物理一轮复习教案：14-4 电磁波 相对论 word版含解析

基础点

知识点1　　电磁场、电磁波

1．麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场。

2．电磁场

变化电场在周围空间产生磁场，变化磁场在周围空间产生电场，变化的电场和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

(1)电磁场在空间由近及远的传播，形成电磁波。

(2)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)。

(3)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。

(4)v＝λf，f是电磁波的频率。

4．电磁波的发射

(1)发射条件：开放电路和高频振荡信号，所以要对传输信号进行调制(包括调幅和调频)。

(2)调制方式

①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段。

②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法调制。

5．无线电波的接收

(1)当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率相等时，激起的振荡电流最强，这就是电谐振现象。

(2)使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。能够调谐的接收电路叫做调谐电路。

(3)从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程，叫做检波。检波是调制的逆过程，也叫做解调。

知识点2　　相对论

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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。

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)物体运动时的质量总要大于静止时的质量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＝mc2。

重难点

一、电磁场、电磁波

1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2．对电磁波的理解

电磁波是横波。电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示。

3．电磁波谱的特性及应用

续表

4.电磁波与机械波的比较

5.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。

特别提醒

(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。

二、相对论及其简单应用

1．对狭义相对论的理解

(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＝l0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u＝。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)。

2．经典时空观与狭义相对论的比较

续表

1．思维辨析

(1)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(　　)

(2)无线电波不能发生干涉和衍射现象。(　　)

(3)波长不同的电磁波在本质上完全不同。(　　)

(4)真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的。(　　)

(5)随物体速度的增加，沿其运动方向它的长度要缩小。(　　)

(6)质量和能量是一一对应关系，其本质相同。(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×

2．(多选)对相对论的基本认识，下列说法正确的是(　　)

A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的

B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快

D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了

答案　AD

解析　爱因斯坦质能方程阐明了质量和能量的相互关系，质量和能量是物质存在的两种形式，质量不等同于能量，选项B错误；由相对论知识可知选项A、D正确，C错误。

3．下列说法中正确的是(　　)

A．光从光导纤维的内芯射向外套时，只发生折射，不发生反射

B．第四代移动通信系统(4G)采用1880～2690 MHz间的四个频段，该电磁波信号的磁感应强度随时间是均匀变化的

C．飞机远离卫星时，卫星接收到飞机的信号频率大于飞机发出的信号频率

D．狭义相对论中“动钟变慢”，可通过卫星上的时钟与地面上的时钟对比进行验证

答案　D

解析　光从光导纤维的内芯射向外套时，在分界面上发生全反射，A错误；第四代移动通信系统(4G)采用1880～2690 MHz间的四个频段，该电磁波信号的磁感应强度随时间是周期性变化的，B错误；飞机远离卫星时，根据多普勒效应，卫星接收到飞机的信号频率小于飞机发出的信号频率，C错误；狭义相对论中“动钟变慢”，可通过卫星上的时钟与地面上的时钟对比进行验证，D正确。

　[考法综述]　本考点主要考查电磁场理论、电磁波的产生和传播等相关知识，要求比较简单。相对论是高中教材中的新内容，其目的是让学生了解相对论，了解两种时空观，掌握狭义相对论的两个基本假设，考试的重点放在概念的了解和掌握。对相对论的考查难度不会很大，多以基础知识的基本应用为主，多以选择题、填空题的形式出现。复习时应掌握：

1种理论——麦克斯韦电磁场理论

1种比较——电磁波与机械波的比较

1个波谱——电磁波谱

2种假设——相对论的两个基本假设

5个公式——相对论中的5个公式

命题法1　电磁波的相关知识

典例1　　某电路中电场随时间变化的图象如图所示，其中能发射电磁波的是(　　)

[答案]　D

[解析]　由麦克斯韦电磁场理论知道，变化的电场可产生磁场，产生的磁场的性质是由电场的变化情况决定的：均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场。图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C中电场都随时间均匀变化，在周围空间产生稳定的磁场，这个磁场不能再激发电场，所以不能发射电磁波；图D中电场随时间不均匀地变化，能在周围空间产生变化的磁场，而此磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，故能发射电磁波。所以D正确。

【解题法】　关于电磁波产生的说明

(1)能否产生电磁波，要看变化的电场和磁场是否能持续地再产生变化的磁场和电场，也就是说，所产生的磁场或电场必须是变化的，而不能是稳定的。

(2)LC振荡电路产生的振荡电场和振荡磁场都能产生电磁波。

命题法2　对相对论及质能方程的认识

典例2　　爱因斯坦提出了质能方程，揭示了质量与能量的关系。关于质能方程，下列说法正确的是(　　)

A．质量和能量可以相互转化

B．当物体向外释放能量时，其质量必定减少，且减少的质量Δm与释放的能量ΔE满足ΔE＝Δmc2

C．如果物体的能量增加了ΔE，那么它的质量相应减少Δm，并且ΔE＝Δmc2

D．mc2是物体能够放出能量的总和

[答案]　B

[解析]　爱因斯坦质能方程说明物体的质量和能量之间有着E＝mc2这种对应关系。选项B正确。

【解题法】　质能关系的三点说明

(1)质量和能量是物体不可分离的属性。

(2)当物体的质量减少或增加时，必然伴随着能量的减少或增加。

(3)如果用Δm表示物体质量的变化量，ΔE表示能量的变化量，那么它们的关系可以表示为ΔE＝Δmc2。该式表示，随着一个物体质量的减少，会释放出一定的能量；与此同时，另一个物体吸收了能量，质量也会随之增加。

命题法3　电磁场的综合应用

典例3　　(多选)如图所示是一个水平放置的玻璃环形小槽，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电的小球放入槽内。小球以初速度v0开始逆时针运动，与此同时，有一变化的磁场竖直向下穿过小槽包围的空间，已知磁场均匀增大，小球运动过程中带电荷量不变，则(　　)

A．小球动能不变　　　　　 B．小球动能增加

C．磁场力对小球做功    D．小球受到的磁场力增加

[答案]　BD

[解析]　由麦克斯韦电磁场理论可知：均匀变化的磁场产生恒定的电场。根据楞次定律可知：产生的电场为逆时针方向，使小球受到的电场力与初速度方向一致，电场对小球做正功，所以小球速度不断增大，动能增加。又根据F＝qvB可知小球受到的磁场力不断增大，可知B、D正确。

【解题法】　感应电场与静电场的区别

变化的磁场产生的电场叫作感应电场，也叫涡旋场，它和静电场一样，处于感应电场中的电荷受力的作用，且F＝Eq。

    感应电场与静电场的区别主要有以下几点：

(1)静电场的电场线是非闭合曲线，而感应电场的电场线是闭合曲线。

(2)静电场中有电势的概念，而感应电场中无电势概念。

(3)在同一静电场中，电荷运动一周(曲线闭合)，电场力做功一定为零；而在感应电场中，电荷沿闭合曲线运动一周，电场力做功不一定为零。

(4)静电场的“源”起于“电荷”，而感应电场的“源”起于变化的磁场。

命题法4　电磁振荡的相关知识

典例4　　在如图所示的电路中，L是直流电阻可以忽略的电感线圈，LC振荡电路的振荡周期为T。原来开关S是闭合的，在某一时刻(t＝0)把开关S断开，则在0到这段时间内，下列叙述正确的是(　　)

A．电容器C放电，A板上的正电荷逐渐减少，LC电路中的电流逐渐增大，t＝时电流达到最大

B．电容器C放电，A板上的正电荷逐渐减少，LC电路中的电流逐渐减小，t＝时电流达到最大

C．电容器C被充电，B板上的正电荷逐渐增多，LC电路中的电流逐渐减小，t＝时电流为零

D．电容器C被充电，A板上的正电荷逐渐增多，LC电路中的电流逐渐减小，t＝时电流为零

[答案]　C

[解析]　由于线圈中的直流电阻可忽略，所以在断开开关S之前，电容器是被短路的，不带电。断开开关S，由于电感线圈的自感现象的发生，电容器就开始被充电，LC电路中的电流沿顺时针方向，所以B板被充上正电荷，随着时间的延长，充电电流逐渐减小，但B板上的正电荷逐渐增多，到t＝时电流为零。故选项C正确。

【解题法】　LC电路中各物理量的变化规律