2025年高考物理二轮复习第十三章　光学 第二讲　光的波动性　相对论课件+讲义（教师+学生）+跟踪练习

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1.知道双缝干涉和薄膜干涉，知道形成明暗条纹的条件。 2.知道光的衍射、偏振现象。 3.知道相对论的两个基本假设和两个时空观的结论。
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____条纹，某些区域相互减弱，出现____条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。2.条件：两列光的频率______、相位差恒定、振动方向相同。3.双缝干涉(1)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________条纹，其余为______条纹。(2)条纹间距：Δx＝_______，其中L是双缝到屏的距离，d是双缝间的距离。
二、光的衍射发生明显衍射现象的条件：当障碍物尺寸与光的波长相当，甚至小于光的波长时，衍射现象十分明显。
三、光的偏振1.自然光：包含着在垂直于传播方向上沿__________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，具有______方向振动的光。3.偏振光的形成(1)让自然光通过________形成偏振光。(2)让自然光在两种介质的界面发生反射和______，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____波。
四、相对论1.狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是______的。(2)光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同。
2.相对论时空观的两个结论(1)时间延缓效应不同惯性参考系中，两个事件之间的时间间隔是不同的，Δt′＝__________。(2)长度收缩效应当物体相对于观测者运动时，在运动方向上，观测者测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化，l′＝__________。
1.思考判断(1)光的颜色由光的频率决定。( )(2)频率不同的两列光波不能发生干涉。( )(3)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。( )(4)在双缝干涉实验中，双缝的作用是用“分光”的方法使两列光的频率相同。( )(5)阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。( )(6)泊松亮斑是光的衍射形成的。( )(7)光遇到障碍物时都能产生衍射现象。( )(8)自然光是偏振光。( )
2.(2023·北京卷，2)阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的(　　)A.偏振现象　　　B.衍射现象C.干涉现象D.全反射现象解析　阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的薄膜干涉现象，故C正确。
3.下列有关光学现象说法中正确的是(　　)A.甲中荷叶上的露珠显得特别“明亮”是由于水珠将光线会聚而形成的B.乙中将双缝干涉实验中的双缝间距调小，则干涉条纹间距变小C.丙中用加有偏振滤光片的相机拍照，可以拍摄清楚汽车内部的情景D.丁中肥皂膜在阳光下呈现彩色条纹是光的衍射现象
考点二　光的衍射和偏振现象　相对论
考点三　几何光学与物理光学的综合
2.薄膜干涉(1)形成原因如图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。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。
(3)薄膜干涉的应用干涉法检查平面，如图3所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。
例1 在图4所示的双缝干涉实验中，光源S到缝S1、S2距离相等，P0为S1S2连线中垂线与光屏的交点。用波长为400 nm的光实验时，光屏中央P0处呈现中央亮条纹(记为第0条亮条纹)，P处呈现第3条亮条纹。当改用波长为600 nm的光实验时，P处将呈现(　　)A.第2条亮条纹B.第3条亮条纹C.第2条暗条纹D.第3条暗条纹
1.(2023·江苏卷，6)用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图5甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的(　　)
例2 如图6所示，关于薄膜干涉现象及其应用，下列说法正确的是(　　)
A.如图甲所示，竖直放置的肥皂液膜，来自前后两个面的反射光发生干涉，形成明暗相间的竖直条纹C.如图丙所示，利用光的干涉检查平整度，用单色光从上面照射，空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，图中条纹弯曲说明此处是凹下的D.如图丁所示，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入，从上往下看凸透镜，可以看到等间距的明暗相间的圆环状条纹
2.(2023·山东卷，5)如图7所示为一种干涉热膨胀仪原理图，G为标准石英环，C为待测柱形样品，C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层。用单色平行光垂直照射上方石英板，会形成干涉条纹。已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，下列说法正确的是(　　)A.劈形空气层的厚度变大，条纹向左移动B.劈形空气层的厚度变小，条纹向左移动C.劈形空气层的厚度变大，条纹向右移动D.劈形空气层的厚度变小，条纹向右移动
解析　由题知，C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，G增加的高度大于C增加的高度，所以标准平面石英板被顶起，劈形空气层的厚度变大，且同一厚度的空气膜向劈尖移动，则条纹向左移动，故A正确。
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，光才可以看作是沿直线传播的。
2.单缝衍射与双缝干涉的比较
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3 (多选)(2022·山东卷，10)某同学采用图8甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是(　　　)
A.图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射B.遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大C.照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大D.照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹
例4 (多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象能反映光的偏振特性及其应用的是(　　　)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图像更清晰D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹
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。故A、B、C正确，D错误。
例5 (多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　)A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢C.地球上的人观测到地球上的钟较快D.地球上的人观测到地球上的钟较慢解析　根据相对论，运动的时钟变慢，这是一种观测效应。结合运动的相对性，故飞船上的人观测到地球上的钟较慢，认为飞船上的钟较快。地球上的人观测到飞船上的钟较慢，认为地球上的钟较快，故A、C正确。
例6 (2023·重庆卷，5)某实验小组利用双缝干涉实验装置分别观察a、b两单色光的干涉条纹，发现在相同的条件下光屏上a光相邻两亮条纹的间距比b光的小。他们又将a、b光以相同的入射角由水斜射入空气，发现a光的折射角比b光的大，则(　　)A.在空气中传播时，a光的波长比b光的大B.在水中传播时，a光的速度比b光的大C.在水中传播时，a光的频率比b光的小D.由水射向空气时，a光的全反射临界角比b光的小
3.(多选)如图9所示，两束单色光a、b从水下面射向A点，光线经折射后合成一束光c。则下列说法正确的是(　　　)A.用同一双缝干涉实验装置分别用a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距B.用a、b光分别做双缝干涉时它们的干涉条纹宽度都是不均匀的C.在水中a光的临界角大于b光的临界角D.若a光与b光以相同入射角从水射向空气，在不断增大入射角时水面上首先消失的是b光
对点练1　光的干涉现象1.(2022·浙江6月选考，4)关于双缝干涉实验，下列说法正确的是(　　)A.用复色光投射就看不到条纹B.明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果C.把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹D.蓝光干涉条纹的间距比红光的大
2.歼－20是我国自主研制的第五代战斗机，其优秀的性能受到全世界的关注。歼－20光学着陆系统中用到了双缝干涉的知识，如图1甲所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在屏上观察到如图乙所示的条纹；仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图丙所示。改变的实验条件可能是(　　)A.增大单缝和双缝间的距离B.减小双缝之间的距离C.减小双缝到光屏的距离D.将绿光换为紫光
3.(多选)(2024·天津西青区模拟)图2甲是用光的干涉法检测物体表面平整程度的装置，其中M为标准板，N为水平放置的待检测物体，入射光竖直向下照射，图乙为观察到的干涉条纹，下列说法正确的是(　　)
A.入射光的波长越长，干涉条纹的条数越少B.M、N之间垫块的高度越高，干涉条纹的条数越少C.P点所对应待检测物的表面相对Q点所对应待检测物的表面是凸起的D.P点所对应待检测物的表面相对Q点所对应待检测物的表面是凹下的
4.如图3实验装置，单色线光源S垂直纸面水平放置，平面镜水平放置在桌面上。单色线光源S发出的光有一部分直接入射到竖直放置的光屏上，一部分通过平面镜反射后再入射到光屏上，光屏上会出现明暗相间的条纹，下列说法正确的是(　　)A.光屏上的条纹与水平面垂直，是光的干涉现象B.光屏上的条纹与水平面平行，是光的衍射现象C.将光屏沿水平方向远离线光源S，相邻条纹间距增大D.将线光源S沿竖直方向靠近平面镜，相邻条纹间距减小
解析　平面镜的反射光相当于从S的像点发出的光，所以该装置类似于双缝干涉装置，能在光屏上观察到与镜面平行的干涉条纹，不是光的衍射现象，A、B错误；将光屏沿水平方向远离线光源S，即L增大，则屏上的两个相邻条纹间的距离增大，C正确；若将线光源S沿竖直方向靠近平面镜平移，相当于减小了两束干涉光的间距d，则屏上的两个相邻条纹间的距离增大，D错误。
5.双缝干涉实验装置的截面图如图4所示。光源S到S1、S2的距离相等，O点为S1、S2连线中垂线与光屏的交点。光源S发出的波长为λ的光，经S1出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，经S2出射后直接传播到O点，由S1到O点与由S2到O点，光传播的时间差为Δt。玻璃片厚度为10λ，玻璃对该波长光的折射率为1.5，空气中光速为c，不计光在玻璃片内的反射。以下判断正确的是(　　)
对点练2　光的衍射和偏振现象　相对论6.物理光学主要研究光的本性以及光与物质相互作用的规律。下列关于物理光学知识的理解正确的是(　　)A.泊松亮斑是光通过圆孔衍射时形成的B.光学镜头上的增透膜利用了光的干涉原理C.白光通过三棱镜后出现的彩色图样是光的衍射现象D.拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度
解析　泊松亮斑是光通过不透明的小圆盘发生衍射时形成的，A错误；光学镜头上的增透膜利用了光的干涉原理，B正确；白光通过三棱镜呈现彩色图样是光的色散现象，C错误；在镜头前加装一个偏振片，以消除反射光的透射，D错误。
7.(2023·天津卷，4)下列四幅图能说明光是横波的是(　　)
解析　只有光的偏振现象能说明光的传播方向与振动方向垂直，即能说明光是横波，其他的现象均不能说明光是横波，如A项的全反射现象，说明光由光密介质进入光疏介质发生的现象，B项的干涉现象和D项的衍射现象说明光具有波动性，故C正确，A、B、D错误。
8.如图5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5A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫
对点练3　几何光学与物理光学的综合9.(多选)《梦溪笔谈》是中国科学技术史上的重要文献，书中对彩虹作了如下描述：“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。如图6是彩虹成因的简化示意图，设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光线在过此截面的平面内，a、b是两种不同频率的单色光。下列说法正确的是(　　)
A.水滴对a光的临界角小于对b光的临界角B.在水滴中，a光的波长大于b光的波长C.在水滴中，a光的传播速度大于b光的传播速度D.a、b光分别通过同一双缝干涉装置，a光的相邻亮条纹间距较小
10.如图7所示，一束光由半圆形玻璃砖的右侧面沿半径射入，经AB界面折射后分为a、b两束光，则下列说法正确的是(　　)A.b光的光子能量小于a光的光子能量B.现将入射光绕O点逆时针转动，则a光先消失C.分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距D.在半圆形玻璃砖中，b光的传播时间小于a光的传播时间
11.(2024·广州大学附属中学校考)以下四幅图片是来自课本的插图，结合图片分析下列说法中正确的是(　　)
A.图甲是一束单色光进入平行玻璃砖后传播的示意图，当入射角i逐渐增大到某一值后会在a界面发生全反射B.图乙是双缝干涉示意图，若只减小屏到挡板间距离，两相邻亮条纹间距离Δx将减小C.图丙是针尖在灯光下发生的现象，这种现象反映了光的干涉现象D.图丁是自然光通过偏振片P、Q的实验结果，右边是光屏。当P固定不动缓慢转动Q时，光屏上的光亮度将一明一暗交替变化，此现象表明光波是纵波
C级　培优加强练12.如图8所示，截面为等腰直角三角形ABC的玻璃砖，∠B＝90°，一束频率为f＝6×1014 Hz的光线从AB面中点处垂直射入棱镜，在AC面发生全反射，从BC面射出后，进入双缝干涉装置。已知AC长度LAC＝0.3 m，双缝间距d＝0.2 mm，光屏与双缝间距离L＝1.0 m，光在真空中的传播速度为c＝3.0×108 m/s。求：(1)玻璃砖对该光线的折射率的最小值n；(2)光线在玻璃砖中传播的最短时间t；(3)光屏上相邻亮条纹的间距Δx。