专题19光学电磁波

专题19第一部分光学一、知识点总结与提炼（一）、光的直线传播和光的反射1．光的直线传播⑴光的传播：①光在同一均匀介质中是沿直线传播的。②小孔成像、影子、日食、月食等现象都是光沿直线传播形成的。③在真空中，光的速度C＝3×108m/s，光在其他介质中的速度都小于C。⑵影：光源发出的光照到不透明物体，在物体背光面后方形成一个光线部分或全部照不到的黑暗区域。①本影：物体后所有光线都照不到的区域。②半影：物体后部分光线能照到的区域。⑶日食和月食：①日食：太阳、月球、地球三者在一直线上，月球在太阳与地球之间，地球处于月球本影区时发生日全食，在半影区时发生日偏食，在伪本影区时发生日环食。②月食：以上三者在同一直线上，地球在太阳与月球之间，月球进入地球本影区时发生月全食，在本影、半影区交界处（部分进入本影区）时发生月偏食。当月球处于地球的半影区时，并没有发生月偏食现象，只是月球的亮度比正常的暗一些。2．光的反射⑴镜面反射和漫反射：镜面反射：平行的入射光经该表面反射后，反射光也是平行的。漫反射：平行的入射光经该表面反射后，反射光向各个方向反射。漫反射现象中，每条光线仍然遵守反射定律。⑵平面镜：①成像：成与镜对称的等大的虚像。应用对称法求像后，可画出任意入射线的反射线和观察像的范围。②镜面转动：当平面镜沿入射点转动α角时，反射光线转过2α；由两平面镜组成成θ角的平面镜组，出射光线与入射光线的夹角为2θ。（二）、光的折射和全反射1．光的折射和全反射⑴折射率：光从真空射入某种介质，入射角的正弦与折射角正弦之比，n=Sini/Sinr，n=c/v，n1。⑵全反射现象：①发生全反射的条件：光从光密媒质射入光疏媒质，入射角临界角，SinC=1/n。②光在发生全反射前，反射光线和折射光线同时存在。③光疏与光密介质：两种介质比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质。光通过两面平行的玻璃砖的特点：①出射光线始终与入射光线平行。②有一定的偏移，偏移量与入射光的波长、入射角、两平行面的间距有关。③光不可能在玻璃中发生全反射。⑶光导纤维：①由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套大。②光传导时在内芯与外套的界面上发生全反射，使光能从一端输入，通过光导纤维传送到很远的另一端。③它的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强。3．棱镜⑴通过棱镜的光线：①向底面偏折。②棱镜可成虚像（向顶角偏移）。⑵全反射棱镜：①横截面是等腰直角三角形的棱镜。②用于改变光的传播方向（90º或180º）。⑶光的色散：①白光通过三棱镜分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各单色光的现象。②红光波长最大（频率最小），紫光波长最小（频率最大），在真空中它们的光速都相同，但在同一介质中，波长越大，光速越大，折射率越小。（三）、光的干涉和衍射1．光的四种学说⑴微粒说：光是沿直线高速传播的粒子流（牛顿支持）。⑵波动说：光是某种振动以波的形式向外传播（惠更斯提出）。⑶电磁说：光是一种电磁波（麦克斯韦提出）。⑷光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E=hγ。（爱因斯坦提出）2．光的干涉⑴双缝干涉：①杨氏实验的单孔相当于点光源，双孔相当两个振动情况总是相同的波源（相干光源）。②光程差=波长整数倍处为明条纹，半波长奇数倍处为暗条纹。③ΔX＝Lλ/d，其中ΔX表示相邻两明条纹（或暗条纹）的间距，λ表示光波的波长，L表示双缝至光屏的距离，d表示双缝的间距。⑵薄膜干涉：入射光照射到楔形膜上，经膜的前、后表面反射的两束光相遇产生。肥皂泡上和水面的油膜上常看到的彩色花纹，是光的干涉现象。增透膜的厚度=某色光在膜中波长的1/4时，可减少该色光的反射损失，增强透射强度。光学镜头呈淡紫色，是因为其中的膜的厚度=绿光在膜中波长的1/4。⑶光的波长和频率：①光的颜色由光的频率决定，在不同介质中，光的频率不变（颜色不变）。②各单色光的频率不同，但在真空中的传播速度都相同。③光的传播速度不但与介质有关，而且与频率有关。而波长与频率、介质都有关。1纳米=10－9米，1埃=10－10米。3．光的衍射⑴发生明显衍射的条件：障碍物的尺寸可以跟光的波长相比或者比光的波长小时。⑵现象：透过窄缝看到的彩色或明暗条纹、泊松亮斑等是光的衍射现象。光的干涉、衍射现象说明光具有波动性。4．光的偏振⑴偏振现象：不同的横波，虽然振动方向都与传播方向垂直，但振动方向可以不同，只沿某一特定方向的振动，叫做波的偏振。在垂直传播方向的平面上，只沿着一个特定方向振动的光，叫做偏振光⑵偏振光的产生：①让自然光通过第一个偏振片（叫起偏器）后的光就是偏振动光，第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光（叫检偏器）。除了太阳、电灯等光源直接发出的光外，绝大部分光（包括反射光、折射光）都是偏振光。光的偏振现象说明光是横波（只有横波才会产生偏振现象）。5．激光⑴定义：原子受激辐射时，发出的光子频率、发射方向都与入射光相同，当这些光子在介质中传播再引起其他原子受激辐射后，就会产生越来越多的频率和发射方向相同的光子，使光得到加强，这就是激光。⑵特点：激光是一种相干光，它的平行度、单色性好，亮度高。⑶应用：平行度好，使它传播很远仍能保持一定的强度，且会聚点小，可以用来精确测距和读信息；频率相同单一，可用来传递信息（光纤通信）；亮度高，使它可在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，可作“光刀”用于切割。用激光从各方向照射核聚变原料，有可能利用它的高压引起并控制核聚变。第二部分电磁波（一）光的电磁说1．电磁振荡的产生⑴振荡电流和振荡电路：大小和方向都做周期性变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。⑵LC回路振荡电流的产生：①电容开始放电过程：电容中的电场能减小、电容极板的带电量减小、线圈中的磁场能增加，电流增大，放电过程是电场逐渐转化为磁场能的过程，放电结束时，电场能全部转化为磁场能，电流达到最大（电容器和线圈两端的电压为零）。②电容反向充电过程：与上述过程物理量变化正好相反。③电容再放电和充电过程：与上述放电和充电过程物理量变化相同，只是电流方向相反。⑶电磁振荡的周期和频率：①电磁振荡：LC电路在电容放电、充电过程中，电容极板上的电量、电路中电流、电容器里电场的场强、线圈磁场的磁感应强度都发生周期性变化的现象。②周期和频率：LC2Tf＝1/T其中的L单位用H、C的单位用F，通过改变L或C的数值，可改变电磁振荡的周期和频率。2．麦克斯韦电磁场理论⑴变化的电场（磁场）在周围空间产生磁场（电场），均匀变化的电场（磁场）在周围空间产生磁场（电场）是不变的，周期性变化的电场（磁场）在周围空间产生周期性变化的磁场（电场）。⑵电磁场：变化的电场和磁场是互相联系的不可分离的统一的场，叫电磁场。麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在，赫兹用实验证实电磁波的存在。电磁场是物质的一种特殊形态。3．电磁波⑴发射电路：要有效地向外发射电磁波，电路必须有两个特点：①足够高的频率：频率越高，发射电磁波的本领越大。单位时间幅射的能量，与频率的四次方成正比。②开放电路：振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间。⑵特点：电磁场由发生的区域向远处的传播，就形成电磁波。①它的横波：电场和磁场的振动方向互相垂直，且它们都与波的传播方向垂直。②波速：任何频率的电磁波在真空中的传播速度c＝3.0×108m/s。③波长、波速、频率关系：λ＝VT＝V/f，在真空中c＝fλ。④电磁波由真空进入介质传播时，频率不变，传播速度变小（不同频率的电磁波在同一介质中的传播速度不同），波长将变短。⑶电磁波与机械波比较：①共同点：具有波动的共同性，都能产生反射、折射、衍射和干涉等现象。传播过程都是振动和能量随波传播。②不同点：有本质的不同，前者是电磁现象，后者是力学现象，机械波要靠介质传播，电磁波不靠别的其他介质传播，机械波是位移随时间作周期性变化，电磁波则是E和B随时间作周期性变化。（二）、电磁波与信息化社会1.电磁波的发射和接收⑴发射：要求发射的无线电波随信号而改变（调制）。常用的调制方法有调幅和调频两种。其中调幅是使高频振荡的振幅随信号改变（调幅波），调频是使高频振荡的频随信号改变（调频波）。⑵接收：①电谐振：接收电路的固有频率与接收到的无线电波的频率相同的，激起的振荡电流最强的现象。②调谐：使接收电路产生电谐振的过程。一般收音机的调谐电路，是通过调节可变电容器的电容来改变电路的频率而实现调谐的。③检波：从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程。检波是调制的逆过程，也叫解调。⑶电视和雷达：①电视是由摄像管把景物反射的光转换成电信号进行发射，再由显像管把电信号变成光信号，它在1秒内要传送25幅画面。②雷达是利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性工作的，电磁波的波长越短，传播的直线性越好，反射性能也越强，所以雷达使用的是微波。2.电磁波谱⑴按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱⑵各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。⑶红外线、紫外线、X射线特点种类产生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤（4）电磁波传递能量电磁波是运动中的电磁场，它可以传递能量。比如微波炉工作时食物分子运动加剧，其内能的增加是微波传递给它的。二、经典例题5.abc为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，A如图所示，一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生全反射．若光线入射点O的位置保持不变，改变光线妁入射方向，(不考虑自bc面反射的光线)：A.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则红光将首先射出B.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则紫光将首先射出C.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，红光将首先射出ab面D.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，紫光将首先射出ab面【例3】右图中，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（）A.小球对玻璃环的压力不断增大B.小球受到的磁场力不断增大C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D.磁场力一直对小球不做功分析：因为玻璃环所处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功，由楞次定律，判断电场方向为顺时针，在电场力的作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力：环的弹力N和磁场的洛仑兹力f，而且两个力的矢量和始终提供向心力，考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力和洛仑兹力不一定始终在增大。洛仑兹力始终和运动方向垂直，所以磁场力不做功。正确为CD。三、光学、电磁波练习1.光线从介质A进入空气中的临界角是37°,光线从介质B进入空气中的临界角是45°,则下列叙述中正确的是(AD).A.光线从介质A进入介质B,可能发生全反射B.光线从介质B进入介质A,可能发生全反射C.光线从介质A进入介质B,一定同时存在反射光线和折射光线D.光线从介质B进入介质A,一定同时存在反射光线和折射光解：AB、由sinC=可知，当临界角越大时，折射率越小，因此介质A的折射率大于介质B，当光线从介质A进入介质B，即从光密介质进入光疏介质，可能发生全反射，而光线从介质B进入介质A，则不可能发生，故A正确，B错误；CD、由A选项分析可知，当光线从介质A进入介质B时，可能发生全反射，因此不一定同时存在反射光线与折射光线，而当光线从介质B进入介质A，则发生光的折射，一定同时存在反射光线和折射光线，故C错误，D正确；故选：AD．2.如图所示,一个折射率为的三