第十二章第五节电磁波　相对论简介.doc

第五节　电磁波　相对论简介 一、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3.0×108 m/s. (3)电磁波能产生干涉、衍射、反射和折射等现象． 　1.(2013·高考四川卷)下列关于电磁波的说法，正确的是(　　) A．电磁波只能在真空中传播 B．电场随时间变化时一定产生电磁波 C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波 D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在 答案：C 二、电磁波的发射与接收 1．电磁波的发射 (1)发射条件：足够高的频率和开放电路． (2)调制分类：调幅和调频． 2．电磁波的接收 (1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程． (2)解调：使声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程． 　2.关于电磁波的发射和接收，以下说法正确的是(　　) A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是闭合电路 B．信号频率比较低，不能直接用来发射电磁波 C．当接收电路的固有频率与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 D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程 答案：BCD 三、相对论的简单知识 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＝m0/. (2)物体运动时的质量m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. 　3.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 考点一　对电磁场理论和电磁波的理解 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 2．对电磁波的理解 (1)电磁波是横波．电磁波的电场E、磁场B、传播方向v三者两两垂直，如图所示． (2)电磁波与机械波不同，机械波在介质中传播的速度与介质有关，电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关． 　(1)下列关于电磁波的说法正确的是(　　) A．均匀变化的磁场能够在空间产生电场 B．电磁波在真空和介质中传播速度相同 C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波 D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播 (2)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内．请回答下列关于雷达和电磁波的有关问题． ①雷达发射电磁波的波长范围是多少？ ②能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的距离？ [解析]　(1)如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是恒定的，不能产生新的电场(磁场)，因而不能产生电磁波，A正确，C错误；电磁波的传播速度跟介质有关，频率由波源决定，同一频率的电磁波在不同介质中波长不等，由v＝λf知在不同介质中波的传播速度不同，B错误；电磁波在同种均匀介质中才能沿直线传播，D错误． (2)①由c＝λf可得：λ1＝＝ m＝1.5 m， λ2＝＝ m＝0.3 m. 故雷达发射电磁波的波长范围是0.3 m～1.5 m. ②电磁波测距的原理就是通过发射和接收电磁波的时间间隔来确定距离，所以可根据x＝确定雷达和目标间的距离． [答案]　(1)A　(2)①0.3 m～1.5 m　②能 　1.关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是(　　) A．均匀变化的电场在它的周围产生均匀变化的磁场 B．电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的，且都与波的传播方向垂直 C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播 D．只要空间中某个区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波 解析：选BD.均匀变化的电场在它的周围产生恒定的磁场，A错；机械波的传播依赖于介质，电磁波的传播不需要介质，C错． 考点二　电磁波谱及电磁波的应用 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、 灭菌消毒 医用消毒、 防伪 X射线 1016～ 1019 10－8～ 10－11 贯穿本领强 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 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． 　下列说法中正确的是(　　) A．红外线、紫外线、伦琴射线和γ射线在真空中传播的速度均一样，均为3×108 m/s B．红外线应用在遥感技术中，是利用它穿透本领强的特性 C．紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度 D．日光灯是紫外线的荧光效应的应用 [解析]　不同波长的电磁波在真空中的传播速度均为c；红外线在遥感技术中用到了它的衍射现象；紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度；利用紫外线的荧光效应可以制成日光灯．由此可知A、C、D正确． [答案]　ACD 　2.关于红外线的以下说法中正确的是(　　) A．不同的物体辐射红外线的波长和强度相同，所以不可以在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射 B．可以利用红外线的热效应对物体进行烘干 C．利用红外线波长较长，容易发生衍射的特点进行远距离和高空摄影 D．利用不同物体辐射红外线的波长和强度的不同可以对物体进行远距离探测 解析：选BCD.红外线是一种光波，一切物体都在不停地对外辐射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强一些．由于红外线的热效应，可用来烘干，又由于坦克、舰艇、人体等一切物体都在不停地发射红外线，并且不同的物体所辐射的红外线，其波长和强度不同，故在夜间或浓雾天气可通过红外线探测器来接收信号，并用电子仪器对接收到的信号进行处理，或用对红外线敏感的照相底片进行远距离摄影和高空摄影，就可察知物体的形状和特征．所以选项B、C、D正确． 考点三　狭义相对论的简单应用 　 1．速度变换公式：u＝. 若u′＝v＝c时，u＝c，从而证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变原理． 2．相对论质量：m＝. 从上式可以看出，当物体(一般是粒子)的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量． 3．质能方程：E＝mc2. 含义：反映物体质量和能量之间的关系． 由此会有两种能量表达：静止时的能量和运动时的能量；两能量之差就是物体的动能Ek，即Ek＝E－E0. 4．时间间隔的相对性：Δt＝. 含义：运动的时钟变慢，一切物理、生理过程变慢． 5．长度的相对性：l＝l0. 含义：在运动方向上的长度变小，在垂直运动方向上的长度不变． 　(1)你站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地．所以，你认为这木杆是平着落到了地上．而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示．她看到(　　) A．两端同时落地　　 B．A端比B端先落地 C．B端比A端先落地 D．木杆是向右倾斜着落地的 (2)一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2×108 m/s速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？ (3)远方的一颗星以0.8c的速度远离地球，在地球上测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？ [解析]　(1)令飞飞同学所在的参考系静止，则人和杆所在的参考系将向BA方向运动，在杆下落的同时，假设在AB的中央有一光源开始发光，且光源向右运动经过杆落地时间后，B距光源比A距光源近了，根据光速不变原理可知，光到达B所用时间比A短，故B事件先发生，即B先落地；至于木杆向哪倾斜也是相对的，从飞飞的角度看，木杆是向右倾斜着落地的． (2)l＝l0＝5× m ≈3.7 m， 在垂直运动方向没有相对性，所以看到的是一张3.7×5 m2的宣传画． (3)因为Δt＝，所以Δτ＝Δt·，Δt＝5昼夜，v＝0.8c，所以Δτ＝5×＝3(昼夜)． [答案]　(1)CD　(2)3.7×5 m2的画　(3)3昼夜 [方法总结]　狭义相对论问题的求解技巧 (1)解决“同时”的相对性问题，可从三个方面入手： ①令观察者静止，判断被观察者因相对运动而引起的位置变化． ②结合光速不变原理，分析光传播到两个事件所用的时间． ③光先传播到的事件先发生，光后传播到的事件后发生． (2)“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，在垂直于运动方向上的长度没有变化． (3)“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的结果，也是相对的，即两个惯性系中的观察者都发现对方的钟变慢了． 　3.据报道，欧洲大型强子对撞机(LHC)“开足马力”后能把数以百万计的粒子加速至每秒钟30万公里，相当于光速的99.9%，粒子流每秒可在隧道内狂飙11 245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 B．如果继续对粒子进行加速，粒子的速度将能够超过光速 C．粒子高速运动时的质量将大于静止时的质量 D．粒子高速运动时的质量将小于静止时的质量 答案：C 1．(2015·郑州统考)下列关于电磁波的说法正确的是(　　) A．麦克斯韦提出了电磁场理论，并用实验证实了电磁波的存在 B．各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样，为3×108 m/s C．经过调幅后的电磁波是横波，经过调频后的电磁波是纵波 D．红外线是波长比可见光波长还长的电磁波，常用于医院和食品消毒 解析：选B.麦克斯韦提出了电磁场理论，赫兹用实验证实了电磁波的存在，选项A错误；电磁波是横波，调频和调幅不改变电磁波的这种性质，选项C错误；医院和食品消毒常用的是紫外线，选项D错误． 2．(2015·江苏连云港模拟)在狭义相对论中，下列说法正确的有 (　　) A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速 B．质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关 C．时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关 D．在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中也是同时发生的 解析：选AB.根据狭义相对论，光速是速度的极限值，所以A对；根据狭义相对论，长度、质量、时间间隔都与运动状态有关，且都给出了具体的计算公式，所以B对，C错；同时是相对的，D错. 3．(2015·山东聊城一中模拟)惯性系S中有一边长为l的正方形(如图A所示)．从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图象是(　　) 解析：选C.根据相对性原理，当正方形沿x方向以接近光速匀速飞行时，在运动方向上会出现长度收缩效应，而在垂直于运动方向上则不会出现长度收缩效应，故C正确． 4．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 解析：选B.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． 5．关于电磁波谱，下列说法中正确的是(　　) A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变 B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高 C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射 D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线 E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信 解析：选ABE.X射线的频率比较大，对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；根据电磁波谱的排列顺序可知：γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，而波长越长，越容易发生衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生衍射，无线电波最容易发生衍射现象，选项C、D错误；无线电波广泛应用于通信、广播和天体研究中，选项E正确． 6．如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，则在地面的参考系中观测________(选填“A先”、“B先”或“A、B同时”)接收到光信号；在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测________(选填“A先”、“B先”或“A、B同时”)接收到光信号． 解析：在地面的参考系中观测，AM＝BM，光向A、B两点传播速度相等，故A与B同时接收到光信号．在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，由于以火车为参考系时，火车与B相互靠近，火车与A相互远离，而光速相同，故光信号先传到B点，后传到A点． 答案：A、B同时　B先 一、选择题 1．根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法中正确的是(　　) A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场 B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场 C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D．振荡的电场在周围空间一定产生同频率振荡的磁场 答案：D 2．对于机械波和电磁波的比较，下列说法中正确的是(　　) A．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 B．它们在本质上是相同的，只是频率不同而已 C．它们可能是横波，也可能是纵波 D．机械波的传播速度只取决于介质，跟频率无关；电磁波的传播速度与介质无关，只跟频率有关 答案：A 3．电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等，按波长由长到短的排列顺序是(　　) A．无线电波、红外线、紫外线、γ射线 B．红外线、无线电波、γ射线、紫外线 C．γ射线、红外线、紫外线、无线电波 D．紫外线、无线电波、γ射线、红外线 解析：选A.在电磁波谱中，按电磁波的波长由长到短的排列顺序是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，由此可知选项A正确． 4．(2014·高考四川卷)电磁波已广泛运用于很多领域．下列关于电磁波的说法符合实际的是(　　) A．电磁波不能产生衍射现象 B．常用的遥控器通过发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 解析：选C.干涉、衍射是波所特有的现象，所以电磁波能产生衍射现象，选项A错误；常用的遥控器是通过发出红外线来遥控电视机的，选项B错误；利用多普勒效应可以判断遥远天体相对地球的速度，选项C正确；根据光速不变原理，在不同的惯性系中，光速是相同的，选项D错误． 5．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(　　) A．真空中光速不变　　 B．时间间隔具有相对性 C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比 解析：选A.狭义相对论的两个基本假设是：(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．故选项A正确． 6．关于γ射线，以下说法中正确的是(　　) A．γ射线比伦琴射线频率更高，穿透能力更强 B．γ射线可用来检测金属材料内部伤痕、裂缝、气孔等 C．利用γ射线穿透力强可制成金属测厚计来检测金属板的厚度 D．“γ刀”是利用了γ射线的强穿透能力 答案：ABC 7．(2015·上海五校联考)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个中等身材的人，站在路旁边的人观察车里的人，观察的结果是(　　) A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子 C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高 解析：选D.人是站着的，路旁的人观察到的车内的人沿车运动的方向上的长度(决定胖瘦)变短了，所以人变“瘦”，但人在垂直于车运动方向上的长度(决定身高)不变． 8．(2015·长春模拟)如图所示，一根10 m长的梭镖以相对论速度穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的，以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况(　　) A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来 C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖 D．所有这些都与观察者的运动情况有关 解析：选D.如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部．然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子．假如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半，那么梭镖和管子都相对于你运动，且速度的大小一样；你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同，所以你看到的一切都是相对的，依赖于你的参考系． 9．如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　) A．同时被照亮　　　　　 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．无法判断 解析：选C.因列车沿AC方向接近光速行驶，根据“同时”的相对性，即前边的事件先发生，后边的事件后发生可知C先被照亮，答案为C. 10．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 解析：选CD.公式中的m0是物体的静止质量，在v远小于光速时，经典力学依然成立，故A、B错误，C、D正确． 二、非选择题 11．(2013·高考江苏卷)如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)．地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”、“等于”或“小于”)L.当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________． 解析：根据长度的相对性得L＝L0 所以A测得两飞船间的距离L0＝ >L. 根据狭义相对论的基本假设，光信号的速度为光速c. 答案：大于　c(或光速) ☆12.某雷达工作时，发射电磁波的波长λ＝20 cm，每秒脉冲数n＝5 000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs. (1)该电磁波的频率为多少？ (2)该雷达的最大侦察距离是多少？ 解析：(1)根据c＝λf可得 f＝＝ Hz＝1.5×109 Hz. (2)电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离 s＝cΔt＝c ＝3×108× m≈6×104 m 所以雷达的最大侦察距离s′＝＝3×104 m＝30 km. 答案：(1)1.5×109 Hz　(2)30 km