1、第4讲 电磁场与电磁波 相对论简介 考点1 电磁场与电磁波 1.麦克斯韦理论(1)变化的磁场产生_.(2)变化的电场产生_.(3)变化的电场和磁场总是相互联系的，形成_.电场 磁场 电磁场 2.电磁波的形成和传播特点(1)电磁场由近及远的传播而形成_.(2)_从理论上预言了电磁波的存在，_用实验 成功地证实了电磁波的存在(3)电磁波的特点.电磁波在空间传播_介质；电磁波中的磁感应强度方向和电场强度的方向与传播 方向_，电磁波是_.电磁波传播电磁场的_.电磁波能发生反射、折射、_、_、多普勒效应等现象.(4)电磁波在真空中的传播速度为_.电磁波 麦克斯韦 赫兹 不需要 垂直 横波 能量 干涉 衍
2、射 3.0108 m/s 1.对电磁理论的进一步认识(1)恒定的磁(电)场不能产生电(磁)场.(2)变化的磁(电)场产生电(磁)场.(3)均匀变化的磁(电)场产生稳定的电(磁)场.(4)周期性变化即振荡的磁(电)场产生同频率的周期性变化的电(磁)场.(5)周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系，形成一个不可分离的统一的场，就是电磁场(6)变化磁场在周围空间产生的电场为感应电场(也叫涡旋电场)，与由电荷激发的静电场不同，它的电场线是闭合的，它的存在与空间有无导体或闭合电路无关.(7)电磁场是一个动态的整体，电场与磁场不可分割，其磁感线和电场线都是闭合曲线；如果把静电场与静磁场在同一个区域叠加
3、，不能形成电磁场.2.电磁波与机械波的比较 电 磁 波 机 械 波 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，传播不需要介质 由质点的振动产生，需要介质进行传播 周期性 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化 介质中各质点的位移随时间和空间做周期性变化 分类横波 横波或纵波 波速真空中速 度最大等于光速 空气中速度很小 传播电磁能 机械能 关于麦克斯韦电磁场理论，下面几种说法正确的是()A在电场周围空间一定产生磁场 B任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场 C均匀变化的电场周围空间能产生变化的磁场 D振荡电场在它的周围空间一定产生同频率的振荡磁场【解析】选D.恒定的
4、电场周围不能产生磁场，A错；变化的电场周围一定产生磁场，如果电场是均匀变化的，产生的磁场是恒定的，B、C错；如果电场是周期性变化的，将产生同频率变化的磁场，D对 考点2 电磁波的产生、发射和接收 1.振荡电路(1)作用：产生大小和方向都做_变化的电流，从而产生_变化的电场和磁场.(2)特点 振荡频率_；采用_.周期性 周期性 足够高 开放电路 2.无线电波的调制 使电磁波随各种信号而改变，有_和_两种方式.3.无线电波的接收(1)电谐振：接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相 同时，接收电路中产生的_最强(2)调谐：使接收电路产生_的过程(3)检波：从高频振荡中“检”出所携带的信号，是_的
5、逆过 程(4)无线电波的应用：如电视和雷达等 调幅 调频 振荡电流 电谐振 调制 4.电磁波谱 电磁波是一个庞大的家族，按照频率从小到大的电磁波谱为无 线电波、_、可见光、_、X射线、射线不同电 磁波产生机理不同，它们各具特色，使人们生活充满色彩 红外线 紫外线 电磁波谱的分析与应用 电磁 波谱 特性 应用 真空中 波长/m 频率/Hz 递变 规律 无线 电波 波动性强，易发生衍射 无线电技术 10-3 3 1011 红外线 热效应 红外线 遥感 10-310-7 1011 1015 电磁波谱特性应用真空中 波长/m 频率/Hz 递变规律可见光 引起视觉 照明、摄影 10-7 1015 紫外线
6、 化学效应、荧光效应、能杀菌 医用消毒、防伪 10-710-9 1015 1017 X射线 贯穿性强 检查、医用 透视 10-810-11 1016 1019 射线 贯穿性 最强 工业探伤、医用治疗 1019(2012南京模拟)关于电磁波谱，下列说法中错误的是()A红外线比红光波长长，它的热作用很强 BX射线就是伦琴射线 C阴极射线是一种频率极高的电磁波 D紫外线的波长比伦琴射线长，它的显著作用是荧光效应【解析】选C.在电磁波谱中，红外线的波长比可见光长，而红光属于可见光，A对；阴极射线与电磁波有着本质不同，电磁波在电场、磁场中不偏转，而阴极射线在电场、磁场中会偏转，电磁波在真空中的速度是31
7、08 m/s，而阴极射线的速度总是小于3108 m/s，阴极射线的实质是高速电子流，C错；X射线就是伦琴射线，是高速电子流射到固体上产生的一种波长很短的电磁波，B对；紫外线的显著作用是荧光效应，而伦琴射线的显著作用是穿透作用，D对，故选C.考点3 相对论简介 1.狭义相对论的两个基本原理(1)相对性原理：所有惯性系中，物理规律都是_.(2)光速不变原理：相对于所有的惯性参考系，真空中的光速是_ 2.“钟慢尺缩”效应(1)时间间隔的相对性：t=_.(2)长度的相对性：l=_.相同的 相等的 22t/1v/c220 1v/cl3.狭义相对论的其他结论(1)质量与速度的关系：m=_.(2)能量与速度
8、的关系：E=_.(3)质能方程：E0=_.E=_.220m/1v/c220E/1v/cm0c2 mc2 对“钟慢尺缩”效应的进一步认识 1.“同时”的相对性(1)由光速不变原理得到不同的时间间隔即对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面上的观察者就不是同时的；(2)地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车上的观察者也不是同时的.2.“钟慢尺缩”效应(1)运动时钟变慢是对两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要误认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了,运动时钟变慢完全是相对的.(2)长度的相对性(动尺缩短).是“同时”的相对性带来的一个普遍的时空
9、属性，它与物体的具体组成和结构无关，物体运动速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著.长度缩短效应只发生在相对运动的方向上，在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化，这种长度的变化是相对的，如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了.属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()A.真空中光速不变 B.时间间隔具有相对性 C.物体的质量不变 D.物体的能量与质量成正比【解析】选A.狭义相对论的两条基本假设是狭义相对性原理和光速不变原理，A正确；B是在光速不变原理基础上得出的时间的相对性，C、D是质速关系和质能关系，且在不同的惯性系中，质量不同
10、，C错，B、C、D都不属于基本假设，故选A.麦克斯韦理论的应用【例证1】(2012三明模拟)如图所示是一个水平放置的玻璃环形小槽，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同，现将一直径略小于槽的宽度的带正电的小球放入槽内，小球以初速度v0开始逆时针运动，与此同时有一个变化的磁场竖直向下穿过小槽包围的空间，已知磁场均匀增大，小球在运动过程中带电量不变，则()A小球动能不变 B小球动能增加 C磁场力对小球做功 D小球受到的磁场力不变【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)将玻璃环假设为一个闭合回路.(2)据电磁场理论判断感应电场的方向，从而分析做功情况.【规范解答】选B.由麦克斯韦电磁场理论知均匀变化的磁
11、场产生恒定的电场，据楞次定律可知产生的电场为逆时针方向，电场力与初速度方向一致，电场力对小球做正功，动能增加，A错B对；洛伦兹力始终不做功，C错；又据F洛qvB知小球受到的磁场力不断增大，D错 【总结提升】变化的磁场感应出电场的分析思路(1)由麦克斯韦的电磁场理论可知变化的磁场会产生电场，且感应出的电场的电场线是闭合的，能够对处在此电场中的带电粒子做功，因此可假设一个闭合回路.(2)利用楞次定律判定感应电流的方向，从而确定该处的电场方向，进一步判断感应电场对带电粒子的做功问题.机械波与电磁波的异同【例证2】有两部手机A和B，当用手机A(或B)拨打B(或A)的号码时，既能听到手机B(或A)的铃声
12、，又能看到B(或A)的显示屏上显示出A(或B)的号码.现将手机A放到一个透明的玻璃罩内，并将其内部抽成真空，再用手机B拨打手机A，则下列说法正确的是()A.既能听到A的铃声，又能看到A的显示屏上显示出B的号码 B.能听到A的铃声，但不能看到A的显示屏上显示出B的号码 C.不能听到A的铃声，但能看到A的显示屏上显示出B的号码 D.既不能听到A的铃声，也不能看到A的显示屏显示出B的号码【解题指南】解答本题应明确以下两点：(1)手机接收的信号是电磁波.(2)手机的铃声是机械波.【自主解答】选C.电磁波传播不需要介质，因此A能接收呼叫信号，故显示屏显示B的号码，但由于处在真空中，没有介质不能形成机械波
13、，故喇叭的振动不能形成声波，故选C.【总结提升】解答本题的关键是要区分各种信号传播的条件，能对机械波与电磁波的异同加以区分，对易错选项及错误原因具体分析如下：易错角度 错误原因 易错选A 选易错选项A主要原因是认为电磁波的传播不需要介质，因此手机A能收到信号，但不知手机发声是喇叭振动,需要介质的传播才能形成声波，才能听到铃声 狭义相对论的理解【例证3】(2011江苏高考)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【解
14、题指南】解答本题应明确以下两点：(1)列车是高速运行，相对论效应开始显现.(2)狭义相对论中同时的相对性.【规范解答】选C.列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C,而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确.【总结提升】相对论问题的分析思路 分析相对论问题的基本方法是狭义相对论的两个基本原理及基本关系，因此复习过程中要熟记两个基本原理、理解时间和空间的相对性，知道质速关系、质能关系、相对论质能关系式，应该认识到经典物理的绝对时空观是相对论时空观在速度远小于光速条件下的一种情形.考查内容与电磁场理论相联系的实际问题
15、【例证】电子感应加速器 是利用变化磁场产生的电 场来加速电子的如图所 示，在圆形磁铁的两极之 间有一环形真空室，用交 变电流作电源充磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在 环形室内产生很强的电场，使电子加速被加速的电子同时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动，设法把高能电子引入靶室，能使其进一步加速在一个半径为r0.84 m的电子感应加速器中，电子在被加速的4.210-3 s时间内获得的能量为120 MeV，这期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，磁通量从零增加到1.8 Wb，求：(1)电子在环形真空室中共绕行了多少周？(2)有人说，根据麦克斯韦电磁场理论及法拉第电磁感应定律，电子感应加速器要
16、完成电子的加速过程，电子轨道内的高频交变磁场也可以是线性减弱的，效果将完全一样，你同意吗？请简述理由【规范解答】(1)由麦克斯韦电磁场理论可知，当磁场的磁感 应强度线性增强时，电子所处的环形真空室内产生感应电动 势，设该电动势为E，由法拉第电磁感应定律得 则电子在环形真空室中运动一周的过程中被电场加速做功为 331.83ENV10 Vt4.2 107 303WEe10 eV7那么获得120 MeV的能量需绕行的周数为 (2)不同意尽管交变磁场线性减弱也可以产生等大的电动势使 电子加速，但减弱的磁场不能提供越来越大的洛伦兹力以维持 做加速运动的电子绕行时所需的向心力，且方向也发生变化 答案：(1
17、)2.8105周(2)见规范解答 6503120 10nE/W2.8 103 107周周1.电磁波包含了 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、射线 B.红外线、无线电波、射线、紫外线 C.射线、红外线、紫外线、无线电波 D.紫外线、无线电波、射线、红外线【解析】选A.常见的电磁波按波长从长到短的排列顺序是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线，故选A.2.某电路中电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是()【解析】选D.周期性变化的电场才能产生周期性变化的磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的
18、磁场，故D对.3.关于电磁波，下列说法正确的是()A雷达是用X光来测定物体位置的设备 B使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调 C用红外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光 D周期性变化的电场可以产生变化的磁场【解析】选D.雷达是利用微波来定位的，A错；使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，B错；钞票是利用紫外线的荧光作用，C错；根据麦克斯韦电磁场理论，周期性变化的电场可以产生变化的磁场，D对 4.(2012丰台模拟)下列关于电磁波的说法正确的是()A.麦克斯韦提出了电磁波理论，并用实验证实了电磁波的存在 B.各种电磁波在真空中的传播速度与光速一样，为3108 m/s C.经过
19、调幅后的电磁波是横波，经过调频后的电磁波是纵波 D.红外线是波长比可见光波长还长的电磁波，常用于医院和食品消毒【解析】选B.麦克斯韦提出了电磁波理论，赫兹用实验证实了电磁波的存在，A错；电磁波在真空中的传播速度与光速一样，B对；经过调幅或调频后的电磁波都是横波，C错；紫外线常用于医院和食品消毒，D错.5.(2012延庆模拟)根据狭义相对论，下列说法正确的是()A.一根竹竿沿着垂直于竹竿方向高速运动时，竹竿的长度会缩短 B.对于确定的物体，无论运动速度有多大，物体的质量都不会改变 C.宇宙飞船高速经过地球附近时，地球上的人观察飞船上的时钟变慢了 D.宇宙飞船高速经过地球附近时，飞船上的人观察飞船
20、上的时钟变慢了【解析】选C.长度缩短效应只发生在相对运动的方向上，在垂直于运动方向上，竿的长度没有变化，A错；据质能方程知B错；“钟慢”效应是相对观察者高速运动的物体发生的时钟变慢现象，C对D错.6.(2012镇江模拟)对相对论的基本认识，下列说法正确的 是()A相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的 B爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量 C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上的慢 D我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了【解析】选A.爱因斯坦质能方程阐明了质量和能量的相互联系，质量和能量是物体存在的两种形式，质量和能量是不同的概念，B错；再由相对论
21、的基本原理可知，A对，根据相对论效应,宇航员感觉到飞船中的钟走得比地球上的快,竖直向上高速运动的球在竖直方向上变扁,故C、D错 7.(2012扬州模拟)下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上(1)X光机_(2)紫外线灯_(3)理疗医用“神灯”照射风湿部位，可使风湿部位好得更快这里的“神灯”是利用_ A光的全反射 B紫外线具有很强的荧光作用 C紫外线具有杀菌消毒作用 DX射线具有很强的贯穿力 E红外线具有显著的热效应 F红外线波长较长，易发生衍射 【解析】(1)选D.X光机是用来透视人的体内器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线，故选D.(2)选C.紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，故选C.(3)选E.“神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，故选E.答案：(1)D (2)C (3)E