电磁波相对论.docx

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电磁波相对论

学案正标题

一、考纲要求

1.掌握麦克斯韦电磁场理论，知道电磁波是横波.

2.了解电磁波的产生、传播、发射和接收，熟记电磁波谱.

3.了解狭义相对论的基本假设和几个重要结论．

二、知识梳理

1.电磁波的产生

（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真空中电磁波的速度为3×108m/s；

③v＝λf对电磁波同样适用；

④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．

2.电磁波的发射和接收

（1）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．

（2）调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程．

（3）电磁波谱

①定义：

按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱；

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

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

红外线遥感

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、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

3.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．

4.时间和空间的相对性

“同时”的相对性：

同时是相对的，与参考系的运动有关

三、要点精析

1.电磁波的传播及波长、频率、波速

（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）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

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340m/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

3.时间间隔的相对性

（1）公式Δt＝.

（2）解决时间间隔的相对性应注意

①“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化；

②运动时钟变慢完全是相对的，在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了．

4.长度的相对性

（1）公式l＝l0.

（2）解决长度的相对性问题，应当注意：

①“动尺缩短”是沿运动方向上的长度比其相对静止时测量的长度要短一些，这种长度收缩并非幻觉，并非看上去短了，它的确变短了，它与物体的具体组成和结构无关，物体运动的速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著；

②在具体计算中要明确，长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩，在垂直于运动方向上的长度没有变化．

5.相对论的三个结论

（1）相对论的速度变换公式u＝.

（2）相对论质量m＝.

（3）质能方程E＝mc2.

四、典型例题

1.【2014·四川卷】电磁波已广泛运用于很多领域，下列关于电磁波的说法符实际的是（）

A．电磁波不能产生衍射现象

B．常用的遥控器通过里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

【答案】C

【解析】衍射、干涉现象是波的特有现象，所以A错误；常用的遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，所以B错误；遥远天体和地球的距离发生变化时，遥远天体的电磁波由于相对距离发生变化而出现多普勒效应，所以能测出遥远天体相对地球的运动速度，所以C正确，D考察的是狭义相对论的两个基本假设之一：

不同惯性系中，光在真空中运动的速度是相同，即光速不变原理，所以D错误。

2.【2014·上海卷】下列电磁波中，波长最长的是

A．无线电波

B．红外线

C．紫外线

D．射线

【答案】A

【解析】根据电磁波谱可知，电磁波按照波长逐渐减小的顺序为：

长波、中波、短波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线．故A正确、BCD错误，故选：

A．

3.如图所示为LC振荡电路某时刻的情况，以下说法中正确的是（ ）

A．电容器正在充电

B．电感线圈中的磁场能正在增加

C．电感线圈中的电流正在增大

D．此时刻自感电动势正在阻碍电流增大

【答案】BCD

【解析】由题图中的磁感线的方向，运用右手螺旋定则可以判断出电路中的电流从上向下看为逆时针方向．再结合电容器极板的电性，可以得到电容器正在放电，故A错；放电过程中，电容器极板上的电荷减少，电场能减小，线圈中的电流增大，磁场能变大，故B、C对；由于线圈中的电流增大，产生的自感电动势阻碍电流的增大，D对．

4.电磁波与声波比较，下列说法中正确的是（ ）

A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质

B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大

C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大

D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定的，与频率无关

【答案】ABC

【解析】A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝，电磁波速度变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以D错误．

5.下列关于电磁波谱各成员说法中正确的是（ ）

A．最容易发生衍射现象的是无线电波

B．紫外线有明显的热效应

C．X射线穿透能力较强，所以可用来检查工件

D．晴朗的天空看起来呈蓝色是光散射的结果

【答案】ACD

【解析】波长越长越易衍射，故A正确；有明显热效应的是红外线，故B错误；X射线因其穿透能力较强常用于人体拍片和检查金属零件缺陷，故C正确；天空呈蓝色是由于波长较短的光易被散射，故D正确．

6.关于电磁波的应用，下列说法中正确的是（ ）

A．医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒

B．工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼和裂缝

C．刑侦上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短、分辨率高

D．卫星用红外遥感技术拍摄云图照片，因为红外线衍射能力较强

【答案】BCD

【解析】医院里用来消毒的是紫外线，工业上是利用了γ射线极强的穿透力，红外线衍射能力强是由于波长长．

7.间谍卫星上装有某种遥感照相机，可用来探测军用和民用目标．这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车，即使车队离开，也瞒不过它．这种遥感照相机敏感的电磁波属于（ ）

A．可见光波段

B．红外波段

C．紫外波段

D．X射线波段

【答案】B

【解析】所有的物体都能发出红外线，热的物体的红外线辐射比冷的物体强，间谍卫星上装的遥感照相机，实际上是红外线探测器，它能在较冷的背景上探测出较热物体的红外线辐射，这是红外线摄影的基础．再者，红外线波长比其他波（如可见光、紫外线、X射线）的长，有较好的穿透云雾的能力，故选B.

8.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，故经典力学不再适用

C．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速的速度运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动

D．通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化

【答案】CD

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

9.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参考系中，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运动的惯性系

D．狭义相对论任何情况下都适用

【答案】D

【解析】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，选项A正确；狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c（光速不变原理），与光源的运动无关，选项B正确；狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系，故选项C正确，D错。

10.关于电磁场和电磁波，下列说法中不正确的是（ ）

A．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者相互联系，统称为电磁场

B．电磁场从发生区域由近及远的传播就形成了电磁波

C．电磁波是一种物质，可在真空中传播．所以说真空中没有实物粒子，但有“场”这种特殊物质

D．电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s

【答案】A

【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的电场产生稳定的磁场，A错误．

11.如图所示，L为一电阻可忽略的线圈，D为一灯泡，C为电容器，开关S处于闭合状态，灯D正常发光，现突然断开S并开始计时，能正确反映电容器a极板上电量q随时间变化的图象是图中的（图中q为正值表示a极板带正电）（ ）

【答案】B

【解析】开关S处于闭合状态时，电流稳定，又因L的电阻可忽略，因此电容器C两极板间电压为0，所带电荷量为0.S断开的瞬间，灯D立即熄灭，LC组成的振荡电路开始振荡，由于线圈的自感作用，此后的时间内，线圈给电容器充电，电流方向与线圈中原电流方向相同，电流从最大逐渐减为0，而电容器极板上电量则由0增为最大，根据电流流向，在时间里，电容器下极板b带正电，与规定图示正方向相反，所以此时间内，a极板带负电，由0增为最大，故B正确，A、C、D错误．

12.红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况．地球大气中的水汽（H2O）、二氧化碳（CO2）能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收．图为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围为（ ）

A．2.5～3.5μm

B．4～4.5μm

C．5～7μm

D．8～13μm

【答案】D

【解析】由题图可知，水对红外辐射吸收率最低的波长范围是8～13μm；二氧化碳对红外辐射吸收率最低的波长范围是5～13μm.综上可知，选D.

13.据报道，欧洲大型强子对撞机（LHC）已于2008年9月10日开启，并加速了第一批质子，该对撞机“开足马力”后能把数以百万计的粒子加速至30万千米每秒，相当于光速的99.9%，粒子流每秒可在隧道内狂飙11245圈，单束粒子能量可达7万亿电子伏特．下列说法正确的是（ ）

A．如果继续对粒子进行加速，粒子的速度将能够达到光速