在它的周围产生均匀变化的磁场
B．电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直，且与波的传播方向垂直
C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播
D．只要空间中某个区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波
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解析：均匀变化的电场只能产生恒定的磁场，电磁波的传播不需要介质，振荡的电场能产生同频率的振荡磁场，故B、D正确．
答案：BD
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幻灯片 46知识点六 相对论
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，一切物理定律都是 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 的，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系．
2．质能方程： .
相同
相同
E＝mc2
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6．对相对论的基本认识，下列说法正确的是( )
A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的
B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量
C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上的快
D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了
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解析：爱因斯坦的质能方程阐明了质量和能量的相互联系，质量和能量是物质存在的两种形式，质量和能量是不同的概念．再由相对论的基本原理可知，只有选项A正确．
答案：A
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如图所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7m，屏中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______(选填“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______(选填“变宽”、“变窄”或“不变”)．
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幻灯片 54答案：暗条纹 变宽
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幻灯片 55【变式训练】1.(2012·大纲全国高考)在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光．为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有( )
A．改用红光作为入射光 B．改用蓝光作为入射光
C．增大双缝到屏的距离 D．增大双缝之间的距离
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解析：根据双缝干涉实验条纹间隔公式，为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有，改用波长较长的红光作为入射光，增大双缝到屏的距离L，减小双缝之间的距离d.故选A、C正确．
答案：AC
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(1)劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示．将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点：
a．任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；b.任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定，求：
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幻灯片 59①若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹将如何变化？
②如果照射光的频率增大，则从上往下观察到的干涉条纹将如何变化？
(2)如图甲所示，用单色光照射透明标准板来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到现象如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明
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A．N的上表面A处向上凸起
B．N的上表面B处向上凸起
C．N的上表面A处向下凹陷
D．N的上表面B处向下凹陷
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幻灯片 64(2)利用光的薄膜干涉来检查平面的质量，就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成两列相干光束，如果被检测的平面是平的，那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上，若是被测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲．这是因为凹处的两束反射光的光程差变大，它只能与膜厚一些位置的两反射光的光程差相同而形成同一级的条纹(光程差相同的干涉条纹为同一级，
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一般光程差大的干涉条纹级别高，光程差小级别低)，显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹．同理，若是被测平面某处凸起，则该处的干涉条纹将向楔形膜中厚的一侧弯曲．
答案：(1)①变疏 ②变密 (2)BC
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幻灯片 66
利用劈尖干涉平面凹凸的技巧
若干涉条纹向劈尖干涉的尖端(即空气膜厚度小的那一端)弯曲，则表示弯曲处凹陷，若干涉条纹向劈尖干涉的尾端(即空气膜厚度大的那一端)弯曲，则表示弯曲处凸起．
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幻灯片 67【变式训练】2.用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图甲是点燃的酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图乙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( )
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幻灯片 68A．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：金属丝圈在所在竖直平面内缓慢旋转时，楔形薄膜形状各处厚度形状几乎不变，因而干涉条纹保持原来状态不变．D对．
答案：D
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幻灯片 69
现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长．
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幻灯片 70(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序为C、____、A.
(2)本实验的步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；
③用米尺测量双缝到屏的距离；
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幻灯片 71④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离．
在操作步骤②时还应注意________和________．
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图甲所示．然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数为____________ mm，求得相邻亮纹的间距Δx为____________ mm.
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幻灯片 72(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝__________，求得所测红光波长为__________ nm.
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解析：(1)滤光片E是从白光中选出单色红光，单缝D是获取线光源，双缝B是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏A上，所以排列顺序为：C、E、D、B、A.
(2)在操作步骤②时应注意的事项还有：放置单缝、双缝时，必须使缝平行；单缝、双缝间的距离为5～10 cm.
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幻灯片 76【变式训练】3.(2012·福建高考)在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图)：
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幻灯片 78
解析：调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，不放单缝和双缝，选项A说法错误．根据螺旋测微器读数规则，其示数为1.5 mm＋0.470 mm＝1.970 mm.
答案：(1)A (2)1.970
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幻灯片 80活页作业（三十八）
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幻灯片 81
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