高考物理第二轮复习课件15 电磁波与相对论

专题七选修3-4一、光的折射、全反射和棱镜1.光的折射规律：①折射光线、法线、入射光线共面；②折射光线与入射光线分居法线两侧；③入射角的正弦与折射角的正弦成正比．折射现象中光路是可逆的．2.对两种介质来说，n较大(即v较小)的介质称光密介质．光从光密介质→光疏介质，折射角大于入射角．注意：(1)光从一种介质进入另一介质时频率不变，光速和波长都改变.(2)同一介质对频率较大（速度较小）的色光的折射率较大          3 13(2()()s.)i'4nnnCCnn光的颜色由　　决定．全反射：当光从　　介质射向介质，且入射角　临界角时，折射光线将消失，这一现象叫做光的全反射现象．应用全反射现象举例：光导纤维．全反射棱镜．若光从光密介质折射率为射向光疏介质折射率为时，发生全反射的临界角可由如下公频率光密光疏　式不求得：小．于．当(11)sinCn光从光密介质射向空气折射率为时，求得全反射的临界角的公式又可表为：5．玻璃制成的三棱镜，其光学特性是：(1)单色光从棱镜的一个侧面入射而从另一侧面射出时，将向棱镜的底面偏折．隔着棱镜看到物体的虚像比实际位置向顶角方向偏移．(2)复色光通过棱镜，由于各种单色光的折射率不同而出现色散现象，白光色散后形成由红到紫按一定次序排列的光谱．红光通过棱镜时偏折角较小(因对红光折射率较小)，紫光偏折射角较大.二、光的波动性光的偏振光的电磁波学说1．十七世纪，关于光的本性形成了两种学说,一种是牛顿主张的微粒说，另一种是惠更斯提出的波动说。光的干涉证实光具有波动性.麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波．赫兹用实验加以证实.2．两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加，会出现明暗相间的条纹，如果是白光，则会出现彩色条纹，这种现象称为光的干涉.相干光源的条件是两光源频率相同．获得相干光的办法是：把一个点光源(或线光源)发出的光分为两列光．3．明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，相邻明纹之间或暗纹之间的距离Dx=l.Ld4．光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射.产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相同甚至比光的波长还要小．5．横波只沿着某一特定的方向振动，称为波的偏振，光的偏振现象说明光是横波.通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动，称为偏振光.6．麦克斯韦的电磁场理论：恒定的电(磁)场不能产生磁(电)场，均匀变化的电(磁)场产生恒定的磁(电)场，周期性变化的电(磁)场产生周期性变化的磁(电)场．7．电磁波是横波：E与B的方向彼此垂直，而且都跟波速方向垂直．电磁波的传播不需要靠别的物质作介质，在真空中也能传播．在真空中的波速为c=3.0×108m/s.8．按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其产生机理与主要作用如下表：电磁波产生机理主要作用无线电波电路中自由电子周期性振荡而产生广播、电视红外线原子的外层电子受激而产生热作用可见光原子的外层电子受激而产生视觉作用，色彩效应紫外线原子的外层电子受激而产生化学作用、生理作用、荧光效应伦琴射线原子的内层电子受激而产生医用透视γ射线原子核受激而产生穿透作用三、狭义相对论基础1．狭义相对论认为一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速．2．狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理．3．钟慢效应与尺缩效应是狭义相对论的基本观点方法指导：解答几何光学问题的方法：1．解题关键：根据题意和物理规律画出光路图，找出几何关系．21sin1/sinsin2nincvCrnn常用公式：①③．②1．光的折射现象及折射率的认识【例1】(2011·新课标卷)一半圆柱形透明物体横截面如图所示，地面AOB镀银(图中粗线)，O表示半圆截面的圆心，一束光线在横截面内从M点入射，经过AB面反射后从O点射出．已知光线在M点的入射角为30°，∠MOA=60°，∠NOB=30°.求：(1)光线在M点的折射角；(2)透明物体的折射率．【切入点】首先画好光路图是解题关键，利用几何关系找出折射角即可求解．【解析】(1)如图，透明物体内部的光路为折MPN，O、M点相对于底面EF对称，Q、P和N三点共线．设在M点处，光的入射角为i，折射角为γ，∠OMQ=a，∠PNF=b.根据题意有a=30°①由几何关系得，∠PNO=∠PQO=γ，于是b+γ=60°②且a+γ=b③由①②③式得γ=15°④(2)根据折射率公式有sini=nsinγ⑤由④⑤式得【点评】分析光的折射时，一般需作出光路图，以便应用折射规律及光路图中提供的几何关系来解答，同一介质中，频率越大的光折射率越大．再应用，等知识，就准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、入射线与折射线偏折程度等问题，光的频率(颜色)由光源决定，与介质无关；光的传播速度由介质决定；光的波长由光源和介质共同确定．622n0cnvll【同类变式1】半径为R的玻璃半圆柱体，横截面如图所示，圆心为O，两条平行单色红光，沿截面射向圆柱面，方向与底面垂直，光线1的入射点A为圆柱面的顶点，光线2的入射点为B，∠AOB=60°，已知该玻璃对红光折射率n=.求两条光线经柱面和底面折射后的交点与O的距离d.32602cotan3033s303.RRCROOROa由题意画图，光线经两次折射后，折射角，由右图可知，所以【解析】2．插针法测折射率【例2】用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出大头针位置和三棱镜轮廓．如图所示．(1)在本题的图上画出所需的光路．(2)如何只用直尺测出棱镜玻璃的折射率？需要测量的量是_____、__________，在图上标出它们．(3)计算折射率的公式是n=_____【切入点】本题考查插针法测定玻璃的折射率，再现该实验的全过程对解题很有帮助．【解析】(1)如下图所示，连接P1、P2交AB于O点，连接P3、P4交AC于O′点，连接OO′，过O点作AB面的法线MN，延长OO′到G点，使OG=OE，过E点作法线MN的垂线交MN于F点，过G点作法线MN的垂线交MN于H点．(2)量出线段EF和GH的长．【点评】如果玻璃界面确定得不准确，会给测量结果造成一定的误差，若画出的两界面间距离偏大，很容易看出，这时折射角的测量值偏大，会造成折射率的测量值偏小，如果画出的两界面距离偏小，则情况与上述情况恰好相反．12 sin..3sinEFEFOGEFOEnGHOEGHGHOG由折射定律【同类变式2】(2011·东城模拟)一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的(光线不能通过此表面)．现要测定此玻璃的折射率．给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚(P1、P2、P3、P4)、带有刻度的直角三角板、量角器．实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直．在纸上画出直线aa′和bb′，aa′表示镀银的玻璃表面，bb′表示另一表面，如图所示．然后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2(位置如图)用P1、P2的连线表示入射光线．(1)为了测量折射率，应如何正确使用大头针P3、P4？试在题图中标出P3、P4的位置；(2)然后，移去玻璃砖与大头针．试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角1与折射角2.简要写出作图步骤；(3)写出用1、2表示折射率的公式为n=_______________.【解析】(1)在bb′一侧观察P1、P2(经bb′折射、aa′反射，再经bb′折射后)的像，在适当的位置插上P3，使得P3与P1、P2的像在一条直线上，即让P3挡住P1、P2的像；再插上P4，让它挡住P2(或P1)的像和P3的像．P3、P4的位置如图所示．123412112sinsin             2 .3PPbbOPPbbOOOMObbCDMbbaaNONPODCON过、作直线与交于；过、作直线与交于；利用刻度尺找到的中点；过点作的垂线，过点作的垂（）（①②③④⑤线与相交于，如图所示，连接；，）3．全反射和临界角的认识【例3】(2011·重庆卷)如图所示，空气中有一折射率为的玻璃柱体，其横截面是圆心角为90°、半径为R的扇形OAB、一束平行光平行于横截面，以45°入射角射到OA上，OB不透光，若只考虑首次入射到圆弧上的光，则上有光透出的部分的弧长为()A.pRB.pRC.pRD.pR161413512【切入点】光由光密介质射向光疏介质，当入射角大于或等于临界角时会发生全反射．【解析】根据折射定律，可得光进入玻璃后光线与竖直方向的夹角为30°.过O的光线垂sin452sinnr直入射到AB界面上由点C射出，C到B之间没有光线射出；越接近A的光线入射到AB界面上时的入射角越大，发生全反射的可能性越大，根据答案：B1sin4521801204515       903015451.4CABDAOEODEODADABRp临界角公式得临界角为，如果界面上的临界点为，此光线在界面上点入射，在三角形中可求得与水平方向的夹角为，所以到之间没有光线射出．由此可得有光线射出的圆弧对应圆心角为，圆弧上有光透出部分的弧长为【点评】光从光密介质射入光疏介质，在入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射．光在两介质界面发生反射、折射时的能量分析：入射角较小时，反射光的能量较少，折射光的能量较多；入射角增大，反射光的能量增加，折射光的能量减小；当发生全反射时，折射光能量为零，反射光分得全部能量．【同类变式3】(2011·湖南师大附中模拟)如图所示是一种折射率n=1.5的棱镜，现有一束光线沿MN的方向射到棱镜的AB界面上，入射角的正弦值为sini=0.75.求：(1)光在棱镜中传播的速率；(2)通过计算说明此束光线射出棱镜后的方向并画出光路图(不考虑返回到AB面上的光线)．答案：(1)2×108m/s(2)见解析图81210/.sin       sinsinsin0.530904545sin451  12ccnvmsvnirnrirrnBCiBCDEnAC由得设光线进入棱镜后的折射角为，由，得，光线射到界面时的入射角由于，所以光线在边发生全反射，光线沿方向射出棱镜后的方向与边垂直，光路图如图所示．4．干涉和衍射是波特有的性质【例4】在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这时在屏上()A．只有红色和绿色的干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失B．红色和绿色的干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹仍然存在C．任何颜色的干涉条纹都不存在，但屏上仍有亮光D．屏上无任何亮光【切入点】只有由相干波源(即振动情况完全相同的光源)发出的光，才能产生光的干涉现象,在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹．【解析】在双缝干涉实验中，白光通过单缝成为线光源，从单缝射出的光通过双缝分成两束光，它们在光屏上形成彩色的干涉条纹，现在两个缝前分别放上红色和绿色滤光片，红光和绿光的频率不同，不是相干光，所以屏上没有干涉条纹，只有亮光，选项C正确．()() ()lxlxldddllDD单色光经双缝产生的干涉图样的亮纹或暗纹的宽度相等，即干涉条纹是等间距的，并且亮度相同．相邻两条亮纹或暗纹间的距离与光波波长的关系：．其中为两条狭缝间的距离，为挡板与屏间的距离．双缝干涉用白光，屏上则出现彩色条纹，中间为白色，两侧第一组亮纹从里到外由紫到红依【点评】次排列．【同类变式4】(2011·北京卷)如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹，要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可