电磁波与相对论(含答案)

第5课时 电磁波与相对论导学目标 1.掌握麦克斯韦电磁场理论的两个要点，理解电磁波的概念.2.掌握电磁波的产生及其传播、发射和接收，掌握电磁波谱.3.掌握狭义相对论的基本假设和几个重要结论，以及相对论质能关系式．一、电磁场与电磁波 [基础导引]麦克斯韦关于电磁场理论的主要论点是什么？请用麦克斯韦的电磁场理论说明电磁波是怎样产生的． [知识梳理]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．电磁场变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场和磁场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)由近及远地传播形成电磁波． (1)电磁波是______波，在空间传播__________介质． (2)真空中电磁波的速度为________ m/s. 二、无线电波的发射和接收 [知识梳理]1．发射电磁波的条件(1)要有足够高的振荡频率；(2)电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间． 2．调制有________和________两种方式，________是调制的逆过程． 三、相对论的简单知识 [基础导引]火箭以0.75c 的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号．火箭上测得光离开的速度是c ，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对论原理呢？ [知识梳理]1．狭义相对论的基本假设(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．2．时间间隔的相对性Δt ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2.3．长度的相对性l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫vc 2.图14．相对论的速度变换公式u＝u ′＋v1＋u ′v c2.5．相对论质量m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2.6．质能方程E ＝mc 2.考点一 对麦克斯韦电磁场理论与电磁波的理解 考点解读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，速度越小．(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. 典例剖析例1 (1)某空间出现了如图1所示的一组闭合的电场线，这可能是 ( ) A ．沿AB 方向磁场在迅速减弱 B ．沿AB 方向磁场在迅速增强 C ．沿BA 方向磁场在迅速增强 D ．沿BA 方向磁场在迅速减弱 (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？跟踪训练1 某电路中电场随时间变化的图象如下图所示，能产生电磁波的电场是 ( )考点二电磁波谱的分析及电磁波的应用考点解读Array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．典例剖析例2目前电能都是通过电网采用有线方式传输的．人们一直梦想无线传输电能，梦想在日常生活中实现无线充电，甚至不用电池．现在，一个科学研究小组在实验室中取得了可喜的进展，也许，人类的这一梦想不久就能实现．(1)实现无线传输能量，涉及能量的________、传播和接收．(2)科学家曾经设想通过高耸的天线塔，以无线电波的形式将电能输送到指定地点，但一直没有在应用层面上获得成功，其主要原因是这类无线电波() A．在传输中很多能量被吸收B．在传播中易受山脉阻隔C ．向各个方向传输能量D ．传输能量易造成电磁污染(3)如果像无线广播那样通过天线塔输送电能，接收器获得的功率P 和它到天线塔的距离s①上表中的x ＝________，y ＝________.②根据表中的数据可归纳出P 和s 之间的关系式为__________．(4)为研究无线传输电能，某科研小组在实验室试制了无线电能传输装置，在短距离内点亮了灯泡，如图2所示．实验测得，接在乙线圈上的用电器获得的电能为输入甲线圈电能的35%.图2①若用该装置给充电功率为10 W 的电池充电，则损失的功率为________W.②若把甲线圈接入电压为220 V 的电源，测得该线圈中的电流为0.195 A ．这时，接在乙线圈上的灯泡恰能正常发光，则此灯泡的功率为________W.(5)由于在传输过程中能量利用率过低，无线传播电能还处于实验室阶段．为早日告别电线，实现无线传输电能的工业化，还需解决一系列问题，请提出至少两个问题． 跟踪训练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不同，可以在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射B ．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 考点三 对质能方程和相对论的理解 考点解读质能方程表达了物体的质量和它所具有能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应，具体从以下几个方面理解：1．静止物体的能量为E 0＝m 0c 2，这种能量叫做物体的静质能．每个有质量的物体都具有静质能．2．对于一个以速率v 运动的物体，其动能E k ＝m 0c 2[11－v 2c 2－1]．3．物体的总能量E 为动能与静质能之和，即 E ＝E k ＋E 0＝mc 2(m 为动质量)．图34．由质能关系式可知ΔE ＝Δmc 2. 典例剖析例3 一个原来静止的电子，经过100 V 的电压加速后它的动能是多少？质量改变了百分之几？速度是多少？跟踪训练3 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的 ( ) ①一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；②质量、长度、时间的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变；③惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些． A ．①③是正确的 B ．①②是正确的 C ．①②③是正确的 D ．②③是正确的A 组 电磁波及其应用1．下列说法正确的是 ( ) A ．用分光镜观测光谱是利用光折射时的色散现象 B ．用X 光机透视人体是利用光的反射现象 C ．光导纤维传输信号是利用光的干涉现象 D ．门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象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3. 如图3所示是一电子感应加速器的示意图，实线表示通电螺线管的 横截面，螺线管中通以图示方向的电流，线圈内产生匀强磁场，电 子在该磁场中做匀速圆周运动，如虚线所示． (1)指出电子运转方向；(2)当螺线管中电流i 增大时，电子的动能如何变化？B 组 相对论4．太阳在不断地向外辐射能量，因而其质量也在不断地减少．若太阳每秒钟辐射的总能量为4×1026 J ，试计算太阳在1 s 内失去的质量，估算5 000年内其质量总共减小了多少，并与太阳的总质量2×1027 t 比较之． 5．如图4所示，考虑几个问题：图4(1)如参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？课时规范训练(限时：30分钟)1．设某人在速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是() A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向的地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c2．(2010·上海·7)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3．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4．电磁波与声波比较() A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关5．关于红外线的作用与来源，下列说法正确的是() A．一切物体都在不停地辐射红外线B．红外线具有很强的热作用和荧光作用C．红外线的显著作用是化学作用D．红外线容易穿透云雾6．(2010·江苏单科·12B(1))激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛．下面关于激光的叙述正确的是() A．激光是纵波B．频率相同的激光在不同介质中的波长相同C．两束频率不同的激光能产生干涉现象D．利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离7．目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内，下列关于雷达和电磁波说法正确的是() A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m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D．波长越短的电磁波，反射性能越强8．关于电磁场和电磁波，下列说法中不正确的是() A．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者相互联系，统称为电磁场B．电磁场从发生区域由近及远的传播就形成了电磁波C．电磁波是一种物质，可在真空中传播．所以说真空中没有实物粒子，但有“场”这种特殊物质D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s9．关于紫外线的以下说法中正确的是() A．照射紫外线可增进人体对钙质的吸收，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射B．紫外线是一种可见光C．紫外线有很强的荧光效应，可用来防伪D．紫外线有杀菌消毒的作用，是因为其有热效应10．关于γ射线，以下说法中正确的是() A．比伦琴射线频率更高，穿透能力更强B．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11．一以接近光速相对地球飞行的宇宙飞船，在地球上观察到飞船长度缩短，在飞船中将观察到地球上的长度() A．伸长B．缩短C．不变D．无法确定复习讲义基础再现一、基础导引麦克斯韦关于电磁场理论的两大支柱是：(1)变化的磁场产生电场．(2)变化的电场产生磁场．根据这两个基本论点，麦克斯韦进一步推断：如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化的电场的产生，如此下去，变化的电场和变化的磁场交替产生，从而形成由近及远传播的电磁波．由于家庭用的是正弦交流电，电场会不断变化，故使用时将会产生电磁波．知识梳理 3.(1)横不需要(2)3×108二、知识梳理 2.调幅调频解调三、基础导引根据速度合成法则，地球上测得的光速为c－0.75c＝0.25c.根据狭义相对论光速不变原理，光速大小与光源运动状态无关，所以地球上实际测得的光速为c.本题的主旨是让学生深入体会光速不变原理．课堂探究例1(1)AC(2)①0.3 m～1.5 m②能跟踪训练1 D例2(1)发射(2)C(3)①864②Ps2＝1 600(4)①18.6②15.0(5)仪器体积过大、对人体有伤害、传输距离太短等．跟踪训练2ABCD例3 1.6×10－17 J0.02% 5.9×106 m/s跟踪训练3C分组训练1．A 2.A3．见解析解析(1)由安培定则知，螺线管中电流产生的磁场方向垂直于纸面向里，而电子运转的向心力由洛伦兹力提供，由左手定则可判断，电子的运转方向是顺时针的，即电子的运转方向与螺线管中电流的方向相同．(2)当电流i增大时，产生的感应电场方向是逆时针方向，与电子运转方向相反，对电子做正功，电子的动能增大．4.49×1010 kg7.008×1020 kg比太阳的总质量小得多＝7.008×10202×1027×103＝3.504×10－10，比值很微小．5．(1)c(2)c(3)c课时规范训练1．CD 2.A3．B 4．ABC 5．AD 6．D 7．ACD 8．A 9．C 10．ABC 11．B。