備戰(zhàn)2019年高考物理 高頻考點(diǎn)解密 專題19 電磁波相對(duì)論教學(xué)案
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1、專題19 電磁波 相對(duì)論 核心考點(diǎn) 考綱要求 電磁波的產(chǎn)生 電磁波的發(fā)射、傳播和接收 電磁波譜 狹義相對(duì)論的基本假設(shè) 質(zhì)能關(guān)系 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ 考點(diǎn)1 電磁波與電磁振蕩 一、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論 1.理論內(nèi)容 變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng),變化的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)這個(gè)理論,周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互聯(lián)系,交替產(chǎn)生,形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體,即電磁場(chǎng)。 2.深度理解 (1)恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)。 (2)恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)。 (3)均勻變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)。 (4)均勻變化的電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。 (5)振蕩電
2、場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)。 (6)振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)。 3.相關(guān)概念及判斷方法 (1)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)叫感應(yīng)電場(chǎng);變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)叫感應(yīng)磁場(chǎng)。 (2)感應(yīng)電場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)的場(chǎng)線都是閉合的曲線,而且互相正交、套連。 (3)感應(yīng)電場(chǎng)的方向可由楞次定律判定,感應(yīng)磁場(chǎng)的方向可由安培定則判定。 二、電磁波 1.電磁波的產(chǎn)生 如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場(chǎng),救護(hù)在空間引起周期性變化的磁場(chǎng),這個(gè)周期性變化的磁 場(chǎng)又會(huì)在較遠(yuǎn)的空間引起新的周期性變化的電場(chǎng),新的周期性變化的電場(chǎng)又會(huì)在更遠(yuǎn)的空間引起新的周期性變化的磁場(chǎng)······這樣,電磁場(chǎng)就由遠(yuǎn)及近向周?chē)臻g傳播開(kāi)去,
3、形成了電磁波。 2.電磁波的特性 (1)電磁波的傳播不需要介質(zhì),可在真空中傳播,在真空中不同頻率的電磁波傳播速度是相同的(都等于光速)。 (2)不同頻率的電磁波,在同一介質(zhì)中傳播,其速度是不同的,頻率越高,波速越小。 (3)電磁波的頻率f、波長(zhǎng)λ和波速v的關(guān)系:v=λf。 (4)電磁波是橫波,具有波的特性,能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。 3.無(wú)線電波的發(fā)射與接收 無(wú)線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無(wú)線電波。無(wú)線電波的波長(zhǎng)從幾毫米到幾十千米。根據(jù)波長(zhǎng)(或頻率),通常將無(wú)線電波分成幾個(gè)階段,每個(gè)波段的無(wú)線電波分別有不同的用途。 (1)無(wú)線電波的發(fā)射 ①有效發(fā)射電磁波的條件:高頻振蕩;開(kāi)放電路
4、(如圖所示)。 ②調(diào)制:在無(wú)線電傳播技術(shù)中,首先將聲音、圖象等信息通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào),但這種電信號(hào)頻率低,不能用來(lái)直接發(fā)射電磁波,所以要把傳遞的低頻率電信號(hào)“加”到高頻電磁波上,使電磁波的頻率或振幅隨各種信號(hào)而改變,這種使電磁波隨各種信號(hào)而改變的基數(shù)叫調(diào)制。 調(diào)制的兩種方式:調(diào)幅和調(diào)頻。使高頻振蕩的振幅隨信號(hào)而改變叫做調(diào)幅;使高頻振蕩的頻率隨信號(hào)而改變的叫調(diào)頻。 (2)無(wú)線電波的接收 無(wú)線電波的接收必須采用調(diào)諧電路,如圖所示,調(diào)諧電路由可變電容器、電感線圈、天線、地線等幾部分組成。 ①電諧振:當(dāng)接收到的電磁波的頻率跟接收電路的固有頻率相同時(shí),接收電路中產(chǎn)
5、生的振蕩電流最強(qiáng),這種現(xiàn)象叫做電諧振。 ②調(diào)諧:調(diào)諧電路的固有頻率可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變,將調(diào)諧電路的頻率調(diào)節(jié)到與需要接收的某個(gè)頻率的電磁波相同,使接收電路產(chǎn)生電諧振,這一過(guò)程叫做調(diào)諧。 ③解調(diào):從接收到的高頻振蕩中分離出所攜帶的信號(hào)的過(guò)程叫做解調(diào)。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程。調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。 ④無(wú)線電波接收的全過(guò)程:天線接收到所有的電磁波,經(jīng)調(diào)諧選擇出所需要的電磁波,再經(jīng)過(guò)解調(diào)取出攜帶的信號(hào),信號(hào)經(jīng)放大后再還原成聲音或圖象。 4.電磁波譜分析及電磁波的應(yīng)用 電磁波譜 頻率/Hz 真空中波長(zhǎng)/m 特性 應(yīng)用 遞變規(guī)律 無(wú)線電波 <3×1011 >10–3 波動(dòng)性強(qiáng),
6、易發(fā)生衍射 無(wú)線電技術(shù) 紅外線 1011~1015 10–3~10–7 熱效應(yīng) 紅外遙感 可見(jiàn)光 1015 10–7 引起視覺(jué) 照明、攝影 紫外線 1015~1017 10–7~10–9 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 1016~1019 10–8~10–11 貫穿本領(lǐng)強(qiáng) 檢查、醫(yī)用透視 γ射線 >1019 <10–11 貫穿本領(lǐng)最強(qiáng) 工業(yè)探傷、醫(yī)用治療 特別提醒: ①波長(zhǎng)不同的電磁波,表現(xiàn)出不同的特性。其中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無(wú)線電波和紅外線等,易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象;波長(zhǎng)較短的紫外線、X射線、γ射線等,穿透能力較強(qiáng)。
7、②電磁波譜中,相鄰兩波段的電磁波的波長(zhǎng)并沒(méi)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(jī)理不同。 5.電磁波與機(jī)械波的比較 名稱 項(xiàng)目 電磁波 機(jī)械波 研究對(duì)象 電磁現(xiàn)象 力學(xué)現(xiàn)象 產(chǎn)生 由周期性變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生 由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生 波的特點(diǎn) 橫波 縱波或橫波 波速 在真空中等于光速(很大)(c=3×108 m/s) 在空氣中不大(如聲波波速一般為340 m/s) 介質(zhì)需要 不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播) 必須有介質(zhì)(真空中不能傳播) 能量傳播 電磁能 機(jī)械能 三、電磁振動(dòng) 1.LC振蕩電路 由自感線圈和電
8、容器組成的電路就是最簡(jiǎn)單的振蕩電路,簡(jiǎn)稱LC電路。如圖所示,先將開(kāi)關(guān)S和1接觸,開(kāi)關(guān)閉合后電源給電容器C充電,然后將S和2接觸,在LC電路中就出現(xiàn)了大小與方向都做周期性變化的振蕩電路。在產(chǎn)生電流的過(guò)程中,電容器極板上的電荷q、電路中的電流i、電容器內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度E和線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B都發(fā)生周期性變化,這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩。 (1)從振蕩的表象上看:LC振蕩過(guò)程實(shí)際上是通過(guò)線圈L對(duì)電容器C充、放電的過(guò)程。 (2)從屋里本質(zhì)上看:LC振蕩過(guò)程實(shí)質(zhì)上是磁場(chǎng)能和電場(chǎng)能之間通過(guò)充、放電的形式相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。 2.電磁振蕩的規(guī)律 LC電路中電場(chǎng)振蕩的規(guī)律可用下圖表示。(圖中↗表示增大,↘表示減
9、?。? 3.電磁振蕩的周期和頻率 與力學(xué)中的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)類(lèi)似,如果沒(méi)有能量損失,也不受外界影響,電磁振蕩的周期與頻率由振蕩電路本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)所決定,因此稱這個(gè)周期與頻率為固有周期與固有頻率,LC電磁振蕩的周期和頻率公式為T(mén)=2π,頻率。 4.電磁振蕩規(guī)律的分析 (1)電磁振蕩中各物理量的變化規(guī)律分析 LC電路中的振蕩電流i、線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電容器極板上的電荷量q、電容器兩端的電壓u、極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E均是隨時(shí)間按正弦(或余弦)規(guī)律做周期性變化的,如圖所示。 LC電路中各物理量的變化規(guī)律如下表所示。 電路狀態(tài) 時(shí)刻 0 電荷量
10、最大 0 最大 0 最大 電壓 最大 0 最大 0 最大 電場(chǎng)能 最大 0 最大 0 最大 電流 0 正向最大 0 反向最大 0 磁場(chǎng)能 0 最大 0 最大 0 振蕩電路中的電容為30~390 pF,電感為88.6×10–3 H,振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的周期在什么范圍內(nèi)?如果電容器的電容為C1時(shí),電路中的最大電流為I1,保持電容器的最大帶電荷量不變,突然將C1減小到C2,電路中的最大電流為I2,試比較I1與I2。 【參考答案】1.0×10–6~3.69×10–6 s I2>I1 【試題解析】T=2π T1=2π=2×3
11、.14×=1.0×10–6 s T2=2π=2×3.14×=3.69×10–6 s 則其周期的范圍為:1.0×10–6~3.69×10–6 s。 當(dāng)電容器的電容突然減小時(shí),放電速度加快,則周期變小,而一個(gè)周期通過(guò)電路的電荷量總量不變,所以電流會(huì)增大,則I2>I1。 1.(2018·甘肅省蘭州第一中學(xué))下列說(shuō)法中正確的是 A.紅外線易穿透云層,故廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)領(lǐng)域 B.醫(yī)院用X光進(jìn)行透視,是因?yàn)樗拇┩改芰^強(qiáng) C.相對(duì)論認(rèn)為:真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的 D.在高速運(yùn)動(dòng)的飛船中的宇航員會(huì)發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上的快 【答案】ABC 2.(20
12、18·浙江省湖州市)如圖所示的振蕩電路中,某時(shí)刻電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針,則以下判斷正確的是 A.若板帶正電,則電流在增大 B.若電容器在放電,則電流在減小 C.若電流減小,則線圈兩端電壓減小 D.若只減小電容,則振蕩電流周期變小 【答案】D 考點(diǎn)2 狹義相對(duì)論 1.狹義相對(duì)論的基本假設(shè) (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 2.時(shí)間間隔的相對(duì)性 3.長(zhǎng)度的相對(duì)性 4.相對(duì)論的速度變換公式 5.相對(duì)論質(zhì)量 6.質(zhì)能方程E=mc2 7.對(duì)狹義相對(duì)論的理解 (1)慣性系:如果牛頓運(yùn)動(dòng)定律在某個(gè)參
13、考系中成立,這個(gè)參考系叫做慣性系。相對(duì)一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系。 (2)光速的大小與選取的參考系無(wú)關(guān),因?yàn)楣馑偈菑柠溈怂鬼f方程組中推導(dǎo)出來(lái)的,無(wú)任何前提條件。 (3)狹義相對(duì)論認(rèn)為物體的質(zhì)量m與物體的速度v有關(guān),其關(guān)系式為。 如圖所示,在地面上M點(diǎn)固定一光源,在離光源等距的A、B兩點(diǎn)上固定有兩個(gè)光接收器,今使光源發(fā)出一閃光,問(wèn): (1)在地面參考系中觀測(cè),誰(shuí)先接收到光信號(hào)? (2)在沿AB方向高速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)參考系中觀測(cè),誰(shuí)先接收到光信號(hào)? 【參考答案】(1)同時(shí)接收到 (2)A先接收到 【試題解析】在地面上的觀察者看來(lái),光源距離A、B等距,光信號(hào)
14、向兩電桿傳播的速度相同,因此, 1.(2018·江蘇省南京市六校聯(lián)合體)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘,飛船和地球上的人觀測(cè)這兩只鐘的快慢,下列說(shuō)法正確的有 A.飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較慢 B.飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較快 C.地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較快 D.地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較慢 【答案】BC 【解析】飛船上的人是以飛船為參考系,故地球是高速運(yùn)動(dòng)的,根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程的運(yùn)動(dòng)延時(shí)效應(yīng),飛船上的人觀測(cè)到地球上的鐘較慢,即飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較快,A錯(cuò)誤B正確;地球上的人以地球?yàn)閰⒖枷?,認(rèn)為飛船高速運(yùn)動(dòng),同樣根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程的運(yùn)動(dòng)延
15、時(shí)效應(yīng),飛船上的鐘較慢,故地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較快,C正確D錯(cuò)誤。 2.(2018·湖南省五市十校)根據(jù)相對(duì)論判斷,下列說(shuō)法正確的是 A.狹義相對(duì)論全面否定了經(jīng)典力學(xué)理論 B.如果物體在地面上靜止不動(dòng)。任何人在任何參考系里測(cè)出的物體長(zhǎng)度都是一樣的 C.真空中的光速在不同的慣性參考系中也是不同的 D.物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量總要大于靜止時(shí)的質(zhì)量 【答案】D 1.(2017·江蘇卷)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘,飛船和地球上的人觀測(cè)這兩只鐘的快慢,下列說(shuō)法正確的有 A.飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較快 B.飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較慢 C.地球上的人觀
16、測(cè)到地球上的鐘較快 D.地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較慢 【答案】AC 【解析】飛船相對(duì)地球高速運(yùn)動(dòng),所以地球上的人觀測(cè)飛船上的時(shí)鐘較慢,而地球相對(duì)飛船高速運(yùn)動(dòng),所以飛船上的人認(rèn)為地球上的時(shí)鐘較慢,所以AC正確,BD錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】本題主要考查狹義相對(duì)論時(shí)間間隔的相對(duì)性,注意運(yùn)動(dòng)的相對(duì)的,飛船相對(duì)地球高速運(yùn)動(dòng),地球也相對(duì)飛船高速運(yùn)動(dòng)。 2.(2016·新課標(biāo)全國(guó)Ⅱ卷)關(guān)于電磁波,下列說(shuō)法正確的是 A.電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無(wú)關(guān) B.周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā),形成電磁波 C.電磁波在真空中自由傳播時(shí),其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直 D.
17、利用電磁波傳遞信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信,但電磁波不能通過(guò)電纜、光纜傳輸 E.電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生,若波源的電磁振蕩停止,空間的電磁波隨即消失 【答案】ABC 【解析】電磁波在真空中的傳播速度即為真空中的光速,與頻率無(wú)關(guān),A正確;根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論,B正確;電磁波是橫波,其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直,C正確;電磁波可以通過(guò)全反射在光纜中傳播,D錯(cuò)誤;波源停止振動(dòng),波會(huì)繼續(xù)傳播,直到能量為零,E錯(cuò)誤。 3.(2016·北京卷)下列說(shuō)法正確的是 A.電磁波在真空中以光速c傳播 B.在空氣中傳播的聲波是橫波 C.聲波只能在空氣中傳播 D.光需要介質(zhì)才能傳播 【答案】A 14
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