【物理】2019届一轮复习人教版电磁波相对论学案 13页

‎19 电磁波 相对论 核心考点 考纲要求 电磁波的产生 电磁波的发射、传播和接收 电磁波谱 狭义相对论的基本假设 质能关系 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ 考点1 电磁波与电磁振荡 一、麦克斯韦电磁场理论 ‎1．理论内容 变化的磁场能够产生电场，变化的电场能够产生磁场。根据这个理论，周期性变化的电场和磁场相互联系，交替产生，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。‎ ‎2．深度理解 ‎（1）恒定的电场不产生磁场。‎ ‎（2）恒定的磁场不产生电场。‎ ‎（3）均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。‎ ‎（4）均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。‎ ‎（5）振荡电场产生同频率的振荡磁场。‎ ‎（6）振荡磁场产生同频率的振荡电场。‎ ‎3．相关概念及判断方法 ‎（1）变化的磁场产生的电场叫感应电场；变化的电场产生的磁场叫感应磁场。‎ ‎（2）感应电场与感应磁场的场线都是闭合的曲线，而且互相正交、套连。‎ ‎（3）感应电场的方向可由楞次定律判定，感应磁场的方向可由安培定则判定。‎ 二、电磁波 ‎1．电磁波的产生 如果在空间某区域中有周期性变化的电场，救护在空间引起周期性变化的磁场，这个周期性变化的磁 场又会在较远的空间引起新的周期性变化的电场，新的周期性变化的电场又会在更远的空间引起新的周期性变化的磁场······这样，电磁场就由远及近向周围空间传播开去，形成了电磁波。学 ‎ ‎2．电磁波的特性 ‎（1）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是相同的（都等于光速）。‎ ‎（2）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。‎ ‎（3）电磁波的频率f、波长λ和波速v的关系：v=λf。‎ ‎（4）电磁波是横波，具有波的特性，能产生干涉、衍射等现象。‎ ‎3．无线电波的发射与接收 无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波。无线电波的波长从几毫米到几十千米。根据波长（或频率），通常将无线电波分成几个阶段，每个波段的无线电波分别有不同的用途。‎ ‎（1）无线电波的发射 ‎①有效发射电磁波的条件：高频振荡；开放电路（如图所示）。‎ ‎②调制：在无线电传播技术中，首先将声音、图象等信息通过声电转换、光电转换等方式转换为电信号，但这种电信号频率低，不能用来直接发射电磁波，所以要把传递的低频率电信号“加”到高频电磁波上，使电磁波的频率或振幅随各种信号而改变，这种使电磁波随各种信号而改变的基数叫调制。‎ 调制的两种方式：调幅和调频。使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅；使高频振荡的频率随信号而改变的叫调频。‎ ‎（2）无线电波的接收 无线电波的接收必须采用调谐电路，如图所示，调谐电路由可变电容器、电感线圈、天线、地线等几部分组成。‎ ‎①电谐振：当接收到的电磁波的频率跟接收电路的固有频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振。‎ ‎②调谐：调谐电路的固有频率可以在一定范围内连续改变，将调谐电路的频率调节到与需要接收的某个频率的电磁波相同，使接收电路产生电谐振，这一过程叫做调谐。‎ ‎③解调：从接收到的高频振荡中分离出所携带的信号的过程叫做解调。解调是调制的逆过程。调幅波的解调也叫检波。‎ ‎④无线电波接收的全过程：天线接收到所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经过解调取出携带的信号，信号经放大后再还原成声音或图象。‎ ‎4．电磁波谱分析及电磁波的应用 电磁波谱 频率/H ‎ 真空中波长/m 特性 应用 递变规律 无线电波 ‎<3×1011‎ ‎>10–3‎ 波动性强，易发生衍射 无线电技术 红外线 ‎1011~1015‎ ‎10–3~10–7‎ 热效应 红外遥感 可见光 ‎1015‎ ‎10–7‎ 引起视觉 照明、摄影 紫外线 ‎1015~1017‎ ‎10–7~10–9‎ 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪 X射线 ‎1016~1019‎ ‎10–8~10–11‎ 贯穿本领强 检查、医用透视 γ射线 ‎>1019‎ ‎<10–11‎ 贯穿本领最强 工业探伤、医用治疗 特别提醒：‎ ‎①波长不同的电磁波，表现出不同的特性。其中波长较长的无线电波和红外线等，易发生干涉、衍射现象；波长较短的紫外线、X射线、γ射线等，穿透能力较强。‎ ‎②电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠，但它们产生的机理不同。‎ ‎5．电磁波与机械波的比较 名称 项目 电磁波 机械波 研究对象 电磁现象 力学现象 产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点（波源）的振动产生 波的特点 横波 纵波或横波 波速 在真空中等于光速（很大）（c=3×108 m/s）‎ 在空气中不大（如声波波速一般为340 m/s）‎ 介质需要 不需要介质（在真空中仍可传播）‎ 必须有介质（真空中不能传播）‎ 能量传播 电磁能 机械能 三、电磁振动 ‎1．LC振荡电路 由自感线圈和电容器组成的电路就是最简单的振荡电路，简称LC电路。如图所示，先将开关S和1接触，开关闭合后电源给电容器C充电，然后将S和2接触，在LC电路中就出现了大小与方向都做周期性变化的振荡电路。在产生电流的过程中，电容器极板上的电荷q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E和线圈中的磁感应强度B都发生周期性变化，这种现象叫做电磁振荡。‎ ‎（1）从振荡的表象上看：LC振荡过程实际上是通过线圈L对电容器C充、放电的过程。‎ ‎（2）从屋里本质上看：LC振荡过程实质上是磁场能和电场能之间通过充、放电的形式相互转化的过程。‎ ‎2．电磁振荡的规律 LC电路中电场振荡的规律可用下图表示。（图中↗表示增大，↘表示减小）‎ ‎3．电磁振荡的周期和频率 与力学中的简谐运动类似，如果没有能量损失，也不受外界影响，电磁振荡的周期与频率由振荡电路本身的结构与性质所决定，因此称这个周期与频率为固有周期与固有频率，LC电磁振荡的周期和频率公式为T=2π，频率。‎ ‎4．电磁振荡规律的分析 ‎（1）电磁振荡中各物理量的变化规律分析 LC电路中的振荡电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板上的电荷量q、电容器两端的电压u、极板间的电场强度E均是随时间按正弦（或余弦）规律做周期性变化的，如图所示。‎ LC电路中各物理量的变化规律如下表所示。‎ 电路状态 时刻 ‎0‎ 电荷量 最大 ‎0‎ 最大 ‎0‎ 最大 电压 最大 ‎0‎ 最大 ‎0‎ 最大 电场能 最大 ‎0‎ 最大 ‎0‎ 最大 电流 ‎0‎ 正向最大 ‎0‎ 反向最大 ‎0‎ 磁场能 ‎0‎ 最大 ‎0‎ 最大 ‎0‎ 振荡电路中的电容为30~390 pF，电感为88.6×10–3 H，振荡电路中产生的振荡电流的周期在什么范围内？如果电容器的电容为C1时，电路中的最大电流为I1，保持电容器的最大带电荷量不变，突然将C1减小到C2，电路中的最大电流为I2，试比较I1与I2。学 ‎ ‎【参考答案】1.0×10–6~3.69×10–6 s I2>I1‎ ‎【试题解析】T=2π T1=2π=2×3.14×=1.0×10–6 s T2=2π=2×3.14×=3.69×10–6 s 则其周期的范围为：1.0×10–6~3.69×10–6 s。‎ 当电容器的电容突然减小时，放电速度加快，则周期变小，而一个周期通过电路的电荷量总量不变，所以电流会增大，则I2>I1。‎ ‎1．目前雷达发射的电磁波频率多在200 MH 至1 000 MH 的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是 A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在1.5 m至0.3 m之间 B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D．波长越短的电磁波，反射性能越强 ‎【答案】ACD ‎2．关于电磁波的特点，下列说法正确的是 A．电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波沿与二者垂直的方向传播 B．电磁波是横波 C．电磁波的传播不需要介质，而是电场和磁场之间的相互感应 D．电磁波不具有干涉和衍射现象 ‎【答案】ABC ‎【解析】电磁波是横波，其E、B、v三者互相垂直。电磁波也是一种波，它具有波的特性，因此ABC正确，D错误。‎ ‎3．19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在法拉第等人研究成果的基础上，进行总结，并加以发展，提出了系统的电磁理论并预言了电磁波的存在。以下有关电磁理论和电磁波的说法不正确的是 A．只要有磁场在变化，它的周围就一定会产生电场 B．空间某区域有不均匀变化的电场，则一定会产生电磁波 C．电磁波不同于机械波之处是电磁波能在真空中传播 D．紫外线是一种比所有可见光波长更长的电磁波 ‎【答案】D ‎4．如图所示，甲、乙、丙、丁四个LC振荡电路中，某时刻振荡电流i的方向如箭头所示。下列对各回路情况的判断正确的是 A．若甲电路中电流i正在增大，则该电路中线圈的自感电动势必定在增大 B．若乙电路中电流i正在增大，则该电路中电容器里的电场方向必定向下 C．若丙电路中电流i正在减小，则该电路中线圈周围的磁场必在增强 D．若丁电路中电流i正在减小，则该电路中电容器极板电荷必是上负下正 ‎【答案】BD ‎【解析】如果i正在增大，则其变化率一定在减小，故自感电动势一定在减小；若i在减小，则线圈周围的磁场一定在减弱，故AC错误。若i在增大，说明是放电过程，对于乙图，是从上极板流向下极板，则说明上极板带正电，进而可判断电场方向必向下，故B正确。若i在减小，则说明是充电过程，在丁图中，电流指向下极板，故下极板必充上正电，上板带负电，所以D正确。‎ ‎5．一个LC振荡电路所发射的电磁波频率是106 H ，求它在真空中的波长，当振荡电路电容器的电容增为原来的4倍时，所发射的电磁波频率为多少？‎ ‎【答案】5×105 H ‎ 考点2 狭义相对论 ‎1．狭义相对论的基本假设 ‎（1）在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。‎ ‎（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。‎ ‎2．时间间隔的相对性。‎ ‎3．长度的相对性。‎ ‎4．相对论的速度变换公式 ‎5．相对论质量。‎ ‎6．质能方程E=mc2。‎ ‎7．对狭义相对论的理解 ‎（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。‎ ‎（2）光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。‎ ‎（3）狭义相对论认为物体的质量m与物体的速度v有关，其关系式为。‎ 如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：‎ ‎（1）在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？‎ ‎（2）在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？‎ ‎【参考答案】（1）同时接收到 （2）A先接收到 ‎【试题解析】在地面上的观察者看来，光源距离A、B等距，光信号向两电杆传播的速度相同，因此，光信号同时到达A、B。在运动车厢中的观察者看来，运动车厢是个惯性系，地面和A、B都在向左运动，光信号向左右两侧传播速度相同（光速不变原理）。在光信号向两侧传播的过程中，地面及A、B都向左运动了一段距离，所以光信号先到达B，后到达A。‎ ‎1．关于狭义相对论的说法，不正确的是 A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系 D．狭义相对论任何情况下都适用 ‎【答案】D ‎2．下列说法正确的是 A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化 B．时间和空间不依赖人们的意识而存在 C．时间和空间是绝对的 D．时间和空间是紧密联系、不可分割的 ‎【答案】D ‎【解析】根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的.时间和空间不能割裂，是紧密联系的，所以ABC错误，D正确。‎ ‎3．20世纪初，著名的物理学家爱因斯坦建立了________，使人们对时空观的认识产生了根本性的变革。‎ ‎【答案】狭义相对论 ‎【解析】爱因斯坦的狭义相对论认为时间和空间都不是绝对的，都是相对的，时间和空间是不能割裂是紧密相连的，使人们对时空观的认识产生了根本性的转变。‎ ‎1．（2017·江苏卷）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 ‎【答案】AC ‎【名师点睛】本题主要考查狭义相对论时间间隔的相对性，注意运动的相对的，飞船相对地球高速运动，地球也相对飞船高速运动。‎ ‎2．（2016·江苏卷）一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是 A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c ‎【答案】B ‎【解析】根据狭义相对论可知，沿相对运动方向的长度缩短，所以地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，飞船上的人测量飞船的长度等于30 m，所以A错误，B正确；根据光速不变原理，飞船上和地球上测量光的速度都等于c，故CD错误。‎ ‎3．（2016·新课标全国Ⅱ卷）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 ‎【答案】ABC ‎4．（2016·北京卷）下列说法正确的是 A．电磁波在真空中以光速c传播 B．在空气中传播的声波是横波 C．声波只能在空气中传播 D．光需要介质才能传播 ‎【答案】A ‎【解析】电磁波在真空中的传播速度等于光速，A正确；在空气中传播的声波是纵波，B错误；声波的传播需要介质，可以在空气、液体和固体中传播，C错误；光属于电磁波，其传播不需要介质，可以在真空中传播，D错误。学-- / ‎ ‎5．（2016·上海卷）各种不同频率范围的电磁波按频率由大到小的排列顺序是 A．γ射线、紫外线、可见光、红外线 B．γ射线、红外线、紫外线、可见光 C．紫外线、可见光、红外线、γ射线 D．红外线、可见光、紫外线、γ射线 ‎【答案】A ‎【解析】在电磁波谱中，各电磁波按照频率从小到大的排列顺序是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，选A。‎ ‎6．（2016·天津卷）我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1~10 m范围内，则对该无线电波的判断正确的是 A．米波的频率比厘米波频率高 B．和机械波一样须靠介质传播 C．同光波一样会发生反射现象 D．不可能产生干涉和衍射现象 ‎【答案】C