高三物理一轮总复习 专题156 电磁波 相对论名师伴学.docx

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高三物理一轮总复习专题156电磁波相对论名师伴学

专题15.6电磁波相对论

第一课时：

电磁波的发现和电磁振荡

第二课时：

电磁波的发射和接受

第三课时：

电磁波与信息化社会、电磁波谱

第四课时：

相对论的诞生、时间空间的相对性

第五课时：

狭义相对和广义相对的简介

第一课时：

电磁波的发现和电磁振荡

课前预习●自我检测

1．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（　　）

A．电场一定能产生磁场，磁场也一定能产生电场

B．变化的电场一定产生磁场

C．稳定的电场也可以产生磁场

D．变化的磁场一定产生电场

E．变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，形成一个统一的、不可分割的电磁场

【答案】　BDE

2．关于电磁波，下列说法正确的是（　　）

A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波

B．电磁波在真空和介质中传播速度不相同

C．均匀变化的磁场能够在空间形成电磁波

D．赫兹证明了电磁波的存在

E．电磁波在真空中具有与光相同的速度

【答案】　BDE

【解析】　若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，A、C错；光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断B、E正确；赫兹证明了电磁波的存在，D项正确．

3．某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中正确的是（　　）

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产生干涉和衍射现象

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．机械波只有横波

E．电磁波只有纵波

【答案】　ABC

4.关于麦克斯韦的电磁理论及其成就，下列说法正确的是（　　）

A．变化的电场可以产生磁场

B．变化的磁场可以产生电场

C．证实了电磁波的存在

D．预见了真空中电磁波的传播速度等于光速

E．证实了真实中电磁波的速度等于光速

【答案】　ABD

【解析】　选项A和B是电磁理论的两大支柱，所以A和B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹最早证实了电磁波的存在，C错误；麦克斯韦预见了真空中电磁波的传播速度等于光速，D正确，E错误．

5．在LC振荡电路中，当电容器充电完毕尚未开始放电时，下列说法正确的是（　　）

A．电容器中的电场最强

B．电路里的磁场最强

C．电场能已有一部分转化成磁场能

D．磁场能已全部转化成电场能

E．此时电路中电流为零

【答案】　ADE

【解析】　LC振荡电路电容器充电完毕，电容器中电场最强，磁场最弱，电场能和磁场能之间还没有发生转化，故A、D、E正确．

课堂讲练●典例分析

【要点提炼】

一：

电磁场和电磁波

1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设

（1）变化的磁场能够在周围空间产生电场（如图甲所示）．

（2）变化的电场能够在周围空间产生磁场（如图乙所示）．

甲乙

2．电磁场：

变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场．

3．电磁波

（1）电磁波的产生：

变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波．

（2）电磁波的特点：

①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；

②电磁波的波长、频率、波速的关系：

v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108m/s.

（3）电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．

4．赫兹的电火花

（1）赫兹实验的分析

和高压感应线圈相连的抛光金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式传到了导线环，导线环中激发出感应电动势，使与导线环相连的金属球间也产生了电火花．这个导线环实际上是电磁波的检测器．

结论：

赫兹实验证实了电磁波的存在，检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性．

（2）赫兹的其他成果

赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象．测量证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c，证实了麦克斯韦关于光的电磁场理论．

6．电磁场的产生

如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场．

7．对麦克斯韦电磁场理论的理解

恒定的电场不产生磁场

恒定的磁场不产生电场

均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场

均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场

不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场

不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场

振荡电场产生同频率的振荡磁场

振荡磁场产生同频率的振荡电场

8.机械波与电磁波的比较

机械波

电磁波

研究对象

力学现象

电磁现象

周期性

变化的

物理量

位移随时间和空间做周期性变化

电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化

传播

传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关

传播无需介质，在真空中波速总是c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系

产生

由质点（波源）的振动产生

由周期性变化的电流（电磁振荡）激发

干涉

可以发生

可以发生

衍射

可以发生

可以发生

横波

可以是

是

纵波

可以是

不是

二：

电磁振荡

1．振荡电流：

大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流．

2．振荡电路：

能够产生振荡电流的电路．最基本的振荡电路为LC振荡电路．

3．电磁振荡：

在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程．

4．电磁振荡的周期与频率

（1）周期：

电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．

（2）频率：

1s内完成周期性变化的次数．

振荡电路里发生无阻尼振蒎时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率．

周期和频率公式：

T＝2π

，f＝

.

5．各物理量变化情况一览表

时刻（时间）

工作过程

q

E

i

B

能量

0→

放电过程

qm→0

Em→0

0→im

0→Bm

E电→E磁

→

充电过程

0→qm

0→Em

im→0

Bm→0

E磁→E电

→

放电过程

qm→0

Em→0

0→im

0→Bm

E电→E磁

→T

充电过程

0→qm

0→Em

im→0

Bm→0

E磁→E电

6.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象（如图所示）

7．板间电压u、电场能EE、磁场能EB随时间变化的图象（如图所示）

u、EE规律与qt图象相对应；EB规律与it图象相对应．

8．分类分析

（1）同步关系

在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：

电量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的，即：

q↓→E↓→EE↓（或q↑→E↑→EE↑）

振荡线圈上的物理量：

振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的，即：

i↓→B↓→EB↓（或i↑→B↑→EB↑）

（2）同步异变关系

在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE与线圈中的三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，也即：

q、E、EE↑同步异向变化,i、B、EB↓.

注意：

自感电动势E的变化规律与qt图象相对应．

典例分析

【典例1】．用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场（或磁场）产生磁场（或电场）的正确图象是（　　）

【答案】　BCE

【典例2】．不能发射电磁波的电场是（　　）

【答案】　ABC

【反思总结】

电磁波的特点

1．电磁波有波的一切特点：

能发生反射、折射现象；能产生干涉、衍射等现象．

2．电磁波是横波．在电磁波中，每处的电场强度和磁感应强度方向总是互相垂直的，并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直．

3．电磁波可以在真空中传播，向外传播的是电磁能．

【典例3】.LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法正确的是（　　）

A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电

B．若电容器正在充电，则电容器下极板带正电

C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大

D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大

E．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流增大

【答案】　BCD

【解析】　由电流的磁场方向和安培定则可判断振荡电流方向，由于题目中未标明电容器两极板的带电情况，可分两种情况讨论：

（1）若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于放电阶段，电流增大，则C对，A错；

（2）若该时刻电容器下极板带正电，可知电容器处于充电状态，电流在减小，则B对，由楞次定律可判定D对E错．故正确【答案】为BCD.

【典例4】.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，画出反映电容器a极板上电荷量q随时间变化的图象（q为正值表示a极板带正电）．

【答案】　

【反思总结】

解决电磁振荡问题的基本思路

分析电磁振荡的过程时，可以结合图象，这样会使问题更直观．首先依据题意找出振荡图象的初状态，然后画出其电流或电荷量随时间变化的图象，根据时间关系，可以大体找出该时刻在图象上对应的位置，从而确定处于充电还是放电状态，最后再依据充、放电过程中各物理量的变化规律求解具体问题．

课后巩固●课时作业

题组一　麦克斯韦电磁场理论

1.（多选）下列说法正确的是（　　）

A.恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场

B.稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场

C.均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场

D.均匀变化的电场和磁场互相激发,形成由近及远传播的电磁波

【答案】AC

【解析】电场按其是否随时间变化分为稳定电场（静电场）和变化电场（如运动电荷形成的电场）,稳定电场不产生磁场,只有变化的电场周围空间才存在对应磁场,故B选项错误,C选项正确。

恒定电流周围存在稳定磁场,A选项正确。

电磁波的形成必须有周期性变化的电磁场互相激发,D选项错误。

2.（多选）关于电磁场理论的叙述正确的是（　　）

A.变化的磁场周围一定存在着电场,与是否有闭合电路无关

B.周期性变化的磁场产生同频率的变化电场

C.变化的电场和变化的磁场相互关联,形成一个统一的场,即电磁场

D.电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场

【答案】AB

【解析】变化的磁场周围产生电场,当电场中有闭合回路时,回路中有电流。

若无闭合回路电场仍然存在,A项正确。

若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场,B项正确,C、D两项错误。

题组二　电磁波

3.（多选）下列关于电磁波的叙述中,正确的是（　　）

A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播

B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108m/s

C.电磁波由真空进入介质传播时,波长将变短

D.电磁波不能产生干涉、衍射现象

【答案】AC

4.电磁波在传播时,不变的物理量是（　　）

A.振幅B.频率C.波速D.波长

【答案】B

【解析】离波源越远,振幅越小,电磁波在不同介质中的波速不一样,波长也不一样。

频率是由发射电磁波的波源决定的,与介质无关。

题组三　电磁振荡

5.（多选）要使LC振荡电路的周期变大,可采用的方法是（　　）

A.增大电容器初始电荷量

B.线圈中插铁芯

C.增大电容器两极板正对面积

D.增大平行板电容器两极板间距离

【答案】BC

【解析】由周期公式T=2π可知,T与q无关;插入铁芯,L变大,T变大,由C=知,S增大,T增大,而d增大,T减小。

6.（多选）在LC回路产生电磁振荡的过程中,下列说法正确的是（　　）

A.电容器放电完毕时,回路中磁场能最小

B.回路中电流值最大时,磁场能最大

C.电容器极板上电荷量最多时,电场能最大

D.回路中电流值最小时,电场能最小

【答案】BC

7.右图为一个LC振荡电路中的电流变化图象,根据图线可判断（　　）

A.t1时刻电感线圈两端电压最大B.t2时刻电容器两极间电压为零

C.t1时刻电路中只有电场能D.t1时刻电容器带的电荷量为零

【答案】D

【解析】

由图像知,计时开始时,电容器两极板带的电荷量最大,电流为零,电容器放电开始,根据电流随时间的变化规律,可以画出q-t图象（在图中用虚线表示）。

由图象分析可知:

t1时刻,电容器上电荷量为零,电势差为零,电场能为零,故D项正确,A、C两项错误;t2时刻电容器电荷量q最大,两板间电势差最大,B项错误。

8.（多选）为了测量储罐中不导电液体的高度,将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中,电容器可通过开关S与线圈L或电源相连,如图所示。

当开关从a拨到b时,由L与C构成的回路中产生周期T=2π的振荡电流。

当罐中的液面上升时（　　）

A.电容器的电容减小

B.电容器的电容增大

C.LC回路的振荡频率减小

D.LC回路的振荡频率增大

【答案】BC

【解析】平行板电容器的电容C=,当液面上升时,极板间不导电液体的介电常数比原来的空气的介电常数要大,电容C增大,选项A错误,选项B正确;f=会减小,选项C正确,选项D错误。

第二课时-----电磁波的发射与接收

课前预习●自我检测

1．当代人类的生活和电磁波紧密相关，关于电磁波，下列说法正确的是（　　）

A．只要把带电体和永磁体放在一起，就会在周围空间产生电磁波

B．电磁波在传播过程中，随介质的变化其波速是变化的

C．电视机、收音机和手机所接收的信号都属于电磁波

D．微波炉内所产生的微波不是电磁波，而是波长很短的机械波

E．电磁波在传播过程中其频率是不变的

【答案】　BCE

2．关于无线电波的发射过程，下列说法正确的是（　　）

A．必须对信号进行调制

B．必须使信号产生电谐振

C．必须把传输信号加到高频电流上

D．必须使用开放电路

E．必须使用闭合电路

【答案】　ACD

【解析】　电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进行调制，并加到高频电流上．为了有效地向外发射，必须使电路开放，A、C、D正确，E错误．而产生电谐振的过程是在接收电路，B不正确．

3．2014年3月8日马来西亚航班MH370失联前与塔台和卫星之间通过电磁波相联系．以下说法正确的是（　　）

A．航班与卫星间联系主要以微波的形式

B．MH370发出的电磁波频率是定值，不能改变

C．电磁波由真空进入介质，速度变小

D．电磁波由真空进入介质，频率不变

E．只要发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波立即消失

【答案】　ACD

课堂讲练●典例分析

知识点一：

电磁波的发射

1．发射电磁波的振荡电路的特点

（1）要有足够高的振荡频率：

频率越高，发射电磁波的本领越大．

（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路．

2．电磁波的调制

调制

在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号而改变的技术

分

类

调幅（AM）

使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制技术

调频（FM）

使高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制技术

3．发射电磁波的条件

（1）要有足够高的振荡频率．理论研究表明，振荡电路向外辐射能量的本领，即单位时间内辐射出去的能量，与振荡频率密切相关，频率越高，发射电磁波的本领越大．

（2）开放电路，要使振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间．

4．电磁波的发射示意图（如图所示）

知识点二：

电磁波的接收

1．原理

电磁波在传播过程中如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，因此，空中的导体可以用来接收电磁波．

2．电谐振与调谐

（1）电谐振：

当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强的现象．

（2）调谐：

使接收电路产生电谐振的过程．

3．解调

使声音或图象信号从高频电流中还原出来的过程，它是调制的逆过程．

4．无线电波

技术上把波长大于1_mm的电磁波称做无线电波，并按波长把无线电波分为若干波段：

长波、中波、中短波、短波、微波．

5、电磁波的传播特性

传播方式

适合的波段

特点

地波

沿地球表面空间传播

长波、中波、中短波

衍射能力较强

天波

靠大气电离层的反射传播

中短波、短波

反射能力较强

空间波

沿直线传播

短波、超短波、微波

穿透能力较强

典例分析

【典例1】.如图所示，原线圈频率为f的交流电源，将电感为L的副线圈接一个适当的电容器成为LC振荡电路，这种振荡和机械振动中的________振动相类似，其振荡周期等于________．改变电容器的电容量，当电容等于________时，振荡电流的幅度值可达最大值.

【答案】　受迫　

【解析】　变压器的副线圈中感应电流的频率与原线圈中的电流频率相同，类似于机械振动中的受迫振动，其振荡周期为

，改变电容器的电容量，可以改变LC振荡回路的固有频率，当固有频率与接收信号的频率相等时，发生电谐振，即f＝

，求得C＝

.

【典例2】．LC振荡电路电容器的电容为3×10－5μF，线圈的自感系数为3mH，它与开放电路耦合后，

（1）发射出去的电磁波的频率是多大？

（2）发射出去的电磁波的波长是多大？

【答案】　

（1）530kHz　

（2）566m

【反思总结】

无线电波的发射及相关问题

1．无线电波的发射：

由振荡器（常用LC振荡电路）产生高频振荡电流，用调制器将需要传送的电信号调制到振荡电流上，再耦合到一个开放电路中激发出无线电波，向四周发射出去．

2．一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图象信号，都采用调幅波；电台的调频广播和电视中的伴音信号，都采用调频波．

低频信号类比成货物，高频波类比成运载工具，调制的过程类比成将货物装载到运载工具上．

【典例3】．有波长分别为290m,397m,566m的无线电波同时传向收音机的接收天线，当把收音机的调谐电路的频率调到756kHz时：

（1）哪种波长的无线电波在收音机中激起的感应电流最强？

（2）如果想接收到波长为290m的无线电波，应该把调谐电路中可变电容器的动片旋进一些，还是旋出一些？

【答案】　见【解析】

（2）要接收波长为290m的无线电波，应增大调谐电路的固有频率，因此应把调谐电路中可变电容器的动片旋出一些．

【典例4】．收音机的调谐电路中线圈的自感系数为L，要想接收波长为λ的电磁波，应把调谐电路中电容器的电容调至（c为光速）多少？

【答案】　

【解析】　接收电磁波必须进行调谐，使接收回路产生电谐振，由产生电谐振的条件f固＝f电磁波得

＝

，解得C＝

.

【反思总结】

相近概念的辨析技巧

1．调频和调幅：

这是调制的两种方式，使电磁波的频率随信号改变的调制方式叫调频；使电磁波的振幅随信号改变的调制方式叫调幅．

2．调制和解调：

把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上叫作调制；把低频电信号从高频载波中检出来叫解调，是调制的逆过程．

课后巩固●课时作业

题组一　电磁波的发射

1.为了使需要传递的信息（如声音、图像等）载在电磁波上发射到远方,必须对振荡电流进行（　　）

A.调谐　　B.放大　　C.调制　　D.解调

【答案】C

【解析】根据调谐、调制、解调的定义易知选项C正确。

2.为了增大无线电台向空间辐射无线电波的能力,对LC振荡电路的结构可采取下列哪些措施（　　）

A.增大电容器极板的正对面积

B.增大电容器极板的间距

C.增大自感线圈的匝数

D.提高供电电压

【答案】B

3.关于电磁波的发射,下列说法中正确的是（　　）

A.各种频率的电磁振荡都能辐射电磁波,只是辐射的能量所占振荡总能量的比例不同罢了,振荡周期越大,越容易辐射电磁波

B.为了有效向外辐射电磁波,振荡电路必须采用开放电路,同时提高振荡频率

C.为了有效向外辐射电磁波,振荡电路不必采用开放电路,但要提高振荡频率

D.提高振荡频率和电路开放是发射电磁波的必要手段,振荡电路开放的同时,其振荡频率也随之提高

【答案】B

【解析】电磁波的发射应该采用开放电路,同时频率越高,发射范围越大。

4.（多选）下列说法正确的是（　　）

A.发射的图像信号不需要调制过程

B.接收到的图像信号也要经过调谐、解调

C.电视信号包括图像信号和伴音信号两种

D.图像信号和伴音信号传播的速度不同

【答案】BC

【解析】发射电磁波应先调制,接收电磁波应先调谐、解调,A项错误,B项正确;根据日常生活经验可知C项正确;不管是什么信号,只要以电磁波形式发送,速度就是一样的,D项错误。

题组二　电磁波的接收

5.（多选）调谐电路的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到较高频率电台发出的电信号,要收到电台信号,应（　　）

A.增大调谐电路中线圈的匝数

B.增大电源电压

C.减小调谐电路中线圈的匝数

D.将线圈中的铁芯取走

【答案】CD

【解析】当调谐电路的固有频率等于电台发出信号的频率时,发生电谐振才能接收到电台信号,由题意知收不到信号的原因是调谐电路频率太低,由f=可知C若无法再调节,可通过调节L来提高频率f。

故正确选项为C、D。

6.电视机的室外天线能把电信号接收下来,是因为（　　）

A.天线处于变化的电磁场中,天线中产生感应电流,相当于电源,通过馈线输送给LC电路

B.天线只处于变化的电场中,天线中产生感应电流,相当于电源,通过馈线输送给LC电路

C.天线只是有选择地接收某电台信号,而其他电视台信号则不接收

D.天线将电磁波传输到电视机内

【答案】A

第三课时---电磁波与信息化社会、电磁波谱

课前预习●自我检测

1．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是（　　）

A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息

B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同

D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同

【答案】　B

【解析】　声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误．

2．雷达是用来对目标进行定位的现代化定位系统．海豚具有完善的声呐系统，它能在黑暗中准确而快速地捕捉食物，避开敌害，远远优于现代化的无线电系统．

（1）海豚的定位是利用自身发射的（　　）

A．电磁波B．红外线C．次声波D．超声波

（2）雷达的定位是利用自身发射的（　　）

A．电磁波B．红外线C．次声波D．光线

【答案】　

（1）D　

（2）A

3．下列说法中正确的是（　　）

A．各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线

B．红外线有显著的热效应，紫外线有显著的化学作用

C．X射线的穿透本领比γ射线更强

D．低温物体不能辐射红外线

【答案】　B

【解析】　干涉和衍射现象是光的波动性的体现，波长越长，越容易产生，而γ射线波长最短，故A错误；频率越高，穿透本领越强，故C错误；一切物体都能辐射红外线，故D错误．

4．关于红外线的作用与来源，下列说法正确的是（　　）

A．一切物体都在不停地辐射红外线

B．红外线具有很强的热效应和荧光作用

C．红外线的显著作用是化学作用

D．红外线容易穿透云雾

【答案】　AD

【解析】　荧光作用和化学作用都是紫外线的重要用途，红外线波长较可见