电磁波 相对论(解析版)高考物理二轮复习

解密19 电磁波 相对论

核心考点 考纲要求

电磁波的产生

电磁波的发射、传播和接收

电磁波谱

狭义相对论的基本假设

质能关系 Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Χγ2πTLC电磁场有足够高的振荡频率有效发射电磁波条件开放的振荡电路电磁波是横波电磁波特点传播不需要介质，具有波的共性能脱离“波源”独立存在电磁波变化的磁场产生电场麦克斯韦与电磁场理论的两大支柱变化的电场产生磁场电磁波谱：无线电波；红外线；可见光；紫外线；射线；射线振荡电流的产生电磁震荡周期：电磁波原理相对论广义相对论相对论20202222Δ1()Δ1()11()ΔΔvlltcvcmuvmuuuvccEmcEmc一切物理规律在任何参考系中都是相同的（广义相对性原理）等效原理物质的引力使光线弯曲结论引力红移水星轨道近日点的进动一切物理规律在惯性参考系中都是相同的（狭义相对论性原理）狭义相对论光速不变原理，相对论公式，，

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

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。 5．电磁波与机械波的比较

名称

项目 电磁波 机械波

研究对象 电磁现象 力学现象

产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点（波源）的振动产生

波的特点 横波 纵波或横波

波速 在真空中等于光速（很大）（c=3×108 m/s） 在空气中不大（如声波波速一般为340 m/s）

介质需要 不需要介质（在真空中仍可传播） 必须有介质（真空中不能传播）

能量传播 电磁能 机械能

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=2πLC，频率12πfLC。

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。

电路状态

时刻 0 4T 2T 34T T

电荷量 最大 0 最大 0 最大

电压 最大 0 最大 0 最大

电场能 最大 0 最大 0 最大

电流 0 正向最大 0 反向最大 0

磁场能 0 最大 0 最大 0

（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＝4F，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410sT

B．当410st时，电容器上极板带正电

C．当4π10s3t时，电路中电流方向为顺时针

D．当4π10s3t 时，电场能正转化为磁场能

【答案】C

【详解】

A项：由公式364T2LC23.142.510410s6.2810s，故A错误；

B项：当4π10s=2Tt，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4π10s3t即42TTt，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510LH，取210，下列说法正确的是（ ） A．88110~210s，电路中的电场能转化为磁场能

B．电容器的电容为12410F

C．8210s时刻穿过线圈的磁通量最大

D．8310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88110~210s，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2TLC可得，电容

282122254104104410TCFFL

故B正确；

C．8210s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．8310s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