高考物理二轮复习讲义+分层训练专题19 电磁波 相对论（解析版）

解密19  电磁波  相对论

考点1  电磁波与电磁振荡

一、麦克斯韦电磁场理论

1．理论内容

变化的磁场能够产生电场，变化的电场能够产生磁场。根据这个理论，周期性变化的电场和磁场相互联系，交替产生，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。

2．深度理解

（1）恒定的电场不产生磁场。

（2）恒定的磁场不产生电场。

（3）均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。

（4）均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。

（5）振荡电场产生同频率的振荡磁场。

（6）振荡磁场产生同频率的振荡电场。

3．相关概念及判断方法

（1）变化的磁场产生的电场叫感应电场；变化的电场产生的磁场叫感应磁场。

（2）感应电场与感应磁场的场线都是闭合的曲线，而且互相正交、套连。

（3）感应电场的方向可由楞次定律判定，感应磁场的方向可由安培定则判定。

二、电磁波

1．电磁波的产生

如果在空间某区域中有周期性变化的电场，救护在空间引起周期性变化的磁场，这个周期性变化的磁

场又会在较远的空间引起新的周期性变化的电场，新的周期性变化的电场又会在更远的空间引起新的周期性变化的磁场······这样，电磁场就由远及近向周围空间传播开去，形成了电磁波。

2．电磁波的特性

（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）电磁波的频率f、波长λ和波速v的关系：v=λf。

（4）电磁波是横波，具有波的特性，能产生干涉、衍射等现象。

3．无线电波的发射与接收

无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波。无线电波的波长从几毫米到几十千米。根据波长（或频率），通常将无线电波分成几个阶段，每个波段的无线电波分别有不同的用途。

（1）无线电波的发射

①有效发射电磁波的条件：高频振荡；开放电路（如图所示）。

②调制：在无线电传播技术中，首先将声音、图象等信息通过声电转换、光电转换等方式转换为电信号，但这种电信号频率低，不能用来直接发射电磁波，所以要把传递的低频率电信号“加”到高频电磁波上，使电磁波的频率或振幅随各种信号而改变，这种使电磁波随各种信号而改变的基数叫调制。

调制的两种方式：调幅和调频。使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅；使高频振荡的频率随信号而改变的叫调频。

（2）无线电波的接收

无线电波的接收必须采用调谐电路，如图所示，调谐电路由可变电容器、电感线圈、天线、地线等几部分组成。

①电谐振：当接收到的电磁波的频率跟接收电路的固有频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振。

②调谐：调谐电路的固有频率可以在一定范围内连续改变，将调谐电路的频率调节到与需要接收的某个频率的电磁波相同，使接收电路产生电谐振，这一过程叫做调谐。

③解调：从接收到的高频振荡中分离出所携带的信号的过程叫做解调。解调是调制的逆过程。调幅波的解调也叫检波。

④无线电波接收的全过程：天线接收到所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经过解调取出携带的信号，信号经放大后再还原成声音或图象。

4．电磁波谱分析及电磁波的应用

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，但它们产生的机理不同。

5．电磁波与机械波的比较

三、电磁振动

1．LC振荡电路

由自感线圈和电容器组成的电路就是最简单的振荡电路，简称LC电路。如图所示，先将开关S和1接触，开关闭合后电源给电容器C充电，然后将S和2接触，在LC电路中就出现了大小与方向都做周期性变化的振荡电路。在产生电流的过程中，电容器极板上的电荷q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E和线圈中的磁感应强度B都发生周期性变化，这种现象叫做电磁振荡。

（1）从振荡的表象上看：LC振荡过程实际上是通过线圈L对电容器C充、放电的过程。

（2）从屋里本质上看：LC振荡过程实质上是磁场能和电场能之间通过充、放电的形式相互转化的过程。

2．电磁振荡的规律

LC电路中电场振荡的规律可用下图表示。（图中↗表示增大，↘表示减小）

3．电磁振荡的周期和频率

与力学中的简谐运动类似，如果没有能量损失，也不受外界影响，电磁振荡的周期与频率由振荡电路本身的结构与性质所决定，因此称这个周期与频率为固有周期与固有频率，LC电磁振荡的周期和频率公式为T=2π，频率。

4．电磁振荡规律的分析

（1）电磁振荡中各物理量的变化规律分析

LC电路中的振荡电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板上的电荷量q、电容器两端的电压u、极板间的电场强度E均是随时间按正弦（或余弦）规律做周期性变化的，如图所示。

LC电路中各物理量的变化规律如下表所示。

（2020·浙江下城区·杭十四中高一）某个智能玩具的声响开关与LC电路中的电流有关，如图所示为玩具内的LC振荡电路部分.已知线圈自感系数L＝2.5×10—3H，电容器电容C＝，在电容器开始放电时(取t＝0)，上极板带正电，下极板带负电，则

A．LC振荡电路的周期

B．当时，电容器上极板带正电

C．当时，电路中电流方向为顺时针

D．当 时，电场能正转化为磁场能

【答案】C

【详解】

A项：由公式，故A错误；

B项：当，即电容器先放电再反向充电，所以电容器上极板带负电，故错误；

C、D项：当即，即电容器处于反向充电过程，所以电流方向为顺时针，磁场能正在转化为电场能，故C正确，D错误．

1．（2020·湖北高二期末）如图甲所示为LC电磁振荡电路，不计回路电阻及电磁辐射，从0时刻开始，电容器极板间电压Uab与时间t的图像如图乙所示，已知线圈的自感系数H，取，下列说法正确的是（　　）

A．s，电路中的电场能转化为磁场能

B．电容器的电容为F

C．s时刻穿过线圈的磁通量最大

D．s时穿过线圈的磁通量变化率最大

【答案】B

【详解】

A．由图乙知，电容器两极间的电压增大，是充电过程，电路中的磁场能转化成电场能，故A错误；

B．由可得，电容

故B正确；

C．时，电容器两极间的电压最大，是充电刚结束的时刻，故电流为零，磁通量为零，故C错误；

D．时，电容器两极间的电压为零，是放电刚结束的时刻，故电流最大，磁通量最大，磁通量的变化率最小，D错误。

故选B。

2．（2020·浙江高三月考）LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则（　　）

A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电

B．若电容器正在放电，则电容器上极板带正电

C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大

D．若在电容器板间插入电介质，则振荡频率会增大

【答案】A

【详解】

A．若磁场正在减弱是充电，由楞次定律可得线圈上端为正极，则电容器上极带正电，故A正确；

B．若电容器正在放电。由安培定则可得电容器上极带负电；故B错误；

C．若电容器上极板带正电，说明电容器在充电，磁场能转化为电场能，则线圈中电流应该减小，故C错误；

D．在电容器板间插入电介质电容器的电容增大，由振荡频率

可知，若在电容器板间插入电介质，则振荡频率会减小，故D错误。

故选A。

考点2  狭义相对论

1．狭义相对论的基本假设

（1）在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的

（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的

2．时间间隔的相对性

3．长度的相对性

4．相对论的速度变换公式

5．相对论质量

6．质能方程E=mc2

7．对狭义相对论的理解

（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

（2）光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。

（3）狭义相对论认为物体的质量m与物体的速度v有关，其关系式为。

（2020·巴楚县第一中学高三一模）下列说法正确的是（　　）

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关

B．电磁波可以发生衍射现象和偏振现象

C．简谐机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高，则波传播速度越大

D．紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度

E.狭义相对论认为，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、观察者间的相对运动无关

【答案】BDE

【详解】

A．电磁波在真空中的传播速度都一样的，与电磁波的频率无关，故A错误；

B．一切波都有衍射现象，横波具有偏振现象，电磁波属于波的一种，且是横波，故电磁波都能发生衍射现象和偏振现象，故B正确；

C．简谐机械波在给定的介质中传播时，波传播速度与介质有关，与频率无关，故C错误；

D．依据，且紫外线的折射率大于红外线，因此紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度，故D正确；

E．狭义相对论中光速不变原理为，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故E正确。

故选BDE。

1．相对于地球的速度为v的一飞船，要到离地球为5光年的星球上去。若飞船的宇航员测得该旅程为3光年，则v应为(　　)

A．　　　 　B．　　　 　C．　　　 　D．

【答案】D

【解析】根据l＝l0 ，得v＝c＝c，故D正确。

2．（2020·河北高三月考）关于电磁波和相对论，下列说法正确的是（　　）

A．只要有周期性变化的电场，就可以产生电磁波

B．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度方向、磁感应强度方向垂直

D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过光缆传输

E.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的

【答案】BCE

【详解】

A．周期性变化的电场和磁场相互激发，才能形成由近及远传播的电磁波，A错误；

B．电磁波在真空中传播的速度与光速相同，与频率无关，B正确；

C．电磁波是横波，其传播方向与电场强度方向、磁感应强度方向垂直，C正确；

D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，电磁波也通过光缆和电缆传输，D错误；

E．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，E正确。

故选BCE。

1．（2020·江苏高考真题）电磁波广泛应用在现代医疗中。下列属于电磁波应用的医用器械有（　　）

A．杀菌用的紫外灯 B．拍胸片的X光机

C．治疗咽喉炎的超声波雾化器 D．检查血流情况的“彩超”机

【答案】AB

【详解】

A．紫外灯的频率高，能量强，所以用于杀菌，属于电磁波的应用，A正确；

B．X光的穿透能力较强，所以用于拍胸片，属于电磁波的应用，B正确；

C．超声波雾化器是超声波的应用，与电磁波无关，C错误；

D．彩超属于超声波的应用，与电磁波无关，D错误。

故选AB。

2．（2020·北京高考真题）随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（　　）

A．光子能量更大 B．衍射更明显

C．传播速度更大 D．波长更长

【答案】A

【详解】

A．因为5G使用的电磁波频率比4G高，根据可知5G使用的电磁波比4G光子能量更大，故A正确；

B．发生明显衍射的条件是障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小；因5G使用的电磁波频率更高，即波长更短，故5G越不容易发生明显衍射，故B错误；

C．光在真空中的传播速度都是相同的；光在介质中的传播速度为

5G的频率比4G高，而频率越大折射率越大，光在介质中的传播速度越小，故C错误；

D．因5G使用的电磁波频率更高，根据

可知波长更短，故D错误。

故选A。

3．（2020·天津高考真题）新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（    ）

A．红外线的光子能量比紫外线的大

B．真空中红外线的波长比紫外线的长

C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大

D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能

【答案】B

【详解】

A．因为红外线的频率小于紫外线，根据

可知红外线的光子能量比紫外线的低，故A错误；

B．根据

可知红外线的波长比紫外线的波长长，故B正确；

C．真空中红外线和紫外线的传播速度是一样的，故C错误；

D．光都具有偏振现象，故D错误。

故选B。

4．（2020·天津高考真题）在物理学发展的进程中，人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究，获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是（    ）

A． B．

C． D．

【答案】D

【详解】

A．双缝干涉实验说明了光具有波动性，故A错误；

B．光电效应实验，说明了光具有粒子性，故B错误；

C．实验是有关电磁波的发射与接收，与原子核无关，故C错误；

D．卢瑟福的α粒子散射实验导致发现了原子具有核式结构，故D正确；

故选D。

5．（2020·浙江高考真题）在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图所示。下列说法正确的是（　　）

A．当体温超过37.3℃时人体才辐射红外线

B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线

C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的

D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的

【答案】D

【详解】

AB．凡是温度高于绝对零度的物体都能产生红外辐射，故人体一直都会辐射红外线，故A错误，B错误；

CD．人身体各个部位体温是有变化的，所以辐射的红外线强度就会不一样，温度越高红外线强度越高，温度越低辐射的红外线强度就越低，所以通过辐射出来的红外线的强度就会辐射出个各部位的温度；红外体温计并不是靠体温计发射红外线来测体温的，故C错误，D正确。

故选D。

6．（2020·浙江高考真题）如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。时开关S打到b端，时回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则（    ）
 

A．回路的周期为0.02s

B．回路的电流最大时电容器中电场能最大

C．时线圈中磁场能最大

D．时回路中电流沿顺时针方向

【答案】C

【详解】

A．以顺时针电流为正方向，LC电路中电流和电荷量变化的图像如下：

时电容器下极板带正电荷且最大，根据图像可知周期为，故A错误；

B．根据图像可知电流最大时，电容器中电荷量为0，电场能最小为0，故B错误；

CD．时，经过，根据图像可知此时电流最大，电流沿逆时针方向，说明电容器放电完毕，电能全部转化为磁场能，此时磁场能最大，故C正确，D错误。

故选C．

7．（2020·江苏高考真题）国际宇航联合会将2020年度“世界航天奖”授予我国“嫦娥四号”任务团队。“嫦娥四号”任务创造了多项世界第一、在探月任务中，“玉兔二号”月球车朝正下方发射一束频率为f的电磁波，该电磁波分别在月壤层的上、下表面被反射回来，反射波回到“玉兔二号”的时间差为。已知电磁波在月壤层中传播的波长为，求该月壤层的厚度d。

【答案】

【详解】

电磁波的在土壤中传播速度满足

根据题意可知

解得土壤厚度为

8．（2018·江苏卷）（多选）梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波。该电磁波

A．是横波

B．不能在真空中传播

C．只能沿着梳子摇动的方向传播

D．在空气中的传播速度约为3×108 m/ s

【答案】AD

【解析】摇动的梳子在空中产生电磁波，电磁波是横波，选项A正确；电磁波能在真空中传播，选项B错误；电磁波传播的方向与振动方向垂直，选项C错误；电磁波在空气中传播的速度约为光速，选项D正确。

9．（2017·江苏卷）接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有

A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快

B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢

C．地球上的人观测到地球上的钟较快

D．地球上的人观测到地球上的钟较慢

【答案】AC

【解析】飞船相对地球高速运动，所以地球上的人观测飞船上的时钟较慢，而地球相对飞船高速运动，所以飞船上的人认为地球上的时钟较慢，所以AC正确，BD错误。

【名师点睛】本题主要考查狭义相对论时间间隔的相对性，注意运动的相对的，飞船相对地球高速运动，地球也相对飞船高速运动。

10．（2016·新课标全国Ⅱ卷）关于电磁波，下列说法正确的是

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直

D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

【答案】ABC

【解析】电磁波在真空中的传播速度即为真空中的光速，与频率无关，A正确；根据麦克斯韦的电磁场理论，B正确；电磁波是横波，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直，C正确；电磁波可以通过全反射在光缆中传播，D错误；波源停止振动，波会继续传播，直到能量为零，E错误。

11．（2016·北京卷）下列说法正确的是

A．电磁波在真空中以光速c传播

B．在空气中传播的声波是横波

C．声波只能在空气中传播

D．光需要介质才能传播

【答案】A

【解析】电磁波在真空中的传播速度等于光速，A正确；在空气中传播的声波是纵波，B错误；声波的传播需要介质，可以在空气、液体和固体中传播，C错误；光属于电磁波，其传播不需要介质，可以在真空中传播，D错误。