第十四、十五章电磁波相对论简介第58讲电磁波相对论简介(注：①考纲要求中Ⅰ代表了解和认识，Ⅱ代表理解和应用；②命题难度中的A代表容易，B代表中等，C代表难)一、麦克斯韦电磁场理论1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场(电场)能够在周围空间产生________；(2)均匀变化的磁场(电场)能够在周围空间产生稳定的________；(3)振荡的磁场(电场)能够在周围空间产生同________的振荡电场(磁场)．2．电磁场和电磁波：变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一体，即为电磁场．________由近及远的传播就形成了电磁波．3．电磁波的特点：(1)电磁波是________波．在传播方向的任一点E和B随时间作正弦规律变化，E与B 彼此垂直且与传播方向垂直．(2)电磁波的传播速度v＝λf＝λT，在真空中的传播速度等于________速．(3)________预言了电磁波的存在．________证实了电磁波，测出了波长和频率，证实传播速度等于光速；验证电磁波能产生反射、折射、衍射和干涉．4．对麦克斯韦电磁场理论的进一步理解二、电磁波的发射1．有效地向外发射电磁波的振荡电路应具备的特点：(1)要有足够高的振荡________．理论的研究证明，振荡电路向外界辐射能量的本领与频率的四次方成正比；(2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的________，才能有效地把电磁场的能量传播出来．2．发射电磁波的目的：传递信息(信号)把要传递的低频率电信号“加”到高频电磁波上，使电磁波随各种信号而改变叫做调制．其中，使高频振荡的电磁波振幅随信号而改变叫做________；使高频振荡的电磁波频率随信号而改变叫做________．三、电磁波的传播电磁波以横波形式传播，其传播不需要________，传播方式有天波、地波和空间波(又称直线波)．传播速度和频率、波长的关系为________．四、电磁波的接收使接收电路产生电谐振的过程叫做________________．五、电磁波的传播及波长、频率、波速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，波速越大．3．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＝12πLC，改变L或C即可改变f，从而改变电磁波的波长λ.·针对训练1·(回归教材选修34第十四章第4节)某雷达站正在跟踪一架飞机，此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来．某一时刻雷达发出一个无线脉冲，经200μs后收到反射波；隔0.8s后再发出一个脉冲，经198μs收到反射波．求飞机的飞行速度．六、电磁波与机械波的比较七、电磁波谱1．无线电波、________、可见光、________、伦琴射线、γ射线合起来构成了范围广阔的电磁波谱，如图所示．说明：波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有________________．·针对训练2·(回归教材选修34第十四章第3节)我国发射的第一颗人造卫星采用20.009MHz和19.995MHz的频率发送无线电信号，这两种频率的电磁波的波长各是多少？2．电磁波谱的特性、应用3.对电磁波谱的两点说明(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．八、经典时空观1．惯性参考系凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系．2．伽利略相对性原理对于所有的惯性系，力学规律都是相同的．3．经典时空观(绝对时空观)时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响．4．经典力学的几个基本结论(1)同时的绝对性(2)时间间隔的绝对性(3)空间距离的绝对性九、狭义相对论的两个基本假设1．狭义相对论原理：在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是________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________的．十、狭义相对论的时空观1．________的相对性2．________的相对性(1)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．(2)在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．(3)长度的变短是相对的．如果两条平行的杆在沿自己的长度方向做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了．3．时间间隔的相对性十一、质能方程物体是具有能量的，并且物体的能量与其本身的质量有关，且关系为________，其中m 是物体的质量，E是物体具有的能量.考点1 对“长度的相对性”的理解狭义相对论中的长度公式：L ＝L 01－⎝⎛⎭⎫vc 2中L 0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．考点2 对“时间间隔的相对性”的理解时间间隔的相对性公式：Δt ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2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，这叫做狭义相对论中的时间膨胀(动钟变慢)．考点3 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．解决长度的相对性问题，应当注意．(1)“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，这种长度收缩并非幻觉，并非看上去短了，它的确变短了，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动的速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著．(2)在具体计算中要明确，长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩，在垂直于运动方向上的长度没有变化．3．解决时间间隔的相对性应注意．(1)“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化．(2)运动时钟变慢完全是相对的，在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了.·典型例题1·(多选)下列说法正确的是()A．麦克斯韦提出电磁场理论，并用实验证实了电磁波的存在B．变化的电场一定产生变化的磁场，变化的磁场一定产生变化的电场C．随身携带的移动电话既有电磁波接收装置，同时又有电磁波发射装置D．声音信号需要经过“调制”过程，加到高频的电磁波上才能发射出去【测量目标】本题考查了麦克斯韦的电磁场理论、电磁波的发射和接收，测量考生的理解能力．温馨提示分析麦克斯韦的电磁场理论时，要注意“变化”、“均匀变化”、“周期性变化”这几种说法的不同．【练练手】·举一反三1·电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了．下面正确的是() A．雷达是利用声波的反射来测定物体位置的B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线C．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应D．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领【测量目标】本题考查了不同电磁波的特点，测量考生的理解能力．·触类旁通1·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【测量目标】本题考查了电磁波的形成与传播，测量考生的理解能力．·典型例题2·(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，根据狭义相对论下列说法正确的是()A．真空中的光速是不变的B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短C．物体的质量取决于物体所含物质的多少，与物体的运动速度无关D．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变【测量目标】本题考查了狭义相对论的两个基本假设、几个基本结论、狭义相对论的时空观，测量考生理解能力．温馨提示解此题时，重要的是对相对论的假设、结论的理解．【练练手】·举一反三2·(多选)以速度u高速远离地球的宇宙飞船发出频率为ν的单色光，已知真空中光速为c，则()A．该光相对飞船的速度等于c－uB．该光相对飞船的速度等于cC．地球上接受到该光的频率大于νD．地球上接受到该光的频率小于ν【测量目标】本题考查了光速不变原理、多普勒效应，测量考生的理解能力．·触类旁通2·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【测量目标】本题考查了光速不变原理，测量考生的理解能力．·触类旁通3·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该正方形的图象是()A B C D【测量目标】本题考查了动尺缩短效应，测量考生的理解能力．1．在电磁信号传输过程中，把要传输的电信号加载在高频电磁振荡上的过程叫做()A．调制B．调频C．调幅D．调谐2．现代生活中，人们已更多地与电磁波联系在一起，并且越来越依赖于电磁波，关于电磁场和电磁波，以下说法正确的是()A．把带电体和永磁体放在一起，即可以在其周围空间中产生电磁波B．手机、电视、光纤通信都是通过电磁波来传递信息的C．医院中用于检查病情的“B超”是利用了电磁波的反射原理D．车站、机场安全检查时“透视”行李箱的安检装置是利用红外线实现成像的3．(多选)根据相对论原理，下列说法中正确的是()A．按照相对论来讲，一个真实的、静止质量不为零的物体，相对任何惯性系的运动速度都不可能等于或超过光速cB．按照相对论及基本力学规律可推出质量和能量的关系为E＝mc2C．某个静质量为m0的物体，相对它静止的观察者测其质量为m＝m0，能量为E＝E0＝m0c2，称为静能量，这表明任何静质量不为零的物体都储存着巨大的能量D．按照相对论来讲，物理规律在一切惯性参考系中可以具有不同的形式4．下列运动中不能用经典力学规律描述的是()A．子弹的飞行B．和谐号从深圳向广州飞跑C．人造卫星绕地球运动D．粒子接近光速的运动5．下列说法正确的是()A．红外线是一种频率比紫外线还高的电磁波B．根据狭义相对论，地面上的人看到高速运行的列车比静止时长C．狭义相对论认为：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的D．“和谐号”动车组高速行驶时，在地面上测得的其车厢长度明显变短第6题图6．(16年南京模拟)如图所示，宽度为l的宇宙飞船沿其长度方向以速度v(v接近光速c)远离地球，飞船发出频率为ν的单色光．地面上的人接收到光的频率________(选填“大于”“等于”或“小于”)ν，看到宇宙飞船宽度________(选填“大于”“等于”或“小于”)l.7．雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，目前雷达发射的电磁波的频率多在200MHz至1000MHz的范围内．(1)下列关于雷达的说法中正确的是()A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3m至1.5m之间B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离第7题图D．波长越短的电磁波，反射性能越强(2)设雷达向远处发射无线电波．每次发射的时间是1μs，两次发射的时间间隔为100μs.显示器上呈现出的尖形波如图所示，已知图中ab＝bc，则障碍物与雷达之间的距离是多大？(13年江苏高考)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________________．。
选修3-4 第2讲一、选择题：在每小题给出的四个选项中，第1～2题只有一项符合题目要求，第3～5题有多项符合题目要求．1．如图为一列沿x 轴负方向传播的简谐横波在t ＝0时的波形图，当Q 点在t ＝0时的振动状态传到P 点时，则( )A ．1 cm ＜x ＜3 cm 范围内的质点正在向y 轴的负方向运动B ．Q 处的质点此时的加速度沿y 轴的正方向C ．Q 处的质点此时正在波峰位置D ．Q 处的质点此时运动到P 处【答案】B【解析】当Q 点在t ＝0时的振动状态传到P 点时，Q 点在t ＝0时的波也向左传到P 点，所以x ＝0 cm 处质点在波谷，x ＝2 cm 处质点在波峰，则1 cm ＜x ＜2 cm 范围内的质点向y 轴的正方向运动，2 cm ＜x ＜3 cm 范围内的质点向y 轴的负方向运动，A 错误；Q 点振动四分之三周期后到达波谷，加速度沿y 轴的正方向最大，不能平移，B 正确，C 、D 错误．2．一列横波沿水平放置的弹性绳向右传播，绳上两质点A ，B 的平衡位置相距34个波长，B 位于A 右方．t 时刻A 位于平衡位置上方且向上运动，再经过14个周期，B 位于平衡位置 ( ) A ．上方且向上运动B ．上方且向下运动C ．下方且向上运动D ．下方且向下运动【答案】D3．下面说法中正确的是( )A ．发生多普勒效应时，波源的频率变化了B ．发生多普勒效应时，观察者观察到的频率发生了变化C ．多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生的D ．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的【答案】BCD4．如图所示是观察水面波衍射的实验装置，AC 和BD 是两块挡板，AB 是一个孔，O 是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则波经过孔之后的传播情况，下列描述中正确的是( )A ．此时能明显观察到波的衍射现象B ．挡板前后波纹间距离相等C ．如果将孔AB 扩大，有可能观察不到明显的衍射现象D ．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显观察到衍射现象【答案】ABC5．(2017年赤峰质检)如图所示，两列简谐横波分别沿x 轴正方向和负方向传播，两波源分别位于x ＝－0.2 m 和x ＝1.2 m 处，两列波的速度均为v ＝0.4 m/s ，两波源的振幅均为A ＝2 cm.图示为t ＝0时刻两列波的图象(传播方向如图所示)，此刻平衡位置处于x ＝0.2 m 和x ＝0.8 m 的P 、Q 两质点刚开始振动．质点M 的平衡位置处 于x ＝0.5 m 处，关于各质点运动情况判断正确的是( )A ．两列波相遇彼此穿过后，振幅仍然为2 cmB ．t ＝1 s 时刻，质点M 的位移为－4 cmC ．t ＝1 s 时刻，质点M 的位移为＋4 cmD ．t ＝0.75 s 时刻，质点P 、Q 都运动到M 点E ．质点P 、Q 的起振方向都沿y 轴负方向【答案】ABE【解析】两列波相遇过后不改变波的性质，所以振幅不变，振幅仍然为2 cm ，故A 项正确；由图知波长λ＝0.4 m ，由v ＝λT 得，波的周期为T ＝λv ＝0.40.4s ＝1 s ，波从P 、Q 两质点传到M 的时间为34T ，当t ＝1 s 时刻，两波的波谷恰好传到质点M ，所以位移为－4 cm ，故B 项正确，C 项错误；质点不随波迁移，只在各自的平衡位置附近振动，所以质点P 、Q 都不会运动到M 点，故D 项错误；由波的传播方向根据波形平移法可判断出质点的振动方向：两列简谐横波分别沿x 轴正方向和负方向传播，则质点P ，Q 均沿y 轴负方向运动，故E 项正确．二、非选择题6．(2017年山西模拟)一列简谐横波在x 轴上传播，如图所示，实线为t ＝0时刻的波形图，虚线为Δt ＝0.2 s 后的波形图，求：(1)此波的波速为多少？(2)若Δt >T 且波速为165 m/s ，试通过计算确定此波沿何方向传播？解：(1)由题可得波长λ＝4 ma ．若波向右传播，则波传播的时间与周期的关系为Δt ＝nT 1＋T 14(n ＝0,1,2，…) 解得T 1＝0.84n ＋1s (n ＝0,1,2，…) 波速为v 右＝λT 1＝(20n ＋5) m/s (n ＝0,1,2，…) b ．若波向左传播，有Δt ＝nT 2＋34T 2 (n ＝0,1,2，…) 解得T 2＝0.84n ＋3s (n ＝0,1,2，…) 波速为v 左＝λT 2＝(20n ＋15) m/s (n ＝0,1,2，…)． (2)若Δt >T ，波速为165 m/s 时，波在Δt ＝0.2 s 内传播的距离为Δx ＝v Δt ＝33 m ＝8λ＋14λ 故可知此波沿x 正方向传播．。
第三章过关检测 (时间:45分钟 满分:100分) 一、选择题(每小题6分,共48分。在每小题给出的四个选项中,第1~5小题只有一个选项正确,第6~8小题有多个选项正确) 1.第一个用实验验证电磁波客观存在的科学家是 ( )
A.法拉第 B.奥斯特 C.赫兹 D.麦克斯韦 答案C 解析麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验验证了电磁波的存在。 2.下列关于电磁波的说法正确的是( ) A.电磁波必须依赖介质传播 B.电磁波可以发生衍射现象 C.电磁波不会发生偏振现象 D.电磁波无法携带信息传播 答案B 解析电磁波的传播不需要介质,在真空中也可传播,选项A错误;电磁波可以发生衍射和偏振现象,选项B正确、C错误;电磁波的重要应用之一就是传递信息,选项D错误。 3.对于机械波和电磁波的比较,下面说法中正确的是 ( ) 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.它们都可能是横波,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;而电磁波的传播速度与介质无关,只跟频率有关 答案A 解析机械波和电磁波本质是不同的,但都能发生反射、折射、干涉和衍射现象,电磁波是横波,电磁波的传播速度不仅与介质有关,也跟频率有关。
4.我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1~10 m范围内,则对该无线电波的判断正确的是( ) A.米波的频率比厘米波频率高 B.和机械波一样须靠介质传播 C.同光波一样会发生反射现象 D.不可能产生干涉和衍射现象 答案C
解析据c=λν得ν=,故波长越长,频率越低,选项A错误;无线电波属于电磁波,传播不需要介质,选项B错误;反射、干涉、衍射是波所特有的现象,选项C正确,选项D错误。 5.红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况。地球大气中的水气(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射,即地面物体发出的某些波长的电磁波,只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。如图所示为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况。由图可知,在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围为( )
