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专题 34 光的波动性 电磁波和相对论
[题型导航]
题型一 光的干涉现象...........................................................................................................................1
题型二 光的衍射和偏振现象...............................................................................................................5
题型三 电磁波与相对论.......................................................................................................................8
[考点分析]
题型一 光的干涉现象
1．产生条件
两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样．
2．杨氏双缝干涉
(1)原理图如图1所示
图1
(2)亮、暗条纹的条件．
①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹．
a．光的路程差Δr＝r－r＝kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出现亮条纹．
2 1
b．光的路程差Δr＝r－r＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)，光屏上出现暗条纹．
2 1
②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)．
③条纹间距公式：Δx＝λ.
3．薄膜干涉现象
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．图3
4．薄膜干涉原理分析
(1)相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波．
(2)图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)条纹对应的薄膜的厚度相等．单色光照射薄膜时形成明
暗相间的条纹，白光照射薄膜时形成彩色条纹．
5．薄膜干涉的应用
干涉法检查平面的平整程度如图4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
果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整
则干涉条纹发生弯曲．
[例题1] G 、G 为放在水平面上的高度略有差别的两个长方体，为了检查这两个长方体
1 2
的上表面是否相互平行，检测员用一块标准的平行透明平板 T压在G 、G 的上方，T与G 、
1 2 1
G 支架分别形成尖劈形空气层，如图所示。G 、G 的上表面与平板的夹角分别为 和 ，P为
2 1 2
平板T上表面上的一点。用单色光从上方照射平板T，G 、G 的上方都能观察到明α显的β干涉条
1 2
纹可以推知（ ）
A．若 ＝ ，则G 上方的干涉条纹间距小于G 上方的干涉条纹间距
1 2
B．若α＞β，则G
1
上方的干涉条纹间距大于G
2
上方的干涉条纹间距
C．若将α Gβ1 、G
2
的间距缩短些，则G
1
上方的干涉条纹分布变得更密
D．若在P处用较小的力下压平板T，则G 上方的干涉条纹分布变密
1
【解答】解：AB．设有一物体上表面与平板的夹角 ，相邻亮条纹的间距为ΔL，由空气薄膜干
涉条件，则有2ΔLtan ＝ θ
λ θ λ
解得：ΔL=
2tanθ若 ＝ ，则G 上方的干涉条纹间距等于G 上方的干涉条纹间距，若 ＞ ，则G 上方的干涉条
1 2 1
纹间α距β小于G 上方的干涉条纹间距，故AB错误； α β
2
C．若将G 、G 的间距缩短些，则 增大，可知G 上方的干涉条纹分布变得更密，故C正确；
1 2 1
D．若P在两长方体间，在P处用较α小的力下压平板T，则 减小，可知G
1
上方的干涉条纹分布
变疏，故D错误。 α
故选：C。
[例题2] 把铁丝圈放在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，竖直放置时，把这层
液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰，可以观察到上疏下密的彩色条纹，下列说法正确的是（
）
A．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化
B．肥皂膜上的条纹是前表面反射光与折射光形成的干涉条纹
C．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹
D．将铁丝圈右侧的把柄向上转动90°，条纹也会跟着转动90°
【解答】解：A.形成条纹的原因是前后表面的反射光叠加出现了振动加强点和振动减弱点，形
成到破裂的过程上面越来越薄，下面越来越厚，因此出现加强点和减弱点的位置发生了变化，
条纹宽度和间距发生变化，故A错误；
BC.该彩色条纹是薄干涉，是前后表面反射光形成的干涉条纹，故C正确，B错误；
D.将铁丝圈右侧的把柄向上转动90°，由于重力、表面张力和粘滞力等的作用，肥皂膜的形状和
厚度会重新分布，因此并不会跟着旋转90°，故D错误。
故选：C。
[例题3] 利用如图甲所示的装置可以测量待测圆柱形金属丝与标准圆柱形金属丝的直径差，
T 、T 是标准平面玻璃，A 为标准金属丝，直径为D ，A为待测金属丝，直径为D．用波长
1 2 0 0
为 的单色光垂直照射玻璃表面，干涉条纹如图乙所示，相邻亮条纹的间距为 ΔL．则
（ λ ）A．D与D 相差越大，ΔL越大
0
B．轻压T 的右端，若ΔL变小，有D＜D
1 0
C．相邻亮条纹对应的空气薄膜厚度差为
D．图乙可能是D与D
0
相等时产生的条纹λ
|D-D |
【解答】解：A、设标准平面的玻璃晶之间的夹角为 ，由题设条件，则有tan = 0 ，由
L
θ θ
λ
空气薄膜干涉的条件，则有：2ΔLtan ＝ ，即为：ΔL= ，所以A与A 直径相差越大，
0
2tanθ
θ λ θ
越大，ΔL越小，故A错误；
λ
B.轻压T 的右端，若ΔL变小，由ΔL= 可知， 变大，因为压的是右侧，说明右侧直径小，
1
2tanθ
θ
即有D＜D ，故B正确；
0
C.相邻亮条纹对应的空气薄膜厚度差为光程差，并不是空气薄膜厚度差，故C错误；
D.当D＝D 时，不能产生干涉条纹，故D错误。
0
故选：B。
[例题4] 利用双缝干涉装置测红光波长时，得到红光的干涉图样；仅将红光换成蓝光，得
到另一干涉图样。两图样如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．图甲为红光干涉图样
B．将光屏远离双缝，干涉条纹间距减小
C．红光比蓝光更容易发生衍射现象
D．若蓝光照射某金属时能发生光电效应，改用红光照射也一定能发生光电效应
L
【解答】解：A、由题目图可知，依据干涉条纹间距公式△x= λ，图甲条纹间距较短，而乙图
d
条纹间距较长，那么图甲对应光的波长较短，图乙对应光的波长较长，由于蓝光波长小球红光，因此图甲为蓝光干涉图样，故A错误；
L
B、依据干涉条纹间距公式△x= λ，当将光屏远离双缝，干涉条纹间距增大，故B错误；
d
C、红光的波长比蓝光长，因此更容易发生衍射现象，故C正确；
D、若蓝光照射某金属时能发生光电效应，红光的频率低于蓝光，当改用红光照射，若其频率不
低于极限频率，也才一定能发生光电效应，故D错误；
故选：C。
[例题5] 杨氏双缝干涉实验对认识光的本质具有重要的意义。双缝干涉实验示意图如图所
示，用蓝光照射单缝S时，光屏P上能观察到干涉条纹。下列措施中能使光屏上条纹间距变宽
的是（ ）
A．改用紫光照射单缝S
B．将单缝S向左侧平移
C．减小双缝S 与S 的间距
1 2
D．用蓝光和紫光分别照射S 和S
1 2
L
【解答】解：在波的干涉中，依据干涉条纹的间距公式：△x= ，可得，条纹间距与波长、屏
d
λ
之间的距离成正比，与双缝间的距离d成反比，故要增大间距，应减小d，或增大双缝屏到光屏
的距离，或增大光的波长；
A、改用紫光照射单缝S，即波长变短，故A错误；
B、将单缝S向左侧平移，由条纹的间距公式可知，不受影响，故B错误；
C、减小双缝S 与S 的间距，即间距d，故C正确；
1 2
D、用蓝光和紫光分别照射S 和S ，不满足干涉的条件：频率相同，故D错误。
1 2
故选：C。题型二 光的衍射和偏振现象
1．衍射与干涉的比较
两种现象
单缝衍射 双缝干涉
比较项目
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
不同点
条纹清晰，亮度基本相
亮度情况 中央条纹最亮，两边变暗
等
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干
相同点
涉、衍射都有明暗相间的条纹
注意 ①白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同．
②区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区
分．
2．干涉与衍射的本质
光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具
有相似的原理．在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加
形成单缝衍射条纹．
3．偏振：光波只沿某一特定的方向的振动．
4．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，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，这种光叫做自然光．
5．偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光．光的偏振证明光是横波．
自然光通过偏振片后，就得到了偏振光．
6．偏振光的理论意义及应用
(1)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
现象说明了光波是横波．
(2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等．
[例题6] 一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干
涉条纹。现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到
（ ）
A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些
B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而且中央明条纹比两侧的宽些
C．只有一条与缝宽对应的明条纹D．无条纹，只存在一片红光
【解答】解：这束红光通过双缝产生了干涉现象，说明每条缝都很窄，这就满足了这束红光发
生明显衍射现象的条件，这束红光形成的干涉图样特点是，中央出现明条纹，两侧对称地出现
等间隔的明暗相间条纹；这束红光通过单缝时形成的衍射图样特点是，中央出现较宽的明条纹，
两侧对称地出现不等间隔的明暗相间条纹，且距中央明条纹远的明条纹亮度迅速减弱，所以衍
射图样看上去明暗相间的条纹数量较少，故B正确，ACD错误。
故选：B。
[例题7] 某次光的衍射实验中，观察到如图所示的明暗相间的图样，则障碍物为（ ）
A．很小的不透明圆板
B．中间有较小圆孔的不透明挡板
C．很大的不透明圆板
D．中间有较大圆孔的不透明挡板
【解答】解：A、用光照射很小的不透明圆板时后面出现一亮点，即泊松亮斑，故A错误。
B、用光照射中间有较小圆孔的不透明挡板时是明暗相间的衍射图样，故B正确。
C、很大的不透明圆板时后面是一片阴影，故C错误。
D、在做衍射实验中，如果不透明挡板中间的圆孔比较大时，不会发生衍射现象，或者衍射现象
不明显，观察不到明暗相间的图样，故D错误。
故选：B。
[例题8] “牛顿环”又称“牛顿圈”。如图甲所示。牛顿环的上表面是半径很大的玻璃
球冠的平面，下表面是球冠的凸面。其工作原理为“薄膜干涉”。可以用来判断透镜表面凸凹。
精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率等。把牛顿环与玻璃面接触，
在日光下或用白光照射时，可以看到明暗相间的彩色圆环；若用单色光照射，则会出现一些明
暗相间的单色圆环，如图乙所示。它们是由球面和被检测面上反射的光相互干涉而形成的条纹，
这些圆环的分布情况与球冠半径及被测物品的表面情况有关。以下分析正确的是（ ）A．圆环的间距大小与球冠半径大小无关
B．球冠的半径越大，圆环的间距越小
C．若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的
D．被检测的面必须是平的
【解答】解：AB、若将玻璃球体的半径在增大一些，则玻璃球体与被检测的平面之间的夹角将
减小，它们之间的空气膜的厚度的变化减慢，所以形成的同心圆环的间距增大，球冠的半径越
大，圆环的间距越大，故A错误，B错误；
C、根据薄膜干涉的原理可知，当光程差为波长的整数倍时是亮条纹，与同一亮环相对应的各处
空气薄膜的厚度是相同的，所以若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的，故 C
正确；
D、根据薄膜干涉的特点可知，被检测的面可以是平的，也可以是凸的，或凹的，故D错误。
故选：C。
[例题9] （多选）2015年12月，中国“可见光通信系统关键技术研究”获得重大突破﹣
可见光通信的实时通信速率已经提高至50Gbps，相当于0.2s即可下载一部高清电影．关于可
见光，下列说法正确的是（ ）
A．可见光中的红光比紫光的频率低
B．可见光不能在真空中传播
C．可见光波长越长，越容易发生衍射
D．可见光能发生光的干涉和衍射现象，说明光是横波
【解答】解：A．根据可见光中光的频率的排列顺序可知，可见光中的红光比紫光的频率低。故
A正确；
B．可见光属于电磁波，能在真空中传播。故B错误；
C．可见光波长越长，越容易发生明显衍射。故C正确；
D．可见光能发生光的干涉和衍射现象，说明光具有波动性；偏振现象说明光是一种横波。故D
错误。
故选：AC。题型三 电磁波与相对论
1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．
2．电磁场： 变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场．
3．电磁波：电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波．
(1)电磁波是横波，在空间传播不需要介质．
(2)v＝λf对电磁波同样适用．
(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．
4．发射电磁波的条件：
(1)要有足够高的振荡频率；
(2)电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间．
5．调制：有调幅和调频两种方法．
6．电磁波的传播：
(1)三种传播方式：天波、地波、空间波．
(2)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝ 3 × 10 8 m/s.
7．电磁波的接收：
(1)当接收电路的固有频率跟接收到的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 ．
8．两个基本假设
(1)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，光速与光源、观测者间的相对
运动没有关系．
9．相对论的质速关系
(1)物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度 v运动时的质量m与静止时的质量m 之间有
0
如下关系：m＝.
(2)物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m.
0
10．相对论的质能关系
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＝ mc 2 .
[例题10] “啁啾（zhōujiū）激光脉冲放大技术”是高强度激光研究的重大技术创新和核心
技术。如图所示，该技术原理可以简化为：种子激光脉冲经过单模光纤的色散作用，将时长为
飞秒（10﹣15s）脉宽的激光脉冲在时间上进行了展宽；展宽后的脉冲经过激光增益介质放大，充分提取了介质的储能；最后使用压缩器将脉冲宽度压缩至接近最初的脉宽值。
上述技术中的关键是“啁啾”脉冲。种子激光脉冲包含有不同的频率分量，因此在单模光纤中，
频率高的部分和频率低的部分传播速度不同，这样光脉冲在时间上就被逐渐拉宽，形成脉冲前
沿、后沿频率不同的现象，宛如鸟儿发出的不同声音。下列说法正确的是（ ）
A．展宽过程使脉冲各频率分量的频率都变小
B．在传播方向上，“啁啾”脉冲前沿频率低于后沿频率
C．若激光脉冲能量约为1J，则其峰值功率一定不能达到1015W量级
D．通过“啁啾激光脉冲放大技术”获得的激光脉冲与种子激光脉冲能量几乎相同
【解答】解：AD、正“啁啾“的频率随时间增加，展宽过程使脉冲各频率分量的频率都变大，
所以通过“啁啾激光脉冲放大技术”获得的激光脉冲与种子激光脉冲能量是不相同的，故AD错
误；
B、正“啁啾”的频率随时间增加，一个脉冲上升的前沿是低频，下降的后沿是高频，所以在传
播方向上，“啁啾”脉冲前沿频率低于后沿频率，故B正确；
W 1
C、激光器产生超短脉冲时长为10﹣15s，根据功率的定义有P = = W＝1.0×1015W，故C
t 10-15
错误；
故选：B。
[例题11] 物理知识在科技生活中有广泛应用，下列说法正确的是（ ）
A．全息照片的拍摄是利用光的衍射原理
B．机场安全检查是利用红外线窥视箱内的物品
C．水下的核潜艇利用声呐与岸上的指挥中心保持联络
D．微波炉是利用食物中水分子在微波作用下热运动加剧，温度升高
【解答】解：A、全息照片的拍摄是利用光的干涉原理，故A错误；
B、在车站和机场的安检入口，要用X射线对旅客行李进行安全检查，X射线有较强的穿透本领
故B错误；C、水下的核潜艇利用雷达等与岸上的指挥中心保持联络，而在水下利用声呐发现目标，故 C错
误；
D、微波炉是利用食物中水分子在微波作用下热运动加剧，温度升高来加热食物的，故D正确。
故选：D。
[例题12] 抗击新冠肺炎疫情的战斗中，中国移动携手“学习强国”推出了武汉实景24小
时直播，通过5G超高清技术向广大用户进行九路信号同时直播武汉城市实况，全方位展现镜
头之下的武汉风光，共期武汉“复苏”。5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的
特征之一是具有超高速的数据传输速率。5G信号一般采用3.3×109——6×109Hz频段的无线电
波，而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109～2.64×109Hz，则（ ）
A．5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站
B．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快
C．空间中的5G信号和4G信号相遇会产生干涉现象
D．5G信号是横波，4G信号是纵波
【解答】解：A、5G信号的频率较高，则波长较短，因此5G信号相比于4G信号不容易绕过障
碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站，故A正确；
B、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B错误；
C、5G信号和4G信号的频率不一样，不能发生干涉现象，故C错误；
D、电磁波可以发生偏振现象，电磁波都是横波，故D错误。
故选：A。
[例题13] 如图甲所示电路中，把开关K扳到1，电源对电容器充电，待充电完毕，把开关
K扳到2，电容器与带铁芯的线圈L组成的LC振荡电路中产生振荡电流，电流传感器能实时
显示流过电容器的电流，电流向下流过传感器的方向为正方向。如图乙所示的1、2、3、4是
某同学绘制的四种电流随时间变化的图像。下列说法正确的是（ ）
A．K扳到1时电流如图线1所示，K扳到2时电流如图线4所示
B．K扳到1时电流如图线2所示，K扳到2时电流如图线3所示C．换用电动势更大的电源，振荡电流的周期将变大
D．拔出线圈的铁芯，振荡电流的频率将降低
【解答】解：AB、K扳到1时电源对电容器充电，电流沿正向，且随电容器电压增大而逐渐减
小，图线1符合，K扳到2时产生振荡电流，0时刻电流为零，前半个周期电流从电容器上板向
上流过传感器，方向为负，图线4符合，A正确，B错误；
C、振荡电流的周期T=2π√LC，与充电电压无关，C错误；
1
D、振荡电流的频率f = ，拔出线圈的铁芯，线圈自感系数减小，频率将升高，D错误。
2π√LC
故选：A。
[例题14] 降噪耳机越来越受到年轻人的喜爱。某型号降噪耳机工作原理如图所示，降噪过
程包括如下几个环节：首先，由安置于耳机内的微型麦克风采集耳朵能听到的环境中的中、低
频噪声（比如100Hz～1000Hz）；接下来，将噪声信号传至降噪电路，降噪电路对环境噪声进
行实时分析、运算等处理工作；在降噪电路处理完成后，通过扬声器向外发出与噪声相位相反、
振幅相同的声波来抵消噪声；最后，我们的耳朵就会感觉到噪声减弱甚至消失了。对于该降噪
耳机的下述说法中，正确的有（ ）
A．该耳机正常使用时，降噪电路发出的声波与周围环境的噪声能够完全抵消
B．该耳机正常使用时，该降噪耳机能够消除来自周围环境中所有频率的噪声
C．如果降噪电路能处理的噪声频谱宽度变小，则该耳机降噪效果一定会更好
D．如果降噪电路处理信息的速度大幅度变慢，则耳机使用者可能会听到更强的噪声
【解答】解：AB、因周围环境产生的噪声频率在100Hz～1000Hz范围之内，而降噪电路只能发
出某一种与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声，所以降噪电路发出的声波与周围环境
的噪声不能够完全抵消，即不能完全消除来自周围环境中所有频率的噪声，故AB错误；
C、如果降噪电路能处理的噪声频谱宽度变大，则该耳机降噪效果一定会更好，故C错误；
D、如果降噪电路处理信息的速度大幅度变慢，则在降噪电路处理完成后，通过扬声器可能会向
外发出与噪声相位相同、振幅相同的声波来加强噪声，则耳机使用者可能会听到更强的噪声，
故D正确；故选：D。
[例题15] 2019年被称为5G元年，这一年全球很多国家开通了5G网络，开起了一个全新
的通信时代，即万物互联的物联网时代。5G网络使用的无线电电波通信频率是在3.0GHz以上
的超高频段和极高频段（如图），比目前 4G通信频率是在0.3GHz﹣3.0GHz的特高频段网络
拥有更大的带宽和更快的传输速率。下列说法正确的是（ ）
A．4G信号是纵波，5G信号是横波
B．4G信号和5G信号相遇能产生干涉现象
C．4G信号比5G信号更容易发生衍射现象
D．5G信号比4G信号波长更长，相同时间传递的信息量更大
【解答】解：A、4G和5G信号均为电磁波，电磁波传播过程中，电场强度和磁感应强度的方向
始终与传播方向垂直，故电磁波为横波，故A错误；
B、4G和5G信号的频率不同，不能发生稳定的干涉现象，故B错误；
C、因5G信号的频率高，则波长小，4G信号的频率低，则波长长，故4G信号更容易发生明显
的衍射现象，故C正确；
D、5G信号比4G信号波长小，频率高，光子的能量大，故相同时间传递的信息量更大，故D错
误。
故选：C。
