第三章　 电磁波　相对论简介

考纲 考情 三年8考　高考指数：★★ 1.变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场、电磁波及其传播　Ⅰ 2.电磁波的产生、发射和接收　Ⅰ 3.电磁波谱　Ⅰ 4.狭义相对论的基本假设　Ⅰ 5.质速关系、质能关系　Ⅰ 6.相对论质能关系式　Ⅰ

【知识梳理】 知识点1 电磁场、电磁波及其传播　电磁波的产生、发射和接收 1.麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生_____,___________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_____ _______,这就是电磁场。 电场 变化的电场 完整 的整体

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_____(选填“纵波”或“横波”),在空间传播_______ 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_________。 (2)电路必须_____,使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。 横波 不需要 振荡频率 开放

5.调制：有_____和_____两种方法。 6.电磁波的传播： (1)三种传播方式：天波、_____、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=________m/s。 调幅 调频 地波 3.0×108

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_____时,激起 的振荡电流最强,这就是_______现象。 (2)使接收电路产生电谐振的过程叫作_____,能够调谐的接收电路叫 作_____电路。 (3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程叫作_____,检 波是_____的逆过程,也叫作_____。 相等 电谐振 调谐 调谐 检波 调制 解调

知识点2 电磁波谱 1.定义：按电磁波的波长从长到短分布是_________、红外线、可见 光、紫外线、______和γ射线,形成电磁波谱。 无线电波 X射线

2.电磁波谱的特性、应用： 电磁 波谱 频率 /Hz 真空中 波长/m 特 性 应 用 无线 电波 <3× 1011 >10-3 特　性 应　用 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 _______ 遥感 可见光 10-7 引起视觉 照明、摄影 紫外线 1015～ 1017 10-7～10-9 化学效应、 _________、 能杀菌 医用消毒、 防伪 X射线 1016～ 1019 10-8～10-11 贯穿性强 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 热效应 荧光效应

知识点3 狭义相对论的基本假设　质速关系、质能关系　相对论 质能关系式 1.狭义相对论的两个基本假设： (1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是 _______。 (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 _______,光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。 相同的 相同的

2.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m0之间有如下关系： m= 。 (2)物体运动时的质量m总要_____静止时的质量m0。 3.相对论质能关系：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=___。 大于 mc2

【思维诊断】 (1)电磁波的传播需要介质。(　　) (2)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。(　　) (3)电谐振就是电磁振荡中的“共振”。(　　) (4)无线电波不能发生干涉和衍射现象。(　　) (5)波长不同的电磁波在本质上完全相同。(　　) (6)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(　　) (7)若物体能量增大,则它的质量增大。(　　)

提示：(1)×。电磁波的传播不需要介质。 (2)×。变化的电场周围才存在磁场,变化的磁场周围才存在电场。 (3)√。电谐振就是电磁振荡中的“共振”。 (4)×。无线电波能发生干涉和衍射。 (5)√。波长不同的电磁波在本质上完全相同。 (6)×。由光速不变原理可知,此种说法错误。 (7)√。由E=mc2,若E增大,则m增大。

【小题快练】 1.(多选)关于电磁场和电磁波,正确的说法是(　　) A.只有不均匀变化的磁场,才能在其周围空间产生电场 B.电磁波的频率等于激起电磁波的振荡电流的频率 C.电磁波能脱离电荷而独立存在 D.电磁波的传播速度一定是3×108m/s

【解析】选B、C。麦克斯韦电磁场理论：变化的电场可以产生磁场,变化的磁场可以产生电场,A错。电磁波只有在真空中其波速才为3×108m/s,D错。应选B、C。

2.下列有关物理知识说法正确的是(　　) A.雷达发射的电磁波是由均匀变化的电场或磁场产生的 B.“月下飞天镜,云生结海楼。”——海市蜃楼是由于光的折射和全反射现象造成的 C.飞机起落架上的轮胎要用绝缘橡胶制成 D.医生检查身体用的“B超”是根据电磁波的多普勒效应制成的

【解析】选B。根据电磁场理论,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,不一定均匀变化,故A错误;海市蜃楼是由于光的折射和全反射现象造成的,故B正确;飞机上的着地轮装有搭地线或用导电橡胶做轮胎,是为了及时地把飞机在飞行过程中由于摩擦而产生的电荷通过导体转移给大地,以免发生放电现象,保证飞机和乘客的安全,故C错误;医生检查身体用的“B超”是利用超声波的反射原理制成的,故D错误。

3.理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”是利用(　　) A.紫外线具有很强的荧光作用 B.紫外线具有杀菌消毒作用 C.X射线有很强的贯穿力 D.红外线具有显著的热效应 E.红外线波长较长,易发生衍射

【解析】选D。“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,因此选择D。

4.(多选)对于公式m= ,下列说法中正确的是(　　) A.公式中的m0是物体以速度v运动时的质量 B.当物体运动速度v>0时,物体的质量m>m0,即物体的质量改变了,故经典力学不适用 C.当物体以较小的速度运动时,质量变化十分微弱,经典力学理论仍然适用,只有当物体以接近光速运动时,质量变化才明显,故经典力学适用于低速运动,而不适用于高速运动 D.通常由于物体的速度太小,质量的变化引不起我们的感觉,在分析地球上物体的运动时,不必考虑质量变化

【解析】选C、D。公式中的m0是物体的静止质量;在v远小于光速时,经典力学依然成立,故A、B错,C、D对。

考点1 电磁波和电磁波谱 1.电磁波的传播及波长、频率、波速： (1)电磁波本身是一种物质,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)三者关系v=λf,f是电磁波的频率,即为发射电磁波的LC振荡电路 的频率f= 改变L或C即可改变f,从而改变电磁波的波长λ。

2.电磁波与机械波的比较： 名称 项目 不 同 点 研究 对象 产生 本质 传播 机理 电磁波 电磁现象 由周期性变化的电场、磁场产生 是物质,是电磁现象,是电磁振荡的传播 电磁场交替感应 机械波 力学现象 由质点(波源)的振动产生 不是物质,是机械振动在介质中的传播 质点间相互作用

由介质和频率决定,在真空中等于光速(很大)(c=3×108m/s) 名称 项目 不 同 点 传播 介质 描述 的量 波的 种类 速度 特点 电磁波 不需要介质(在真空中仍可传播) 电场强度E与磁感应强度B随时间和空间周期性变化 横波 由介质和频率决定,在真空中等于光速(很大)(c=3×108m/s) 机械波 必须有介质(真空中不能传播) 质点的位移x、加速度a随时间和空间周期性变化 既有横波也有纵波 仅由介质决定

名称 项目 相 同 点 能量 速度 公式 遵循 规律 电磁波 都携带能量并传播能量 v=λf 均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象 机械波

3.对电磁波谱的四点说明： (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。

(3)不同的电磁波,产生的机理不同,无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的;红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的;X射线是原子的内层电子受到激发后产生的;γ射线是原子核受到激发后产生的。 (4)电磁波的能量随频率的增大而增大。

【典例1】(2013·四川高考)下列关于电磁波的说法,正确的是(　　) A.电磁波只能在真空中传播 B.电场随时间变化时一定产生电磁波 C.做变速运动的电荷会在空间产生电磁波 D.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

【解析】选C。电磁波可以在真空中传播,也可以在介质中传播,故选项A错误;若电场随时间均匀变化,则不能产生电磁波,故选项B错误;做变速运动的电荷会在空间激发非均匀变化的磁场,从而会在空间产生电磁波,故选项C正确;赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在,故选项D错误。

【变式训练】(2014·四川高考)电磁波已广泛运用于很多领域。下列关于电磁波的说法符合实际的是(　　) A.电磁波不能产生衍射现象 B.常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机 C.根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度 D.光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同

【解析】选C。电磁波是一种波,波能发生干涉、衍射现象,A错误。遥控器通过发出的红外线来遥控电视,而非紫外线,B错误。地面监测站发出电磁波,由于多普勒效应,地面监测站接收到的反射波的频率也会发生相应的变化,根据这种变化可以确定遥远天体相对于地球的速度,C正确。光在真空中的传播速度是一个定值,与惯性参照系的选取无关,D错误。

【加固训练】根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的有(　　) A.在恒定电场周围一定产生磁场,恒定磁场周围一定产生电场 B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,变化的磁场周围一定产生变化的电场 C.均匀增大的电场周围一定产生均匀增大的磁场 D.振荡电场一定产生同频率的振荡磁场

【解析】选D。变化的电场周围才会产生磁场,恒定的电场周围不会产生磁场,同理,恒定的磁场周围也不会产生电场,所以选项A错。随时间做均匀变化的电场,其变化率是常量,故周围产生的磁场是恒定的,同理,均匀变化的磁场周围产生的电场也是恒定的,所以选项B、C错误。电场周期性变化,其周围产生的磁场一定随之周期性变化,且变化周期相同,所以选项D正确。

考点2 狭义相对论的简单应用 1.对“同时”的相对性的理解： (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察也是同时的。 (2)相对论的时空观：“同时”具有相对性,即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的。

2.对“长度的相对性”的理解：狭义相对论中的长度公式：l= 中,l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度,而l可认为杆沿杆的长 度方向以速度v运动时,静止的观察者测量的长度,还可以认为是杆不 动,而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度。

3.对“时间间隔的相对性”的理解：时间间隔的相对性公式：Δt= 中Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两 个事件发生的时间间隔,而Δt则是相对于事件发生地以速度v运动的 观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说： 在相对运动的参考系中观测,事件变化过程的时间间隔变大了,这叫 作狭义相对论中的时间膨胀。(动钟变慢)

4.对相对论速度变换公式的理解：速度变换公式 式中u 是物体相对静止参考系的速度,v是运动参考系相对静止参考系的速 度,u′是物体相对运动参考系的速度(u′与v同向取正值,反之取负值)。

【典例2】(2013·江苏高考)如图所示,两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行,相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为L,则A测得两飞船间的距离　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号,A测得该信号的速度为　　　。

【解析】根据相对论原理,当物体运动速度接近光速时,空间距离会变短,A与B是相对静止的,但相对于地球却以接近光速的速度在飞行,故在地面上测得的距离会比较短,而在飞船上测得的距离会比较长。根据相对论的光速不变原理,A测得信号的速度为光速。 答案：大于　光速

【变式训练】如图所示,沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶,当铁塔B发出一个闪光,列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　) A.同时被照亮 B.A先被照亮 C.C先被照亮 D.无法判断

【解析】选C。列车上的观测者看到的是由B发出后经过A和C反射的光,由于列车在这段时间内向C运动靠近C,而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观测者,看到C先被照亮,故C正确。

【加固训练】在狭义相对论中,下列说法中哪些是正确的(　　) ①一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质量、长度、时间的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变。③惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时,会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些。 A.只有①③是正确的 B.只有①②是正确的 C.①②③都是正确的 D.只有②③是正确的

【解析】选C。由爱因斯坦狭义相对论可知,①②③说法均对,故正确答案为C。

【资源平台】备选角度：电磁波、机械波的不同 【典例】类比是一种有效的学习方法,通过归类和比较,有助于掌握新知识,提高学习效率。在类比过程中,既要找出共同之处,又要抓住不同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比,总结出下列内容,其中不正确的是(　　) A.机械波的频率、波长和波速三者满足的关系,对电磁波也适用 B.机械波和电磁波都能发生干涉和衍射现象 C.机械波的传播依赖于介质,而电磁波可以在真空中传播 D.机械波既有横波又有纵波,而电磁波只有纵波

【规范解答】选D。波长、波速、频率的关系对任何波都是成立的,对电磁波当然成立,故A项正确;干涉和衍射是波的特性,机械波、电磁波都是波,这些特性都具有,故B项正确;机械波是机械振动在介质中传播形成的,所以机械波的传播需要介质,而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远地传播形成的,所以电磁波传播不需要介质,故C项正确;机械波既有横波又有纵波,但是电磁波只能是横波,其证据就是电磁波能够发生偏振现象,而偏振现象是横波才有的,D项错误。