備戰(zhàn)2019年高考物理 高頻考點解密 專題19 電磁波相對論教學案

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1、專題19 電磁波 相對論 核心考點 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 質(zhì)能關(guān)系 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ 考點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

2、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)生的電場叫感應電場；變化的電場產(chǎn)生的磁場叫感應磁場。 （2）感應電場與感應磁場的場線都是閉合的曲線，而且互相正交、套連。 （3）感應電場的方向可由楞次定律判定，感應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的空間引起新的周期性變化的磁場······這樣，電磁場就由遠及近向周圍空間傳播開去，

3、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

4、（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)

5、生的振蕩電流最強，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用 電磁波譜 頻率/Hz 真空中波長/m 特性 應用 遞變規(guī)律 無線電波 <3×1011 >10–3 波動性強，

6、易發(fā)生衍射 無線電技術(shù) 紅外線 1011~1015 10–3~10–7 熱效應 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 化學效應、熒光效應、滅菌消毒 醫(yī)用消毒、防偽 X射線 1016~1019 10–8~10–11 貫穿本領強 檢查、醫(yī)用透視 γ射線 >1019 <10–11 貫穿本領最強 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。

7、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)生的機理不同。 5．電磁波與機械波的比較 名稱 項目 電磁波 機械波 研究對象 電磁現(xiàn)象 力學現(xiàn)象 產(chǎn)生 由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生 由質(zhì)點（波源）的振動產(chǎn)生 波的特點 橫波 縱波或橫波 波速 在真空中等于光速（很大）（c=3×108 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 機械能 三、電磁振動 1．LC振蕩電路 由自感線圈和電

8、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)的電場強度E和線圈中的磁感應強度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

9、?。? 3．電磁振蕩的周期和頻率 與力學中的簡諧運動類似，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、線圈中的磁感應強度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

10、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88.6×10–3 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】1.0×10–6~3.69×10–6 s I2>I1 【試題解析】T=2π T1=2π=2×3

11、.14×=1.0×10–6 s T2=2π=2×3.14×=3.69×10–6 s 則其周期的范圍為：1.0×10–6~3.69×10–6 s。 當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）下列說法中正確的是 A．紅外線易穿透云層，故廣泛應用于遙感技術(shù)領域 B．醫(yī)院用X光進行透視，是因為它的穿透能力較強 C．相對論認為：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．（20

12、18·浙江省湖州市）如圖所示的振蕩電路中，某時刻電流的方向為順時針，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2 狹義相對論 1．狹義相對論的基本假設 （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：如果牛頓運動定律在某個參

13、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)，因為光速是從麥克斯韋方程組中推導出來的，無任何前提條件。 （3）狹義相對論認為物體的質(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點固定一光源，在離光源等距的A、B兩點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

14、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，故地球是高速運動的，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程的運動延時效應，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；地球上的人以地球為參考系，認為飛船高速運動，同樣根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程的運動延

15、時效應，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

16、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動，所以飛船上的人認為地球上的時鐘較慢，所以AC正確，BD錯誤。 【名師點睛】本題主要考查狹義相對論時間間隔的相對性，注意運動的相對的，飛船相對地球高速運動，地球也相對飛船高速運動。 2．（2016·新課標全國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度、磁感應強度均垂直 D．

17、利用電磁波傳遞信號可以實現(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度、磁感應強度均垂直，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 14