【優(yōu)化方案】2022屆高三物理大一輪復(fù)習(xí)-第12章-第5節(jié)-電磁波-相對論簡介-教學(xué)講義-

第五節(jié)電磁波相對論簡介一、電磁波的產(chǎn)生1．麥克斯韋電磁場理論變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場．2．電磁場變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系成為一個完整的整體，這就是電磁場．3．電磁波電磁場(電磁能量)由近及遠地向四周傳播形成電磁波．(1)電磁波是橫波，在空間傳播不需要介質(zhì)．(2)真空中電磁波的速度為3.0×108m/s.(3)電磁波能產(chǎn)生干涉、衍射、反射和折射等現(xiàn)象．1.(2021·高考四川卷)下列關(guān)于電磁波的說法，正確的是()A．電磁波只能在真空中傳播B．電場隨時間變化時確定產(chǎn)生電磁波C．做變速運動的電荷會在空間產(chǎn)生電磁波D．麥克斯韋第一次用試驗證明白電磁波的存在答案：C二、電磁波的放射與接收1．電磁波的放射(1)放射條件：足夠高的頻率和開放電路．(2)調(diào)制分類：調(diào)幅和調(diào)頻．2．電磁波的接收(1)調(diào)諧：使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程．(2)解調(diào)：使聲音或圖像信號從高頻電流中還原出來的過程．2.關(guān)于電磁波的放射和接收，以下說法正確的是()A．為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，必需是閉合電路B．信號頻率比較低，不能直接用來放射電磁波C．當(dāng)接收電路的固有頻率與收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強D．要使電視機的屏幕上有圖像，必需要有檢波過程答案：BCD三、相對論的簡潔學(xué)問1．狹義相對論的兩個基本假設(shè)(1)狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的．(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，光速與光源、觀測者間的相對運動沒有關(guān)系．2．相對論的質(zhì)速關(guān)系(1)物體的質(zhì)量隨物體速度的增加而增大，物體以速度v運動時的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m0之間有如下關(guān)系：m＝m0/eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2).(2)物體運動時的質(zhì)量m總要大于靜止時的質(zhì)量m0.3．相對論質(zhì)能關(guān)系用m表示物體的質(zhì)量，E表示它具有的能量，則愛因斯坦質(zhì)能方程為：E＝mc2.3.關(guān)于狹義相對論的說法，不正確的是()A．狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B．狹義相對論認(rèn)為在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān)C．狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系D．狹義相對論任何狀況下都適用答案：D考點一對電磁場理論和電磁波的理解1．對麥克斯韋電磁場理論的理解2．對電磁波的理解(1)電磁波是橫波．電磁波的電場E、磁場B、傳播方向v三者兩兩垂直，如圖所示．(2)電磁波與機械波不同，機械波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)有關(guān)，電磁波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)和頻率均有關(guān)．(1)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．均勻變化的磁場能夠在空間產(chǎn)生電場B．電磁波在真空和介質(zhì)中傳播速度相同C．只要有電場和磁場，就能產(chǎn)生電磁波D．電磁波在同種介質(zhì)中只能沿直線傳播(2)目前雷達放射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內(nèi)．請回答下列關(guān)于雷達和電磁波的有關(guān)問題．①雷達放射電磁波的波長范圍是多少？②能否依據(jù)雷達發(fā)出的電磁波確定雷達和目標(biāo)間的距離？[解析](1)假如電場(或磁場)是均勻變化的，產(chǎn)生的磁場(或電場)是恒定的，不能產(chǎn)生新的電場(磁場)，因而不能產(chǎn)生電磁波，A正確，C錯誤；電磁波的傳播速度跟介質(zhì)有關(guān)，頻率由波源打算，同一頻率的電磁波在不同介質(zhì)中波長不等，由v＝λf知在不同介質(zhì)中波的傳播速度不同，B錯誤；電磁波在同種均勻介質(zhì)中才能沿直線傳播，D錯誤．(2)①由c＝λf可得：λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\f(3.0×108,200×106)m＝1.5m，λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\f(3.0×108,1000×106)m＝0.3m.故雷達放射電磁波的波長范圍是0.3m～1.5m.②電磁波測距的原理就是通過放射和接收電磁波的時間間隔來確定距離，所以可依據(jù)x＝eq\f(vt,2)確定雷達和目標(biāo)間的距離．[答案](1)A(2)①0.3m～1.5m②能1.關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法中正確的是()A．均勻變化的電場在它的四周產(chǎn)生均勻變化的磁場B．電磁波中每一處的電場強度和磁感應(yīng)強度總是相互垂直的，且都與波的傳播方向垂直C．電磁波和機械波一樣依靠于介質(zhì)傳播D．只要空間中某個區(qū)域有振蕩的電場或磁場，就能產(chǎn)生電磁波解析：選BD.均勻變化的電場在它的四周產(chǎn)生恒定的磁場，A錯；機械波的傳播依靠于介質(zhì)，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，C錯．考點二電磁波譜及電磁波的應(yīng)用電磁波譜頻率/Hz真空中波長/m特性應(yīng)用遞變規(guī)律無線電波<3×1011>10－3波動性強易發(fā)生衍射無線電技術(shù)紅外線1011～101510－3～10－7熱效應(yīng)紅外遙感可見光101510－7引起視覺照明、攝影紫外線1015～101710－7～10－9化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)、滅菌消毒醫(yī)用消毒、防偽X射線1016～101910－8～10－11貫穿本事強檢查、醫(yī)用透視γ射線>1019<10－11貫穿本事最強工業(yè)探傷、醫(yī)用治療特殊提示：(1)波長不同的電磁波，表現(xiàn)出不同的特性，其中波長較長的無線電波和紅外線等，易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象；波長較短的紫外線、X射線、γ射線等，穿透力氣較強．(2)電磁波譜中，相鄰兩波段的電磁波的波長并沒有很明顯的界線，如紫外線和X射線、X射線和γ射線都有重疊，但它們產(chǎn)生的機理不同．下列說法中正確的是()A．紅外線、紫外線、倫琴射線和γ射線在真空中傳播的速度均一樣，均為3×108m/sB．紅外線應(yīng)用在遙感技術(shù)中，是利用它穿透本事強的特性C．紫外線在水中的傳播速度小于紅外線在水中的傳播速度D．日光燈是紫外線的熒光效應(yīng)的應(yīng)用[解析]不同波長的電磁波在真空中的傳播速度均為c；紅外線在遙感技術(shù)中用到了它的衍射現(xiàn)象；紫外線在水中的傳播速度小于紅外線在水中的傳播速度；利用紫外線的熒光效應(yīng)可以制成日光燈．由此可知A、C、D正確．[答案]ACD2.關(guān)于紅外線的以下說法中正確的是()A．不同的物體輻射紅外線的波長和強度相同，所以不行以在較冷的背景上探測出較熱物體的紅外輻射B．可以利用紅外線的熱效應(yīng)對物體進行烘干C．利用紅外線波長較長，簡潔發(fā)生衍射的特點進行遠距離和高空攝影D．利用不同物體輻射紅外線的波長和強度的不同可以對物體進行遠距離探測解析：選BCD.紅外線是一種光波，一切物體都在不停地對外輻射紅外線，熱物體的紅外輻射比冷物體的紅外輻射強一些．由于紅外線的熱效應(yīng)，可用來烘干，又由于坦克、艦艇、人體等一切物體都在不停地放射紅外線，并且不同的物體所輻射的紅外線，其波長和強度不同，故在夜間或濃霧天氣可通過紅外線探測器來接收信號，并用電子儀器對接收到的信號進行處理，或用對紅外線敏感的照相底片進行遠距離攝影和高空攝影，就可察知物體的外形和特征．所以選項B、C、D正確．考點三狹義相對論的簡潔應(yīng)用1．速度變換公式：u＝eq\f(u′＋v,1＋\f(u′v,c2)).若u′＝v＝c時，u＝c，從而證明白光速是速度的極限，也反證了光速不變原理．2．相對論質(zhì)量：m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)).從上式可以看出，當(dāng)物體(一般是粒子)的速度很大時，其運動時的質(zhì)量明顯大于靜止時的質(zhì)量．3．質(zhì)能方程：E＝mc2.含義：反映物體質(zhì)量和能量之間的關(guān)系．由此會有兩種能量表達：靜止時的能量和運動時的能量；兩能量之差就是物體的動能Ek，即Ek＝E－E0.4．時間間隔的相對性：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)).含義：運動的時鐘變慢，一切物理、生理過程變慢．5．長度的相對性：l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2).含義：在運動方向上的長度變小，在垂直運動方向上的長度不變．(1)你站在一條長木桿的中心四周，并且看到木桿落在地上時是兩頭同時落地．所以，你認(rèn)為這木桿是平著落到了地上．而此時飛飛同學(xué)正以接近光速的速度從木桿前面拂過，如圖所示．她看到()A．兩端同時落地B．A端比B端先落地C．B端比A端先落地D．木桿是向右傾斜著落地的(2)一張宣揚畫是邊長為5m的正方形，一高速列車以2×108m/s速度接近此宣揚畫，在司機看來，這張宣揚畫是什么樣子？(3)遠方的一顆星以0.8c的速度遠離地球，在地球上測得它輻射出來的閃光按5晝夜的周期變化，求在此星球上測其閃光周期為多大？[解析](1)令飛飛同學(xué)所在的參考系靜止，則人和桿所在的參考系將向BA方向運動，在桿下落的同時，假設(shè)在AB的中心有一光源開頭發(fā)光，且光源向右運動經(jīng)過桿落地時間后，B距光源比A距光源近了，依據(jù)光速不變原理可知，光到達B所用時間比A短，故B大事先發(fā)生，即B先落地；至于木桿向哪傾斜也是相對的，從飛飛的角度看，木桿是向右傾斜著落地的．(2)l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)＝5×eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2×108,3×108)))2)m≈3.7m，在垂直運動方向沒有相對性，所以看到的是一張3.7×5m2的宣揚畫．(3)由于Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))，所以Δτ＝Δt·eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)，Δt＝5晝夜，v＝0.8c，所以Δτ＝5×eq\r(1－0.82)＝3(晝夜)．[答案](1)CD(2)3.7×5m2的畫(3)3晝夜[方法總結(jié)]狹義相對論問題的求解技巧(1)解決“同時”的相對性問題，可從三個方面入手：①令觀看者靜止，推斷被觀看者因相對運動而引起的位置變化．②結(jié)合光速不變原理，分析光傳播到兩個大事所用的時間．③光先傳播到的大事先發(fā)生，光后傳播到的大事后發(fā)生．(2)“動尺縮短”是沿運動方向上的長度比其相對靜止時測量的長度要短一些，在垂直于運動方向上的長度沒有變化．(3)“動鐘變慢”是兩個不同慣性系進行時間比較的結(jié)果，也是相對的，即兩個慣性系中的觀看者都發(fā)覺對方的鐘變慢了．3.據(jù)報道，歐洲大型強子對撞機(LHC)“開足馬力”后能把數(shù)以百萬計的粒子加速至每秒鐘30萬公里，相當(dāng)于光速的99.9%，粒子流每秒可在隧道內(nèi)狂飆11245圈，單束粒子能量可達7萬億電子伏特．下列說法正確的是()A．假如連續(xù)對粒子進行加速，粒子的速度將能夠達到光速B．假如連續(xù)對粒子進行加速，粒子的速度將能夠超過光速C．粒子高速運動時的質(zhì)量將大于靜止時的質(zhì)量D．粒子高速運動時的質(zhì)量將小于靜止時的質(zhì)量答案：C1．(2021·鄭州統(tǒng)考)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．麥克斯韋提出了電磁場理論，并用試驗證明白電磁波的存在B．各種電磁波在真空中的傳播速度與光速一樣，為3×108m/sC．經(jīng)過調(diào)幅后的電磁波是橫波，經(jīng)過調(diào)頻后的電磁波是縱波D．紅外線是波長比可見光波長還長的電磁波，常用于醫(yī)院和食品消毒解析：選B.麥克斯韋提出了電磁場理論，赫茲用試驗證明白電磁波的存在，選項A錯誤；電磁波是橫波，調(diào)頻和調(diào)幅不轉(zhuǎn)變電磁波的這種性質(zhì)，選項C錯誤；醫(yī)院和食品消毒常用的是紫外線，選項D錯誤．2．(2021·江蘇連云港模擬)在狹義相對論中，下列說法正確的有()A．一切運動物體相對于觀看者的速度都不能大于真空中的光速B．質(zhì)量、長度的測量結(jié)果都與物體相對觀看者的相對運動狀態(tài)有關(guān)C．時間的測量結(jié)果與物體相對觀看者的運動狀態(tài)無關(guān)D．在某一慣性系中發(fā)生于同一時刻、不同地點的兩個大事，在其他一切慣性系中也是同時發(fā)生的解析：選AB.依據(jù)狹義相對論，光速是速度的極限值，所以A對；依據(jù)狹義相對論，長度、質(zhì)量、時間間隔都與運動狀態(tài)有關(guān)，且都給出了具體的計算公式，所以B對，C錯；同時是相對的，D錯.3．(2021·山東聊城一中模擬)慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖A所示)．從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得此正方形的圖象是()解析：選C.依據(jù)相對性原理，當(dāng)正方形沿x方向以接近光速勻速飛行時，在運動方向上會毀滅長度收縮效應(yīng)，而在垂直于運動方向上則不會毀滅長度收縮效應(yīng)，故C正確．4．關(guān)于生活中遇到的各種波，下列說法正確的是()A．電磁波可以傳遞信息，聲波不能傳遞信息B．手機在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波C．太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同D．遙控器發(fā)出的紅外線波長和醫(yī)院“CT”中的X射線波長相同解析：選B.聲波、電磁波都能傳遞能量和信息，A項錯誤；在手機通話過程中，既涉及電磁波又涉及聲波，B項正確；可見光屬于電磁波，“B超”中的超聲波是聲波，波速不同，C項錯誤；紅外線波長較X射線波長長，故D項錯誤．5．關(guān)于電磁波譜，下列說法中正確的是()A．X射線對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變B．γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高C．紫外線比紫光更簡潔發(fā)生干涉和衍射D．在電磁波譜中，最簡潔發(fā)生衍射現(xiàn)象的是γ射線E．在電磁波譜中，無線電波一般可用于通信解析：選ABE.X射線的頻率比較大，對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變，選項A正確；依據(jù)電磁波譜的排列挨次可知：γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高，選項B正確；在電磁波譜中從無線電波到γ射線，波長漸漸減小，頻率漸漸增大，而波長越長，越簡潔發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此紫光比紫外線更簡潔發(fā)生衍射，無線電波最簡潔發(fā)生衍射現(xiàn)象，選項C、D錯誤；無線電波廣泛應(yīng)用于通信、廣播和天體爭辯中，選項E正確．6．如圖所示，在地面上M點固定一光源，在離光源等距的A、B兩點上固定有兩個光接收器，今使光源發(fā)出一閃光，則在地面的參考系中觀測________(選填“A先”、“B先”或“A、B同時”)接收到光信號；在沿AB方向高速運動的火車參考系中觀測________(選填“A先”、“B先”或“A、B同時”)接收到光信號．解析：在地面的參考系中觀測，AM＝BM，光向A、B兩點傳播速度相等，故A與B同時接收到光信號．在沿AB方向高速運動的火車參考系中觀測，由于以火車為參考系時，火車與B相互靠近，火車與A相互遠離，而光速相同，故光信號先傳到B點，后傳到A點．答案：A、B同時B先一、選擇題1．依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，下列說法中正確的是()A．在電場四周確定產(chǎn)生磁場，磁場四周確定產(chǎn)生電場B．在變化的電場四周確定產(chǎn)生變化的磁場，在變化的磁場四周確定產(chǎn)生變化的電場C．均勻變化的電場四周確定產(chǎn)生均勻變化的磁場D．振蕩的電場在四周空間確定產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場答案：D2．對于機械波和電磁波的比較，下列說法中正確的是()A．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象B．它們在本質(zhì)上是相同的，只是頻率不同而已C．它們可能是橫波，也可能是縱波D．機械波的傳播速度只取決于介質(zhì)，跟頻率無關(guān)；電磁波的傳播速度與介質(zhì)無關(guān)，只跟頻率有關(guān)答案：A3．電磁波包含了γ射線、紅外線、紫外線、無線電波等，按波長由長到短的排列挨次是()A．無線電波、紅外線、紫外線、γ射線B．紅外線、無線電波、γ射線、紫外線C．γ射線、紅外線、紫外線、無線電波D．紫外線、無線電波、γ射線、紅外線解析：選A.在電磁波譜中，按電磁波的波長由長到短的排列挨次是：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線，由此可知選項A正確．4．(2022·高考四川卷)電磁波已廣泛運用于很多領(lǐng)域．下列關(guān)于電磁波的說法符合實際的是()A．電磁波不能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象B．常用的遙控器通過發(fā)出紫外線脈沖信號來遙控電視機C．依據(jù)多普勒效應(yīng)可以推斷遙遠天體相對于地球的運動速度D．光在真空中運動的速度在不同慣性系中測得的數(shù)值可能不同解析：選C.干涉、衍射是波所特有的現(xiàn)象，所以電磁波能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，選項A錯誤；常用的遙控器是通過發(fā)出紅外線來遙控電視機的，選項B錯誤；利用多普勒效應(yīng)可以推斷遙遠天體相對地球的速度，選項C正確；依據(jù)光速不變原理，在不同的慣性系中，光速是相同的，選項D錯誤．5．屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()A．真空中光速不變B．時間間隔具有相對性C．物體的質(zhì)量不變D．物體的能量與質(zhì)量成正比解析：選A.狹義相對論的兩個基本假設(shè)是：(1)在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的．故選項A正確．6．關(guān)于γ射線，以下說法中正確的是()A．γ射線比倫琴射線頻率更高，穿透力氣更強B．γ射線可用來檢測金屬材料內(nèi)部傷痕、裂縫、氣孔等C．利用γ射線穿透力強可制成金屬測厚計來檢測金屬板的厚度D．“γ刀”是利用了γ射線的強穿透力氣答案：ABC7．(2021·上海五校聯(lián)考)假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，車內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁邊的人觀看車?yán)锏娜耍^看的結(jié)果是()A．這個人是一個矮胖子B．這個人是一個瘦高個子C．這個人矮但不胖D．這個人瘦但不高解析：選D.人是站著的，路旁的人觀看到的車內(nèi)的人沿車運動的方向上的長度(打算胖瘦)變短了，所以人變“瘦”，但人在垂直于車運動方向上的長度(打算身高)不變．8．(2021·長春模擬)如圖所示，一根10m長的梭鏢以相對論速度穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的，以下哪種敘述最好地描述了梭鏢穿過管子的狀況()A．梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來C．兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢D．全部這些都與觀看者的運動狀況有關(guān)解析：選D.假如你是在相對于管子靜止的參考系中觀看運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全處在管子內(nèi)部．然而當(dāng)你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子．假如你在梭鏢和管子之間運動，運動的速度是在梭鏢運動的方向上，而大小是其一半，那么梭鏢和管子都相對于你運動，且速度的大小一樣；你看到這兩樣?xùn)|西都縮短了，且縮短的量相同，所以你看到的一切都是相對的，依靠于你的參考系．9．如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的挨次是()A．同時被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無法推斷解析：選C.因列車沿AC方向接近光速行駛，依據(jù)“同時”的相對性，即前邊的大事先發(fā)生，后邊的大事后發(fā)生可知C先被照亮，答案為C.10．對于公式m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))，下列說法中正確的是()A．公式中的m0是物體以速度v運動時的質(zhì)量B．當(dāng)物體運動速度v>0時，物體的質(zhì)