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專題19 電磁波 相對論 核心考點(diǎn) 考綱要求 電磁波的產(chǎn)生 電磁波的發(fā)射、傳播和接收 電磁波譜 狹義相對論的基本假設(shè) 質(zhì)能關(guān)系 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ  考點(diǎn)1 電磁波與電磁振蕩 一、麥克斯韋電磁場理論 1．理論內(nèi)容 變化的磁場能夠產(chǎn)生電場，變化的電場能夠產(chǎn)生磁場。根據(jù)這個理論，周期性變化的電場和磁場相互聯(lián)系，交替產(chǎn)生，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場。 2．深度理解 （1）恒定的電場不產(chǎn)生磁場。 （2）恒定的磁場不產(chǎn)生電場。 （3）均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場。 （4）均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場。 （5）振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場。 （6）振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場。 3．相關(guān)概念及判斷方法 （1）變化的磁場產(chǎn)生的電場叫感應(yīng)電場；變化的電場產(chǎn)生的磁場叫感應(yīng)磁場。 （2）感應(yīng)電場與感應(yīng)磁場的場線都是閉合的曲線，而且互相正交、套連。 （3）感應(yīng)電場的方向可由楞次定律判定，感應(yīng)磁場的方向可由安培定則判定。 二、電磁波 1．電磁波的產(chǎn)生 如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，救護(hù)在空間引起周期性變化的磁場，這個周期性變化的磁 場又會在較遠(yuǎn)的空間引起新的周期性變化的電場，新的周期性變化的電場又會在更遠(yuǎn)的空間引起新的周期性變化的磁場這樣，電磁場就由遠(yuǎn)及近向周圍空間傳播開去，形成了電磁波。 2．電磁波的特性 （1）電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，在真空中不同頻率的電磁波傳播速度是相同的（都等于光速）。 （2）不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小。 （3）電磁波的頻率f、波長λ和波速v的關(guān)系：v=λf。 （4）電磁波是橫波，具有波的特性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。 3．無線電波的發(fā)射與接收 無線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無線電波。無線電波的波長從幾毫米到幾十千米。根據(jù)波長（或頻率），通常將無線電波分成幾個階段，每個波段的無線電波分別有不同的用途。 （1）無線電波的發(fā)射 ①有效發(fā)射電磁波的條件：高頻振蕩；開放電路（如圖所示）。 ②調(diào)制：在無線電傳播技術(shù)中，首先將聲音、圖象等信息通過聲電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等方式轉(zhuǎn)換為電信號，但這種電信號頻率低，不能用來直接發(fā)射電磁波，所以要把傳遞的低頻率電信號“加”到高頻電磁波上，使電磁波的頻率或振幅隨各種信號而改變，這種使電磁波隨各種信號而改變的基數(shù)叫調(diào)制。 調(diào)制的兩種方式：調(diào)幅和調(diào)頻。使高頻振蕩的振幅隨信號而改變叫做調(diào)幅；使高頻振蕩的頻率隨信號而改變的叫調(diào)頻。 （2）無線電波的接收 無線電波的接收必須采用調(diào)諧電路，如圖所示，調(diào)諧電路由可變電容器、電感線圈、天線、地線等幾部分組成。 ①電諧振：當(dāng)接收到的電磁波的頻率跟接收電路的固有頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫做電諧振。 ②調(diào)諧：調(diào)諧電路的固有頻率可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變，將調(diào)諧電路的頻率調(diào)節(jié)到與需要接收的某個頻率的電磁波相同，使接收電路產(chǎn)生電諧振，這一過程叫做調(diào)諧。 ③解調(diào)：從接收到的高頻振蕩中分離出所攜帶的信號的過程叫做解調(diào)。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。 ④無線電波接收的全過程：天線接收到所有的電磁波，經(jīng)調(diào)諧選擇出所需要的電磁波，再經(jīng)過解調(diào)取出攜帶的信號，信號經(jīng)放大后再還原成聲音或圖象。 4．電磁波譜分析及電磁波的應(yīng)用 電磁波譜 頻率/Hz 真空中波長/m 特性 應(yīng)用 遞變規(guī)律 無線電波 <31011 >10–3 波動性強(qiáng)，易發(fā)生衍射 無線電技術(shù) 紅外線 1011~1015 10–3~10–7 熱效應(yīng) 紅外遙感 可見光 1015 10–7 引起視覺 照明、攝影 紫外線 1015~1017 10–7~10–9 化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)、滅菌消毒 醫(yī)用消毒、防偽 X射線 1016~1019 10–8~10–11 貫穿本領(lǐng)強(qiáng) 檢查、醫(yī)用透視 γ射線 >1019 <10–11 貫穿本領(lǐng)最強(qiáng) 工業(yè)探傷、醫(yī)用治療 特別提醒： ①波長不同的電磁波，表現(xiàn)出不同的特性。其中波長較長的無線電波和紅外線等，易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象；波長較短的紫外線、X射線、γ射線等，穿透能力較強(qiáng)。 ②電磁波譜中，相鄰兩波段的電磁波的波長并沒有很明顯的界線，如紫外線和X射線、X射線和γ射線都有重疊，但它們產(chǎn)生的機(jī)理不同。 5．電磁波與機(jī)械波的比較 名稱 項(xiàng)目 電磁波 機(jī)械波 研究對象 電磁現(xiàn)象 力學(xué)現(xiàn)象 產(chǎn)生 由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生 由質(zhì)點(diǎn)（波源）的振動產(chǎn)生 波的特點(diǎn) 橫波 縱波或橫波 波速 在真空中等于光速（很大）（c=3108 m/s） 在空氣中不大（如聲波波速一般為340 m/s） 介質(zhì)需要 不需要介質(zhì)（在真空中仍可傳播） 必須有介質(zhì)（真空中不能傳播） 能量傳播 電磁能 機(jī)械能 三、電磁振動 1．LC振蕩電路 由自感線圈和電容器組成的電路就是最簡單的振蕩電路，簡稱LC電路。如圖所示，先將開關(guān)S和1接觸，開關(guān)閉合后電源給電容器C充電，然后將S和2接觸，在LC電路中就出現(xiàn)了大小與方向都做周期性變化的振蕩電路。在產(chǎn)生電流的過程中，電容器極板上的電荷q、電路中的電流i、電容器內(nèi)的電場強(qiáng)度E和線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩。 （1）從振蕩的表象上看：LC振蕩過程實(shí)際上是通過線圈L對電容器C充、放電的過程。 （2）從屋里本質(zhì)上看：LC振蕩過程實(shí)質(zhì)上是磁場能和電場能之間通過充、放電的形式相互轉(zhuǎn)化的過程。 2．電磁振蕩的規(guī)律 LC電路中電場振蕩的規(guī)律可用下圖表示。（圖中↗表示增大，↘表示減?。? 3．電磁振蕩的周期和頻率 與力學(xué)中的簡諧運(yùn)動類似，如果沒有能量損失，也不受外界影響，電磁振蕩的周期與頻率由振蕩電路本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)所決定，因此稱這個周期與頻率為固有周期與固有頻率，LC電磁振蕩的周期和頻率公式為T=2π，頻率。 4．電磁振蕩規(guī)律的分析 （1）電磁振蕩中各物理量的變化規(guī)律分析 LC電路中的振蕩電流i、線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電容器極板上的電荷量q、電容器兩端的電壓u、極板間的電場強(qiáng)度E均是隨時間按正弦（或余弦）規(guī)律做周期性變化的，如圖所示。 LC電路中各物理量的變化規(guī)律如下表所示。 電路狀態(tài) 時刻 0 電荷量 最大 0 最大 0 最大 電壓 最大 0 最大 0 最大 電場能 最大 0 最大 0 最大 電流 0 正向最大 0 反向最大 0 磁場能 0 最大 0 最大 0  振蕩電路中的電容為30~390 pF，電感為88.610–3 H，振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的周期在什么范圍內(nèi)？如果電容器的電容為C1時，電路中的最大電流為I1，保持電容器的最大帶電荷量不變，突然將C1減小到C2，電路中的最大電流為I2，試比較I1與I2。 【參考答案】1.010–6~3.6910–6 s I2>I1 【試題解析】T=2π T1=2π=23.14=1.010–6 s T2=2π=23.14=3.6910–6 s 則其周期的范圍為：1.010–6~3.6910–6 s。 當(dāng)電容器的電容突然減小時，放電速度加快，則周期變小，而一個周期通過電路的電荷量總量不變，所以電流會增大，則I2>I1。 1．（2018甘肅省蘭州第一中學(xué)）下列說法中正確的是 A．紅外線易穿透云層，故廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)領(lǐng)域 B．醫(yī)院用X光進(jìn)行透視，是因?yàn)樗拇┩改芰^強(qiáng) C．相對論認(rèn)為：真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的 D．在高速運(yùn)動的飛船中的宇航員會發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上的快 【答案】ABC 2．（2018浙江省湖州市）如圖所示的振蕩電路中，某時刻電流的方向?yàn)轫槙r針，則以下判斷正確的是 A．若板帶正電，則電流在增大 B．若電容器在放電，則電流在減小 C．若電流減小，則線圈兩端電壓減小 D．若只減小電容，則振蕩電流周期變小 【答案】D 考點(diǎn)2 狹義相對論 1．狹義相對論的基本假設(shè) （1）在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 （2）真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 2．時間間隔的相對性 3．長度的相對性 4．相對論的速度變換公式 5．相對論質(zhì)量 6．質(zhì)能方程E=mc2 7．對狹義相對論的理解 （1）慣性系：如果牛頓運(yùn)動定律在某個參考系中成立，這個參考系叫做慣性系。相對一個慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系。 （2）光速的大小與選取的參考系無關(guān)，因?yàn)楣馑偈菑柠溈怂鬼f方程組中推導(dǎo)出來的，無任何前提條件。 （3）狹義相對論認(rèn)為物體的質(zhì)量m與物體的速度v有關(guān)，其關(guān)系式為。  如圖所示，在地面上M點(diǎn)固定一光源，在離光源等距的A、B兩點(diǎn)上固定有兩個光接收器，今使光源發(fā)出一閃光，問： （1）在地面參考系中觀測，誰先接收到光信號？ （2）在沿AB方向高速運(yùn)動的火車參考系中觀測，誰先接收到光信號？ 【參考答案】（1）同時接收到 （2）A先接收到 【試題解析】在地面上的觀察者看來，光源距離A、B等距，光信號向兩電桿傳播的速度相同，因此， 1．（2018江蘇省南京市六校聯(lián)合體）接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有 A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢 B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快 C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快 D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢 【答案】BC 【解析】飛船上的人是以飛船為參考系，故地球是高速運(yùn)動的，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程的運(yùn)動延時效應(yīng)，飛船上的人觀測到地球上的鐘較慢，即飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快，A錯誤B正確；地球上的人以地球?yàn)閰⒖枷?，認(rèn)為飛船高速運(yùn)動，同樣根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程的運(yùn)動延時效應(yīng)，飛船上的鐘較慢，故地球上的人觀測到地球上的鐘較快，C正確D錯誤。 2．（2018湖南省五市十校）根據(jù)相對論判斷，下列說法正確的是 A．狹義相對論全面否定了經(jīng)典力學(xué)理論 B．如果物體在地面上靜止不動。任何人在任何參考系里測出的物體長度都是一樣的 C．真空中的光速在不同的慣性參考系中也是不同的 D．物體運(yùn)動時的質(zhì)量總要大于靜止時的質(zhì)量 【答案】D 1．（2017江蘇卷）接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有 A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快 B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢 C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快 D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢 【答案】AC 【解析】飛船相對地球高速運(yùn)動，所以地球上的人觀測飛船上的時鐘較慢，而地球相對飛船高速運(yùn)動，所以飛船上的人認(rèn)為地球上的時鐘較慢，所以AC正確，BD錯誤。 【名師點(diǎn)睛】本題主要考查狹義相對論時間間隔的相對性，注意運(yùn)動的相對的，飛船相對地球高速運(yùn)動，地球也相對飛船高速運(yùn)動。 2．（2016新課標(biāo)全國Ⅱ卷）關(guān)于電磁波，下列說法正確的是 A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān) B．周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波 C．電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直 D．利用電磁波傳遞信號可以實(shí)現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸 E．電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，若波源的電磁振蕩停止，空間的電磁波隨即消失 【答案】ABC 【解析】電磁波在真空中的傳播速度即為真空中的光速，與頻率無關(guān)，A正確；根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，B正確；電磁波是橫波，其傳播方向與電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直，C正確；電磁波可以通過全反射在光纜中傳播，D錯誤；波源停止振動，波會繼續(xù)傳播，直到能量為零，E錯誤。 3．（2016北京卷）下列說法正確的是 A．電磁波在真空中以光速c傳播 B．在空氣中傳播的聲波是橫波 C．聲波只能在空氣中傳播 D．光需要介質(zhì)才能傳播 【答案】A