1電磁波相對論簡介

第1課時電磁波相對論簡介●知識要點梳理1.電磁波(1)電磁波譜無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線產(chǎn)生機理自由電子做周期性運動原子的外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)層電子受到激發(fā)原子核受到激發(fā)特性波動性強熱效應(yīng)引起視覺化學(xué)效應(yīng)穿透力強穿透力最強應(yīng)用無線電技術(shù)遙感加熱攝影照明熒光殺菌醫(yī)用透視工業(yè)探傷變化波長：大→小波動性：明顯→不明顯頻率：小→大粒子性：不明顯→明顯(2)麥克斯韋電磁場理論包含兩個要點：①變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場；②變化的電場在周圍空間產(chǎn)生磁場.電磁場與電磁波理論被赫茲用實驗證實.麥克斯韋指出光也是電磁波，開創(chuàng)了人類對光的認識的新紀(jì)元.(3)電磁振蕩由振蕩電路產(chǎn)生，電磁振蕩的周期，完全由自身參數(shù)決定，叫做回路的固有周期.電磁振蕩的過程是電容器上的電荷量、電路中的電流、電容器中電場強度與線圈中的磁感應(yīng)強度、電場能量與磁場能量等做周期性變化的過程.(4)電磁波的發(fā)射與接收①有效地輻射電磁波，必須具備兩個條件：一是開放電路，二是發(fā)射頻率要高.②把聲音信號、圖像信號轉(zhuǎn)化為電信號，再把電信號加在回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流上，這一過程叫做對電磁波進行調(diào)制，從方式上分為兩種：調(diào)幅和調(diào)頻.③有選擇性地取出我們想要的電波，需要一個調(diào)諧電路，使該電路的固有頻率和人們想要接收的電磁波頻率相同，達到電諧振，這一過程就是調(diào)諧；從高頻振蕩電流中把信息取出來的過程叫做檢波，這屬于調(diào)制的逆過程，也叫解調(diào).④電視、雷達大多利用微波段的電磁波.2.相對論簡介(1)狹義相對論兩個基本原理①狹義相對性原理：所有慣性系中，物理規(guī)律都是相同的，或者說對于物理規(guī)律而言，慣性系是平等的.②光速不變原理：相對于所有的慣性參考系，真空中的光速是相等的.(2)同時性的相對性在某一慣性系中同時發(fā)生的事件，在另一慣性系中不是同時發(fā)生的.這與我們的日常經(jīng)驗不符的原因是我們?nèi)粘Ｄ軌蛴^測到的速度都遠遠小于光速.同時性的相對性直接導(dǎo)致了時間的相對性.(3)長度的相對性同樣的桿，在與桿相對靜止的慣性系中測量出一個長度值，在與沿桿方向運動的慣性系中測量出的長度值不同，這直接導(dǎo)致了空間的相對性.(4)“鐘慢尺縮”效應(yīng)Δt＝Δτ/，l=l0要注意的是公式中各物理量的意義：Δτ是在相對靜止的慣性系中的時間流逝，叫做固有時間，l0是在與桿相對靜止的慣性系中測量出的桿的長度，叫固有長度，v是沿桿方向運動的慣性系相對于桿的速度.(5)狹義相對論的其他結(jié)論質(zhì)量與速度的關(guān)系：m＝m0/能量與速度的關(guān)系：E＝E0/式中E0＝m0c2，m0是靜止質(zhì)量.(6)廣義相對論簡介①基本原理：對于物理規(guī)律，所有參考系都是平等的，這叫廣義相對性原理，它打破了慣性系的特權(quán)，賦予所有參考系同等權(quán)利；引力場與做勻加速運動的非慣性系等效，這叫等效原理.②廣義相對論的驗證：基本原理其實是來自于思想與邏輯推理，其驗證必須通過由理論推導(dǎo)出來的推論來檢驗.廣義相對論的一些推論已經(jīng)獲得實驗檢驗，包括光線在引力場中的彎曲與雷達回波延遲、水星近日點的進動與引力紅移等.●重點難點突破一、對麥克斯韋電磁場理論的理解變化的磁場產(chǎn)生電場，這個電場是旋渦電場，將自由電荷沿電場線移動一周，電場力做功，這一點不同于靜電場；均勻變化的磁場產(chǎn)生電場(穩(wěn)定的電場不再產(chǎn)生磁場)，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(穩(wěn)定的磁場不再產(chǎn)生電場)，周期性非均勻變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性非均勻變化的電場，周期性均勻變化的電場產(chǎn)生周期性非均勻變化的磁場.交變的電場與磁場相互聯(lián)系，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場.二、電磁波與機械波的區(qū)別與共性1.電磁波與機械波的區(qū)別機械波電磁波研究對象力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性變化的物理量位移隨時間和空間做周期性變化電場強度E和磁感應(yīng)強度B隨時間和空間做周期性變化傳播特點需要介質(zhì)；波速由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)；有橫波、縱波傳播無需介質(zhì)；在真空中波速為c；在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)和頻率都有關(guān)；只有橫波產(chǎn)生由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生由周期性變化的電流(電磁振蕩)激發(fā)2.機械波與電磁波的共性機械波與電磁波是本質(zhì)上不同的兩種波，但它們有共同的性質(zhì)：(1)都具有波的特性，能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等物理現(xiàn)象；(2)都滿足v＝＝λf；(3)從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時頻率都不變.三、LC回路中產(chǎn)生振蕩電流的分析1.電容器在放電過程中，電路中電流增大，由于線圈自感作用阻礙電流的增大，電流不能立刻達到最大值.2.電容器開始放電時，電流的變化率最大，電感線圈的自感作用對電流的阻礙作用最大，但阻礙卻無法阻止，因此，隨自感電動勢的減小，放電電流逐漸增大，電容器放電完畢，電流達到最大值.3.電容器放電完畢后，電流將保持原來的方向減小，由于線圈的自感作用阻礙電流的減小，因此電流逐漸減小，這個電流使電容器在反方向逐漸充電.4.在振蕩電路中，電容器極板上的電荷量與電壓相同，都是按正弦(或余弦)規(guī)律變化的，它們對時間的變化是不均勻的——在最大值處，變化率最小；在零值處，變化率最大.(可依據(jù)斜率判斷，圖線的斜率代表該量的變化率，即變化快慢)振蕩電流I＝，由極板上電荷量的變化率決定，與電荷量的多少無關(guān).兩極板間的電壓U＝，由極板上電荷量的多少決定.電容C恒定，與電荷量的變化率無關(guān).線圈中的自感電動勢E自＝L·，由電路的電流變化率決定，而與電流的大小無關(guān).四、對相對論宏觀的理解1.對時間延緩效應(yīng)的認識(1)在事件相對靜止參照系中觀察到的一個事件從發(fā)生到結(jié)束的時間最短.(2)運動時鐘變慢：對本慣性系做相對運動的時鐘變慢，或事物經(jīng)過的過程變慢.(3)時間膨脹效應(yīng)是相對的.(4)當(dāng)v→c時，時間延緩效應(yīng)顯著；當(dāng)v?c時，時間延緩效應(yīng)可忽略，此時時間間隔Δt成為經(jīng)典力學(xué)的絕對量.2.對長度收縮效應(yīng)的認識(1)相對物體靜止的觀察者測得的物體長度最長.(2)長度收縮效應(yīng)只發(fā)生在運動方向上.(3)長度收縮效應(yīng)是相對的.當(dāng)v→c時，長度收縮效應(yīng)顯著；當(dāng)v?c時，長度收縮效應(yīng)可忽略，此時長度l＝l0成為經(jīng)典力學(xué)的絕對量.3.測量運動物體的長度總與測量時間相聯(lián)系，這樣，就可以把時間延緩效應(yīng)公式和長度收縮效應(yīng)公式聯(lián)系起來了.●熱點題型探究振蕩回路的有關(guān)分析【例1】某LC回路中電容器兩端的電壓u隨時間t變化的關(guān)系如圖所示，則()A.在t1時刻，電路中的電流最大B.在t2時刻，電路中的磁場能最大C.從t2時刻至t3時刻，電路的電場能不斷增大D.從t3時刻至t4時刻，電容器的帶電荷量不斷增大【解析】本題最易受歐姆定律的影響，認為電壓最大時電流最大，而錯選A.本題考查對LC振蕩電路中各物理量振蕩規(guī)律的理解.t1時刻電容器兩端電壓最高，電路中振蕩電流為零，t2時刻電壓為零，電路中振蕩電流最大，t2至t3過程中，電容器兩極板間電壓增大，電荷量增多，電場能增大，t3至t4的過程中，電荷量不斷減小.【答案】BC【思維提升】LC振蕩回路中有兩類物理量，當(dāng)一類物理量處于最大值時，另一類為零.本題抓住能的轉(zhuǎn)化與守恒解題，若U減小(放電過程)，則電場能減小，磁場能增加，電流增大；若U增大(充電過程)，則電流減小.【拓展1】一個電容為C的電容器，充電至電壓等于U后，與電源斷開并通過一個自感系數(shù)為L的線圈放電.從開始放電到第一次放電完畢的過程中，下列判斷錯誤的是(B)A.振蕩電流一直在增大B.振蕩電流先增大后減小C.通過電路的平均電流等于D.磁場能一直在不斷增大【解析】放電過程肯定是電流不斷增大，所以A、D正確而B錯誤；注意到總電量為Q＝CU，并且在時間t＝T/4內(nèi)放電完畢，所以，平均電流為，C正確.2.電磁波的發(fā)射和接收【例2】圖(1)為一個調(diào)諧接收電路，(a)、(b)、(c)為電路中的電流隨時間變化的圖像，則()是L1中的電流圖像是L2中的電流圖像是L2中的電流圖像是流過耳機的電流圖像【解析】L2中由于電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的圖像是同(a)圖相似的，但是由于L2和D串聯(lián)，所以當(dāng)L2的電壓與D反向時，電路不通，因此這時L2沒有電流，所以L2中的電流應(yīng)選(b)圖.【答案】ACD【思維提升】理解調(diào)諧接收電路各個元件的作用.注意理論聯(lián)系實際.【拓展2】各地接收衛(wèi)星電視信號的拋物面天線如圖所示，天線頂點和焦點的連線(OO′)與水平面間的夾角為仰角α，OO′在水平面上的投影與當(dāng)?shù)卣戏降膴A角為偏角β，接收定位于東經(jīng)°的衛(wèi)星電視信號(如CCTV－5)時，OO′連線應(yīng)指向衛(wèi)星，我國各地接收天線的取向情況是(我國自西向東的經(jīng)度約為73°～135°)(BD)A.有β＝0，α＝90°B.與衛(wèi)星經(jīng)度相同的各地，α隨緯度增加而減小C.經(jīng)度大于105°的各地，天線是朝南偏東的D.在幾十甚至幾百平方千米的范圍內(nèi)，天線取向幾乎是相同的【解析】如圖所示，α隨緯度的增大而減小，我國不在赤道上，α不可能為零，經(jīng)度大于105°的各地，天線應(yīng)該朝南偏西，由于地球很大，衛(wèi)星很高，幾十甚至幾百平方千米的范圍內(nèi)天線取向幾乎是相同的.3.狹義相對論的有關(guān)分析和計算【例3】如圖，設(shè)慣性系K′相對于慣性系K以速度u＝c/3沿x軸方向運動，在K′系的x′y′平面內(nèi)靜置一長為5m、與x′軸成30°角的桿.試問：在K系中觀察到此桿的長度和桿與x軸的夾角分別為多大？【解析】設(shè)桿固有長度為l0，在K′系中x′方向上：l0x＝l0cosα′，y′方向上：l0y＝l0sinα′，由長度的相對性得K系中x方向上：Lx＝l0x=y方向上：ly＝l0y＝l0sinα′因此在K系中觀測時：l＝α＝arctan=arctan代入數(shù)據(jù)解得l≈m，α≈°可見，桿的長度不但要縮短，空間方位也要發(fā)生變化.【思維提升】長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在運動方向上.【拓展3】若一宇宙飛船相對地面以速度v運動，航天員在飛船內(nèi)沿同方向測得光速為c，問在地上的觀察者看來，光速應(yīng)為v＋c嗎？【解析】由相對論速度變換公式u＝得：u＝＝c·＝c可見在地上的觀察者看來，光速應(yīng)為c，而不是v＋c.●易錯門診4.對時間延緩效應(yīng)的認識【例4】飛船A以的速度相對地球向正東方飛行，飛船B以的速度相對地球向正西方飛行，當(dāng)兩飛船即將相遇時A飛船在自己的天空處相隔2s發(fā)射兩顆信號彈，在B飛船的觀測者測得兩顆信號彈相隔的時間間隔為多少？(c為真空中的光速，結(jié)果取兩位有效數(shù)字)【錯解】首先確定兩飛船的相對速度，按照相對論速度合成公式可得c＝于是，在B飛船中的觀察者看來，A是運動的，運動的時間變慢，所以求得的時間應(yīng)該比2s小，于是理所當(dāng)然得到發(fā)射兩顆信號彈的時間間隔為t＝t0＝2×s≈s【錯因】解答的錯誤在于沒有認清究竟2s所在的參考系相對于信號發(fā)射是否是靜止的.信號彈是在A中發(fā)射的，A中發(fā)射的時間間隔是2s，說明2s是固有的時間間隔(相對兩次發(fā)射事件靜止的參考系中的時間間隔)，也就是說，在B參考系中看，A是運動的，則運動的時鐘變慢了，在B中的時鐘快些，測量出的兩次發(fā)射時間間隔就大些.【正解】在B中看，A是運動的，所以A中時間的流逝慢，于是A中的2s在B中應(yīng)該是2/≈s【思維提升】一定要注意：在狹義相對論的范疇內(nèi)，最小的時間間隔是固有時間間隔，即在與事件相對靜止的參考系中所測量得到的兩事件的時間間隔或一事件持續(xù)的時間是固定的.●映射高考真題1．（2022上海物理7）．電磁波包含了射線、紅外線、紫外線、無線電波等，按波長由長到短的排列順序是（ ）（A）無線電波、紅外線、紫外線、射線（B）紅外線、無線電波、射線、紫外線（C）射線、紅外線、紫外線、無線電波（D）紫外線、無線電波、射線、紅外線【答案】A【解析】電磁波譜波長由長到短的排列順序是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、射線，選項A正確．2.（2022年江蘇物理12）．B（1）如圖甲所示，強強乘電梯速度為（為光速）的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為．（填寫選項前的字母）【答案】C【解析】：光速不變原理●同步過關(guān)訓(xùn)練1．關(guān)于狹義相對論的說法，不正確的是()A．狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B．狹義相對論認為在一切慣性系中，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．狹義相對論任何情況下都適用答案：D圖12．一根10m長的梭鏢以相對速度穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的．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．所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān)解析：如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，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——依賴于你的參考系．答案：D3．一固有長度為4.0m的物體，若以速率0.60c沿x軸相對某慣性系運動，試問從該慣性系來測量A．4.0m BC．3.2m D解析：根據(jù)公式L＝L′eq\r(1－\f(v,c)2)＝m.答案：C4．沿鐵道排列的兩電桿正中央安裝一閃光裝置，光信號到達一電桿稱為事件1，到達另一電桿稱為事件2.從地面上的觀察者和向右運動的車廂中的觀察者看來，兩事件是()A．在地面觀察者看來，事件1先發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2與事件1同時發(fā)生B．在地面觀察者看來，事件2先發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2與事件1同時發(fā)生C．在地面觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2比事件1后發(fā)生D．在地面觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2比事件1先發(fā)生圖2解析：從地面上的觀察者看來，光源在兩根電桿的正中央，光信號向兩電桿傳播的速度相同，因此，光信號同時到達兩電桿．從運動車廂中的觀察者看來，運動車廂是個慣性系，地面和電桿都在向左運動(如圖2所示)，光信號向左右兩側(cè)傳播速度相同(光速不變原理)．在光信號向兩側(cè)傳播的過程中，地面及兩個電桿都向左運動了一段距離，所以光信號先到達電桿2，后到達電桿1.答案：D5．如圖3所示，一輛由超強力電池供電的摩托車和一輛普通有軌電車，都被加速到接近光速．在我們的靜止參考系中進行測量，哪輛車的質(zhì)量將增大()圖3A．摩托車 B．有軌電車C．兩者都增加 D．都不增加解析：在相對論中物體質(zhì)量增大只是發(fā)生在給它不斷輸入能量的時候，而不一定是增加速度的時候．對有軌電車，能量通過導(dǎo)線，從發(fā)電廠源源不斷輸入；而摩托車的能源卻是它自己帶的．能量不斷從外界輸入有軌電車，但沒有能量從外界輸給摩托車．能量相應(yīng)于質(zhì)量．所以有軌電車的質(zhì)量將隨速度的增加而增大，而摩托車的質(zhì)量不會隨速度的增加而增大．答案：B6．把一個靜止質(zhì)量為m0的粒子，由靜止加速到0.6c(c為真空中的光速)，需做的功為A．0.18m0c2 BC．0.36m0c2 D解析：加速到時，m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))＝，粒子的動能為Ek＝(m－m0)c2＝.答案：B7．一種電磁波入射到半徑為1m的孔上，可發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，A．γ射線 B．可見光C．無線電波 D．紫外線解析：根據(jù)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件可知障礙物或孔的尺寸和波長相差不多或比波長還要?。姶挪ㄗV中無線電波的波長范圍大約在104～10－2m，而紅外線的波長范圍大約在10－1～10－6m，可見光、紫外線、γ射線的波長更短．故只有無線電波才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象．即選C.答案：C8．雷達是用來對目標(biāo)進行定位的現(xiàn)代化定位系統(tǒng)．海豚也具有完善的聲吶系統(tǒng)，它能在黑暗中準(zhǔn)確而快速地捕捉食物，避開敵害，遠遠優(yōu)于現(xiàn)代化的無線電系統(tǒng)．(1)海豚的定位是利用了自身發(fā)射的()A．電磁波 B．紅外線C．次聲波 D．超聲波(2)雷達的定位是利用自身發(fā)射的()A．電磁波 B．紅外線C．次聲波 D．光線解析：(1)海豚能發(fā)射超聲波，它是一種頻率高于2×104Hz的聲波，它的波長非常短，因而能定向發(fā)射，而且在水中傳播時因能量損失小，要比無線電波和光波傳得遠．海豚就是靠自身發(fā)出的超聲波的回聲來在混濁的水里準(zhǔn)確確定遠處的小魚位置而猛沖過去吞食，選D.(2)雷達是一個電磁波的發(fā)射和接收系統(tǒng)．因而是靠發(fā)射電磁波來定位的，選A.答案：(1)D(2)A9．設(shè)想地球上有一觀察者測得一宇宙飛船以0.60c的速率向東飛行，s后該飛船將與一個以0.80c的速率向西飛行的彗星相碰撞．(1)飛船中的人測得彗星將以多大的速率向它運動？(2)從飛船中的時鐘來看，還有多少時間允許它離開航線，以避免與彗星碰撞？解析：(1)取地球為S系，飛船為S′系．向東為x軸正向．則S′系相對S系的速度v＝，彗星相對S系的速度ux＝－，由速度變換可得所求結(jié)果．所以u′x＝eq\f(v－ux,\f(vux,c2)－1)＝－，即彗星以的速率向飛船靠近．(2)把t0＝t′0＝0時的飛船狀態(tài)視為一個事件，把飛船與彗星相碰視為第二個事件．這兩個事件都發(fā)生在S′系中的同一地點(即飛船上)，飛船上的觀察者測得這兩個事件的時間間隔Δt＝s比固有時間要長，根據(jù)時間延緩效應(yīng)可求出Δt′.即Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))s＝5s，解得Δt′＝s，即從飛船上的時鐘來看，尚有s的