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2022步步高中物理一轮选修3-4 机械振动 机械波 光 电磁波与相对论第4讲 光的干涉、衍射和偏振 电磁波与相对论.doc

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2022步步高中物理一轮选修3-4 机械振动 机械波 光 电磁波与相对论第4讲 光的干涉、衍射和偏振 电磁波与相对论.doc
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第4讲 光的干涉、衍射和偏振 电磁波与相对论

知识要点
一、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
(1)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,中央为白色亮条纹,其余为彩色条纹。
(2)通过亮条纹中心的位置x=±kldλ(k=0,1,2…),得相邻的亮条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝间距离l的关系为Δx=ldλ。

4.薄膜干涉:利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同。
二、光的衍射
1.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。
2.衍射条纹的特点

3.双缝干涉与单缝衍射图样对比
单色光的双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹宽度不均匀,中央条纹最宽,两边依次变窄。
三、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。
四、电磁波
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相同(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。
3.电磁波的发射
(1)发射条件:开放电路和高频振荡信号,所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)。
(2)调制方式
①调幅:使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。
②调频:使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。
4.无线电波的接收
(1)当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率相等时,激起的振荡电流最强,这就是电谐振现象。
(2)使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐,能够调谐的接收电路叫做调谐电路。
(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程,叫做检波。检波是调制的逆过程,也叫做解调。
5.电磁波谱:按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱。
按波长由长到短排列的电磁波谱为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
五、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,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系。
2.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。
基础诊断
1.(多选)以下说法中正确的是(  )
A.对于同一障碍物,波长越大的光波越容易绕过去
B.白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的一种干涉现象
C.红光由空气进入水中,波长变长、颜色不变
D.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的干涉
E.不管光源与观察者是否存在相对运动,观察者观察到的光速是不变的
解析 对于同一障碍物,它的尺寸d不变,波长λ越长的光越容易满足d≤λ,越容易绕过障碍物,所以A项正确;白光通过三棱镜出现彩色条纹是光的色散现象,B项错误;波的频率由波源决定,波速由介质决定,所以红光从空气进入水中,频率f不变,波速v变小,由v=λf得,波长λ变小,所以C项错误;检查平面的平整度是利用了光的干涉,所以D项正确;由光速不变原理知E项正确。
答案 ADE
2.(多选)下列关于电磁波的说法正确的是(  )
A.麦克斯韦提出了电磁场理论,赫兹用实验证实了电磁波的存在
B.各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样
C.经过调幅后的电磁波是横波,经过调频后的电磁波是纵波
D.红外线是波长比可见光波长还长的电磁波,常用于医院和食品消毒
E.电磁波由真空进入介质,速度变小,频率不变
解析 麦克斯韦提出了电磁场理论,赫兹用实验证实了电磁波的存在,选项A正确;各种电磁波在真空中的传播速度为c=3×108 m/s,与光速相同,选项B正确;电磁波是横波,调频或调幅后的电磁波仍是横波,选项C错误;医院和食品消毒常用的是紫外线,选项D错误;电磁波由真空进入介质,速度变小,频率不变,选项E正确。
答案 ABE
3.如图1,用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘,例如小分币,我们可以在光屏上看到的图样为下列图中的(  )

图1

答案 B
4.(多选)在单缝衍射实验中,用红色激光照射单缝,在下列不同条件下缝后的屏幕上出现的现象,正确的是(  )
A.当缝较宽时,屏上出现一条与缝宽相当的亮条纹
B.当缝很窄并继续调窄,中央亮条纹变亮,宽度增大
C.当缝很窄并继续调窄,中央亮条纹亮度降低,宽度增大
D.当缝很窄,屏上出现了中央亮条纹,增大缝与屏间距离,则中央亮条纹宽度增大
E.当缝很窄,屏上出现了中央亮条纹,改用蓝色激光,则中央亮条纹宽度不变
解析 当缝较宽时,不会出现明显的衍射现象,此时光是直线传播,因此屏上出现一条与缝宽相当的亮条纹,故A项正确;衍射条纹的宽度与缝的宽度有关,缝变宽,条纹变窄,亮度增大,缝变窄,条纹变宽,亮度减弱,当缝的宽度变窄时,衍射现象更明显,中央明条纹宽度增加,但亮度降低,故B项错误,C项正确;同理,当缝很窄,屏上出现了中央亮条纹,增大缝与屏间距离,则中央亮条纹宽度增大,故D项正确;当缝很窄时,屏上出现了中央亮条纹,若改用蓝色激光,因波长变短,则中央亮条纹宽度变小,故E项错误。
答案 ACD

 光的干涉现象
1.双缝干涉
(1)条纹间距公式:Δx=ldλ,对同一双缝干涉装置,光的波长越长,干涉条纹的间距越大。
(2)明暗条纹的判断方法
如图2所示,相干光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr=r2-r1。
当Δr=kλ(k=0,1,2…)时,光屏上P′处出现明条纹。

图2
当Δr=(2k+1)λ2(k=0,1,2…)时,光屏上P′处出现暗条纹。
2.薄膜干涉
(1)形成原因:如图3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。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。

图3
(2)明暗条纹的判断方法
两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr,等于薄膜厚度的2倍。
在P1、P2处,Δr=nλ(n=1,2,3…),薄膜上出现明条纹。
在Q处,Δr=(2n+1)λ2(n=0,1,2,3…),薄膜上出现暗条纹。
【例1】 (多选)[2017·全国Ⅱ卷,34(1)]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,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
E.将光源向远离双缝的位置移动
解析 根据干涉图样中两相邻亮条纹的间距Δx=ldλ 可知,要使Δx增大,可以增大波长或增大双缝到屏的距离或缩小双缝间的距离,所以选项A、C、D正确,B、E错误。
答案 ACD

1.(2019·上海杨浦调研)如图4所示,把酒精灯放在肥皂液膜前,从薄膜上可看到明暗相间的条纹,能解释这一现象产生原因的示意图是(图中实线、虚线为光照射到液膜上时,从膜的前后表面分别反射形成的两列波)(  )

图4


解析 肥皂液膜上薄下厚,波峰与波峰、波谷与波谷叠加处,出现明条纹,波峰与波谷叠加处,出现暗条纹,故C正确。
答案 C
2.(多选)如图5所示是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样,则(  )

图5
A.在同种均匀介质中,a光的传播速度比b光的大
B.在真空中a、b两光传播速度相同
C.从真空射入同种介质发生全反射时,a光全反射临界角小
D.从同种介质射入真空发生全反射时,a光全反射临界角小
E.在相同的条件下,b光比a光更容易产生明显的衍射现象
解析 根据题图可知,b光的干涉条纹间距大于a光的干涉条纹间距。由双缝干涉条纹间距公式Δx=ldλ可知,b光的波长比a光的大。由λ=cf可知,b光的频率比a光的小,则在同种介质中,b光的折射率小于a光,根据n=cv可知,在介质中,a光的传播速度比b光的小,选项A错误;在真空中a、b两光传播速度相同,均为光速,选项B正确;从真空射入同种介质不会发生全反射,选项C错误;由介质射入真空发生全反射的临界角公式sin C=1n可知,a光折射率较大,从同种介质射入真空发生全反射时a光全反射临界角小,选项D正确;由于b光的波长比a光的大,根据发生明显衍射现象的条件可知,在相同的条件下,b光比a光更容易产生明显的衍射现象,选项E正确。
答案 BDE
 光的衍射和偏振
1.对光的衍射的理解
(1)波长越长,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,光才可以看做是沿直线传播的。
2.单缝衍射与双缝干涉的比较
单缝衍射 双缝干涉
不同点 条纹宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等
条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距
亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰,亮度基本相同
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗相间的条纹
3.光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于波的叠加,从本质上看,干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理。都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波,在屏上叠加形成的。
4.光的偏振
(1)自然光与偏振光的比较
(2)偏振光的应用:加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。
【例2】 如图6所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。在下面的4幅图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是(  )

图6
A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄
C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫
解析 双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此1、3为双缝干涉条纹,2、4为单缝衍射条纹。双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮、暗条纹间距)Δx=ldλ,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,即1、3分别对应于红光和蓝光。而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,2、4分别对应于紫光和黄光。综上所述,1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是:红、紫、蓝、黄,B正确。
答案 B

1.(多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象中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像更清晰
D.通过手指间的缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹
E.阳光在水面的反射光是自然光
解析 在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定方向振动的光是偏振光,选项A、B反映了光的偏振特性;选项C是偏振现象的应用;选项D是光的衍射现象,D项错误;阳光在水面的反射光是偏振光,故选项E错误。
答案 ABC
2.(多选)关于波的干涉、衍射等现象,下列说法正确的是(  )
A.有的波只能发生干涉现象,有的波只能发生衍射现象
B.产生干涉现象的条件之一,就是两列波的频率相等
C.薄膜干涉条纹是光在膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果
D.屋外的人虽然看不到屋里的人,却能听到屋里人的声音,这属于波的衍射现象
E.泊松亮斑是光的干涉现象
解析 干涉、衍射是波特有的现象,波可以发生干涉,也可以发生衍射,A错误;当两列波发生干涉时,两列波的频率相等,B正确;由于重力的影响,肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜,薄膜干涉条纹的产生是光在膜的前后两表面反射,形成的两列光波叠加的结果,C正确;屋外的人虽然看不到屋里的人,却能听到屋里人的声音,这属于声波的衍射现象,D正确;光通过小圆盘,在屏中央出现亮斑,说明光偏离原来直线方向传播,是光的衍射现象,E错误。
答案 BCD
3.(多选)(2019·河北石家庄模拟)下列说法中正确的是(  )

A.如图甲所示,小球在倾角很小的光滑斜面上来回运动,小球做简谐运动
B.如图乙所示,a是一束白光,射向半圆玻璃砖的圆心O,经折射后发生色散,最左侧为紫光,最右侧为红光
C.如图丙所示为双缝干涉示意图,双缝间距d越大,相邻亮条纹的中心间距越大
D.如图丁所示为光导纤维示意图,内芯的折射率比外套的折射率大
E.如图戊所示为单色光单缝衍射示意图,如果换成白光,屏上得到的条纹是彩色的
解析 小球在两个斜面上来回滚动时,小球受到的力与位移不成正比,不属于简谐运动,故A错误;a是一束白光,射向半圆玻璃砖的圆心O,经折射后发生色散,因为紫光的折射率大于红光,因此最左侧为紫光,最右侧为红光,所以B正确;根据双缝干涉相邻两亮条纹的中心间距公式Δx=Laλ,双缝间距d越大,相邻亮条纹间距越小,故C错误;根据光的全反射条件可以知道,内芯的折射率比外套的折射率大,所以D正确;如果换成白光,因白光是各种色光组合而成的,波长不同,导致屏上得到的条纹间距不同,因此是彩色的,故E正确。
答案 BDE

 实验:用双缝干涉测光的波长
1.基本原理与操作
装置及器材 操作要领
(1)安装:将光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。
(2)调节:接好光源,打开开关,使白炽灯正常发光.调节各部件的中心在同一高度。
(3)测量头读数:应使测量头分划板中心刻线和条纹的中心对齐,读出手轮上的读数。
2.数据处理与误差分析
(1)数据处理
①条纹间距Δx=a2-a1n-1。
②波长λ=dlΔx。
③计算多组数据,求λ的平均值。
(2)误差分析
①双缝到屏的距离l的测量存在误差。
②测条纹间距Δx带来的误差。
【例3】 [2019·全国Ⅱ卷·34(2)]某同学利用图7所示装置测量某种单色光的波长。实验时,接通电源使光源正常发光;调整光路,使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题:

图7
(i)若想增加从目镜中观察到的条纹个数,该同学可________。
A.将单缝向双缝靠近
B.将屏向靠近双缝的方向移动
C.将屏向远离双缝的方向移动
D.使用间距更小的双缝
(ii)若双缝的间距为d,屏与双缝间的距离为l,测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx,则单色光的波长λ=________。
(iii)某次测量时,选用的双缝的间距为0.300 mm,测得屏与双缝间的距离为1.20 m,第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波长为________nm(结果保留3位有效数字)。
解析 (i)相邻明(暗)干涉条纹的宽度Δx=ldλ,要增加观察到的条纹个数,即减小Δx,需增大d或减小l,因此应将屏向靠近双缝的方向移动,选项B正确。
(ii)第1条到第n条暗条纹间的距离为Δx,则相邻暗条纹间的距离Δx′=Δxn-1,又Δx′=ldλ,解得λ=Δxd(n-1)l。
(iii)由λ=Δxd(n-1)l,代入数据解得λ=630 nm。
答案 (i)B (ii)Δxd(n-1)l (iii)630

1.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8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。

图8
(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应为C、__________、A。
(2)本实验的操作步骤有
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;
④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______________________________。
解析 (1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、屏,因此应填,E、D、B。
(2)单缝与双缝的间距为5~10 cm,使单缝与双缝相互平行。
答案 (1)EDB (2)单缝与双缝的间距为5~10 cm
使单缝与双缝相互平行
2.在观察光的双缝干涉现象的实验中:
(1)将激光束照在如图9乙所示的双缝上,在光屏上观察到的现象是图甲中的________。

图9
(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=ldλ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
 电磁波与相对论
1.电磁波的四大特点
(1)电磁波是横波,在空间传播不需要介质。
(2)在真空中电磁波的传播速度为3×108 m/s。
(3)v=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.电磁波谱的特性及应用
电磁波谱 特性 应用 递变规律
无线电波 容易发生衍射 通信和广播
红外线 热效应 红外线遥感
可见光 引起视觉 照明等
紫外线 荧光效应,能杀菌 灭菌消毒、防伪
X射线 穿透能力强 医用透视、安检
γ射线 穿透能力很强 工业探伤、医用治疗
【例4】 (多选)[2016·全国Ⅱ卷,34(1)]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无关
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、磁感应强度均垂直
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
E.电磁波可以由电磁振荡产生,若波源的电磁振荡停止,空间的电磁波随即消失
解析 电磁波在真空中传播的速度均为光速,与频率无关,选项A正确;电磁波是变化的电场和变化的磁场互相激发得到的,选项B正确;电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直,选项C正确;光是一种电磁波,光可在光导纤维中传播,选项D错误;电磁振荡停止后,电磁波仍会在介质或真空中继续传播,选项E错误。
答案 ABC

1.(多选)关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(  )
A.电磁波可以传递信息,声波也能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
E.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大
解析 电磁波可以传递信息,如电视信号;声波也可以传递信息,如人说话,故A正确;手机用电磁波传递信息,人说话发出声波,故B正确;太阳光中的可见光是电磁波,在真空中的传播速度约为3×108 m/s,“B超”中的超声波是声波,常温下,在空气中的速度大约为340 m/s,故C错误;遥控器发出的红外线和医院“CT”中的X射线频率不同,波速相同,根据c=λf可知波长不同,故D错误;由v=cn知电磁波进入水中速度变小,而声波由空气进入水中速度变大,E正确。
答案 ABE
2.(多选)下列说法正确的是(  )
A.相对论与量子力学否定了经典力学理论
B.真空中的光速在任何惯性参考系中都是相同的
C.狭义相对论只适用于惯性参考系
D.肥皂泡呈现的彩色是光的干涉现象,露珠呈现的彩色是光的色散现象,通过狭缝看太阳光呈现的彩色是光的衍射现象
E.光纤通信、全息照相及医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理
解析 相对论并不否定经典力学,经典力学是相对论在低速运动时的特例,故选项A错误;根据光速不变原理,真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,故选项B正确;根据狭义相对论的基本假设可知,选项C正确;根据光现象的成因知,选项D正确;全息照相不是利用全反射,而是和光的干涉有关,选项E错误。
答案 BCD
课时作业
(时间:40分钟)
基础巩固练
1.(多选)关于电磁波的作用,下列说法正确的是(  )
A.用红外线热像仪检测发热病人,利用了物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
B.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线波长短,分辨率高
C.红外遥感技术利用了红外线的显著热效应
D.验钞机之所以利用紫外线验钞是因为紫外线具有荧光效应
E.阴极射线是一种频率极高的电磁波
解析 物体的温度越高,它辐射的红外线越强,波长越短,红外线热像仪利用物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同检测发热病人,选项A正确;因为紫外线波长短,用紫外线拍摄指纹照片,分辨率高,选项B正确;红外遥感技术利用灵敏的红外线探测仪接收的物体发射的红外线探知物体的特征,选项C错误;紫外线具有荧光效应,可使钞票上的荧光物质发光,选项D正确;阴极射线实际是高速电子流,E错误。
答案 ABD
2.(多选)有关光纤及光纤通信的说法正确的是(  )
A.光纤由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大
B.光在光纤中传输利用了全反射的原理
C.光纤通信是一种以光波为传输介质的通信方式,光波按其波长长短,依次可分为红外线、可见光和紫外线,但红外线和紫外线属不可见光,它们都不可用来传输信息
D.光波和无线电波同属电磁波,光波的频率比无线电波的频率低,波长比无线电波的波长长,在真空中传播的速度大小都约为3.0×108 m/s
E.光纤通信的主要优点是容量大,此外,光纤传输还有衰减小、抗干扰性强等优点
解析 发生全反射的条件是光必须从光密介质射入光疏介质,即从折射率大的介质射入折射率小的介质,且入射角大于临界角,当内芯的折射率比外套的折射率大时,光在界面上才能发生全反射,选项A、B正确;只要是光波,就能够在光导纤维中传播,不管是可见光还是不可见光,都可以用来传输信息,选项C错误;光波的频率比无线电波的频率高,波长比无线电波的波长短,选项D错误;光纤通信的优点有容量大,衰减小、抗干扰性强等,选项E正确。
答案 ABE
3.(多选)下列说法正确的是(  )
A.用光导纤维束传输图像和信息,利用了光的全反射原理
B.紫外线比红外线更容易发生明显的衍射现象
C.经过同一装置所得的干涉条纹,红光比绿光的条纹宽度大
D.光的色散现象都是由于光的干涉现象引起的
E.光的偏振现象说明光是一种横波
解析 用光导纤维束传输图像和信息,利用了光的全反射原理,A正确;紫外线的频率比红外线的大,故波长比红外线的小,所以二者相比,红外线更容易发生明显的衍射现象,B错误;根据干涉条纹间距公式Δx=ldλ知,波长越长,条纹间距越大,因为红光的波长大于绿光的波长,所以经过同一装置所得的干涉条纹,红光比绿光的条纹宽度大,C正确;光的折射、干涉都能引起光的色散,D错误;偏振是横波特有的,光的偏振现象说明光是横波,E正确。
答案 ACE
4.(多选)关于振动和波动,下列说法正确的是(  )
A.太阳光通过三棱镜形成彩色光谱是光的干涉现象
B.在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物,可使景象更清晰
C.无线电波的发射能力与频率有关,频率越高发射能力越弱
D.一个单摆在海平面上的振动周期为T,那么将其放在某高山之巅,其振动周期一定变大
E.利用红外摄影可以不受天气(阴雨、大雾等)的影响,因为红外线比可见光波长长,更容易绕过障碍物
解析 太阳光通过三棱镜形成彩色光谱是光的折射现象,选项A错误;在照相机镜头前装上一个偏振滤光片,利用了光的偏振原理,当偏振片的方向与偏振光的振动方向平行时,允许偏振光通过,当它们相互垂直时,偏振光不能通过,在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物,可以减弱反射光,使照片清楚,选项B正确;无线电波的发射能力与频率有关,频率越高发射能力越强,选项C错误;单摆的周期公式T=2πlg,当其放在某高山之巅时,因重力加速度变小,故其振动周期一定变大,选项D正确;因为红外线比可见光波长长,更容易发生衍射,更容易绕过障碍物,选项E正确。
答案 BDE
5.(多选)下列关于波的说法正确的有(  )
A.当波从一种介质进入另一种介质时,频率不会发生变化
B.光波从空气进入水中后,更容易发生明显的衍射现象
C.波源沿直线匀速靠近一静止接收者,则接收者接收到波信号的频率会比波源频率低
D.机械波、电磁波都满足v=λf,式中三个参量依次为波速、波长、频率
E.电磁波具有偏振现象
解析 波在传播过程中波速和波长会变化,始终不变的量是频率,A正确;光从空气进入水中后,波长减小,更不容易发生明显的衍射现象,B错误;根据多普勒效应可知,当波源与观察者相互靠近时,观察者接收到的波信号的频率升高,C错误;公式v=fλ适用于任何波,D正确;电磁波是横波,横波具有偏振现象,E正确。
答案 ADE
6.(多选)关于光在传播过程中所表现的现象,下列说法正确的是(  )
A.雨后天空出现的彩虹是光的衍射现象
B.白光通过分光镜在光屏上形成的彩色光带是光的色散现象
C.涂有增透膜的照相机镜头呈淡紫色,说明增透膜增强了对淡紫色的透色程度
D.夜间观看到天边星座的位置比实际位置偏高,这是光的折射现象
E.利用红外线进行遥感主要是因为红外线的波长长,容易发生明显的衍射现象
解析 雨后天空出现的彩虹是光的折射现象,故A错误;白光通过分光镜在光屏上形成的彩色光带是由于不同色光折射率不同而产生的色散现象,故B正确;照相机镜头所涂增透膜的厚度是绿光在薄膜中的波长的14,从薄膜前、后表面反射的绿光发生干涉相互抵消,即大部分通过增透膜和镜头,红色和紫色光反射后则不发生干涉,所以人眼看到镜头呈淡紫色,故C错误;夜间观看到天边星座的位置比实际位置高,这是光的折射现象,故D正确;波长越长,越容易发生明显的衍射现象,利用红外线进行遥感是因为红外线的波长长,容易发生明显的衍射现象,故E正确。
答案 BDE
7.(多选)中国的网络建设开始迈向5G时代,5G即第五代移动通信技术,采用
3 300~5 000 MHz频段,相比于现有的4G(即第四代移动通信技术,采用1 880~2 635 MHz频段)技术而言,具有更大的优势。5G信号与4G信号相比,下列说法正确的是(  )
A.5G信号比4G信号在真空中的传播速度快
B.4G信号波动性更显著
C.4G和5G信号都是横波
D.5G信号更容易发生明显衍射现象
E.5G信号能量比4G信号能量更大
解析 任何电磁波在真空中的传播速度均为光速,故传播速度相同,故A错误;4G信号频率较低,波动性更显著,故B正确;电磁波均为横波,故C正确;因5G信号的频率高,则波长小,故4G信号更容易发生明显的衍射现象,故D错误;5G信号的频率更高,所以能量更大,故E正确。
答案 BCE
8.如图1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________(选填“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________(选填“大于”或“小于”)图B所对应的圆孔的孔径。

图1
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光波波长相差不多时,才能发生明显的衍射现象。图A是光的衍射图样,图B的形成可以用光的直线传播解释。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。
答案 衍射 小于
9.某同学用图2甲所示的实验装置做“用双缝干涉测量光的波长”实验,他用带有游标卡尺的测量头(如图乙所示)测量相邻两条亮条纹间的距离Δx。转动测量头的手轮,使分划板的中心刻线对齐某一条亮条纹(将这一条纹确定为第一亮条纹)的中心,此时游标卡尺上的示数如图丙所示,再转动测量头的手轮,使分划板的中心刻线对齐第6条亮条纹的中心,此时游标卡尺上的示数情况如图丁所示,则图丁的示数x2=________mm。如果实验所用双缝之间的距离d=0.20 mm,双缝到屏的距离L=60 cm。根据以上数据可得出光的波长λ=________nm。(保留1位小数)

图2
解析 由游标卡尺的读数规则可得x2=8 mm+19×0.05 mm=8.95 mm。由Δx=Ldλ,Δx=x2-x15,x1=2×0.05 mm=0.10 mm,解得λ=590.0 nm。
答案 8.95 590.0
综合提能练
10.(多选)如图3所示,光源S从水下向真空发射一束由红光和蓝光组成的复色光,在A点该复色光分成a、b两束,则下列说法正确的是(  )

图3
A.b光是蓝光
B.射出水面前a光的传播速度较大,射出水面后a、b光传播速度相同
C.逐渐增大入射角,a光最先发生全反射
D.b光比a光更容易发生明显的衍射现象
E.a、b两束光在任何情况下都不可能产生稳定的干涉现象
解析 根据n=sin θ1sin θ2,结合光路图可知,b光折射率较大,b光是蓝光,选项A正确;a光是红光,折射率较小,由n=cv知,射出水面前a光的传播速度较大,射出水面后a、b光传播速度相同,均为光速c,选项B正确;由n=1sin C可知,b光的全反射临界角较小,故逐渐增大入射角,b光最先发生全反射,选项C错误;a光波长比b光波长长,故a光更容易发生明显的衍射现象,选项D错误;产生稳定干涉现象的条件是两束光频率相同,故知a、b两束光在任何情况下都不可能产生稳定的干涉现象,选项E正确。
答案 ABE
11.(多选)(2020·河南模拟)通过如图4甲所示的装置可研究光的干涉和衍射现象。从光源发出的光经过一缝板,在缝板后有一装有感光元件的光屏,通过信号转换,可在电脑上看到屏上的光强分布情况。图乙分别显示出A光和B光通过同一缝板得到的光强分布情况。下列有关A、B两种色光的说法中正确的有(  )

图4
A.光通过的可能是缝板上的单缝
B.A光的波长比B光的波长长
C.A光的频率比B光的频率大
D.A光在玻璃中的传播速度大于B光在玻璃中的传播速度
E.A光比B光更容易发生衍射现象
解析 从光的强度分布可以看出,光屏上的光是等间距、等亮度的,所以是光通过双缝产生的干涉现象,故A错误;由图样可看出,A光的条纹间距大于B光的条纹间距,由Δx=Ldλ可知,A光的波长大于B光的波长,A光的频率小于B光的频率,故B正确,C错误;A光的频率小于B光的频率,则玻璃对A光的折射率小于对B光的折射率,所以A光在玻璃中的传播速度大于B光在玻璃中的传播速度,故D正确;由于A光的波长较长,所以更容易发生明显的衍射现象,故E正确。
答案 BDE
12.如图5所示,在“杨氏双缝干涉”实验中,激光的波长为5.30×10-7 m,屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10-7 m,则在这里出现的应是________(选填“明条纹”或“暗条纹”)。现改用波长为6.30×10-7 m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“变大”“变小”或“不变”)。

图5
解析 因为dλ=7.95×10-75.30×10-7=32,即P点距双缝S1、S2的路程差为半波长的奇数倍,所以出现暗条纹。根据条纹间距公式Δx=ldλ知,当单色光的波长变长时,条纹间距变大。
答案 暗条纹 变大
13.小明在做“用双缝干涉测量光的波长”实验时,尝试用单缝和平面镜做类似实验。单缝和平面镜的放置如图6所示,白炽灯发出的光经滤光片成为波长为λ的单色光,照射单缝,能在光屏上观察到明暗相间的干涉条纹。小明测得单缝与镜面延长线的距离为h,与光屏的距离为D,则条纹间距Δx=________。随后小明撤去平面镜,在单缝下方A处放置同样的另一单缝,形成双缝结构,则在光屏上________(选填“能”或“不能”)观察到干涉条纹。

图6
解析 该实验可以看成是双缝间距d=2h、双缝与光屏间距L=D的双缝干涉,所以Δx=Ldλ=D2hλ。在单缝下方A处放置同样的另一单缝,可以形成双缝结构,但白炽灯的光通过滤光片后直接通过双缝形成了两个光源,而光波是概率波,随机发射,即使两个光源同时打开也不能保证相遇的两列光波相位差恒定,所以不能形成稳定的相位差,并不能成为相干光。产生干涉的必要条件是两列波的频率相等、振动方向相同以及相位差恒定,必须用一分为二的方法获得相干光,所以双缝干涉实验需要在双缝前再加一个单缝。
答案 D2hλ 不能

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