1、第 4 节 电磁波与相对论 一、电磁场与电磁波1.19 世纪 60 年代，预言了电磁波的存在，并认为光是一种 ，此后赫兹证实了电磁波的存在.2.麦克斯韦电磁场理论变化的磁场能够在周围空间产生 ，变化的电场能够在周围空间产生 .3.电磁场：变化的 产生电场，变化的 产生磁场，周期性变化的电场和 的磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是 .麦克斯韦电磁波电场磁场磁场电场周期性变化电磁场4.电磁波(1)形成：周期性 和周期性 从产生的区域由近及远地向周围空间传播出去，就形成了 .(2)特点电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应 强 度 互 相 垂 直，而 且 二 者 均 与 波 的
2、 传 播 方向 ，因此电磁波是 .电磁波的传播 介质，在真空中也能传播.在真空中的波速为 c m/s.波速波长和频率的关系：.变化的电场变化的磁场电磁波垂直横波不需要3.0108cf特别提醒：电磁波不同于机械波，机械波传播必须有介质，而电磁波传播不需介质，机械波的波速仅取决于介质，而电磁波的波速与介质及波的频率均有关系.(3)发射和接收为有效发射电磁波，振荡电路必须有足够高的频率，并且是开放的；要利用电磁波传递信号需要对电磁波进行调制，调制有 和 两种方法.接收电磁波时，先要调谐使 产生电谐振，再通过检波“检”出高频电流中所携带的信号.(4)电磁波的应用：广播、电视、雷达、无线通信等.调幅调频
3、接收电路(5)电磁波谱电磁波谱特性应用真空中波长递变规律无线电波容易发生衍射通信和广播大于1 mm红外线热效应红外线遥感小于1 mm大于700 nm可见光引起视觉照明等700 nm到400 nm之间紫外线化学效应、荧光效应、能杀菌灭菌消毒、防伪5 nm到370 nm之间X射线穿透能力强医用透视、安检0.01 nm到10 nm之间射线穿透能力很强工业探伤、医用治疗小于001 nm二、经典时空观和相对论时空观1.经典时空观(1)在经典力学中，物体的质量是不随 而改变的.(2)在经典力学中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是 .2.相对论时空观(1)在狭义相对论中，物体的质
4、量是随物体的运动速度的增大而 的.(2)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是 .运动状态相同的增大不同的三、相对论简介1狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是_(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_2.空间与时间的相对性(1)长度的相对性：ll01vc2，即一条沿自身长度方向运动的杆，其长度(l)总比杆静止时的长度(l0)_相同的相同的小(2)时间的相对性：t 1vc2，式中 是与高速列车相对_的观察者测得的两事件的时间间隔，t是地面上观察者观察到的两事件的_3.相对论质量：mm01vc2
5、公式中m0为物体静止时的_，m为物体以速度v运动时的_，由公式可以看出随v的增加，物体的质量_4.质能方程：E_公式中m为物体的质量，E为它具有的能量静止时间间隔质量质量增大mc2题型一：对麦克斯韦电磁场理论的理解例1关于电磁场的理论，下列说法正确的是()A.变化的电场周围产生的磁场一定是变化的B.变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的C.均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的D.振荡电场在周围空间产生同样频率的振荡磁场【解析】麦克斯韦电磁理论指出，如果电场的变化是均匀的，产生的磁场是稳定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变化的；振荡电场与它周围产生的磁场频率是相同的.【答案】BD
6、【方法与知识感悟】对麦克斯韦电磁场理论的理解 题型二：电磁波波谱分析及应用例2下列说法正确的是()A.只有物体温度较高时，才能向外辐射红外线B.紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用C.可见光比红外线容易发生衍射现象D.X 射线能在磁场中偏转，穿透力较强，可用来进行人体透视【解析】一切物体都可以向外辐射红外线，A 错误，紫外线有显著的生理作用，杀菌能力较强，紫外线有很强的荧光效应，可用来防伪，B 正确，可见光的波长小于红外线的波长，所以红外线更容易发生衍射现象，C 错误，X 射线是光子流，不带电，不能在磁场中偏转，D 错误.【答案】B题型三：狭义相对论例3相对论论认为时间和空间与物体的速度有关；
7、在高速前进中的列车的中点处，某乘客突然按下手电筒，使其发出一道闪光，该乘客认为闪光向前、向后传播的速度相等，都为 c，站在铁轨旁边地面上的观察者认为闪光向前、向后传播的速度 (选填“相等”或“不等”).并且，车上的乘客认为，电筒的闪光同时到达列车的前、后壁，地面上的观察者认为电筒的闪光先到达列车的 (选填“前”或“后”)壁.【解析】车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁.地面上人认为地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些.【答案】相等 后单选题1.自从 1862 年麦克斯韦从理论上预言电磁波的存
8、在、1888 年赫兹通过实验证实了电磁波的存在后，电磁波的技术的应用雨后春笋般相继问世：无线电报、无线电广播、无线电导航、无线电话、电视、雷达，以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学，它们使整个世界面貌发生了深刻的变化.下列有关的说法正确的是()A.无线电波波速在任何情况下都等于真空中的光速 cB.微波在传播过程中遇到金属导体时，会在其中产生相应的感应电动势或感应电流C.手机所用的微波在传播过程中比无线电广播所用的中波更容易绕过障碍物D.在无线电通讯中，声音信号通常要通过检波加载在高频信号上后，才向外发射B【解析】电磁波只有在真空中传播时才等于真空中的光速，A 错；B 正确，因微波的波长较短不易
9、发生衍射，故 C 错；因声音的频率较低，而发射电磁波必须是高频的电磁场才能发射出去，故通过调制把音频信号加到高频载波上，检波是把音频信号从调制的高频载波中找出来的过程，故 D 错.2.假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是()A.这个人是一个矮胖子B.这个人是一个瘦高个子C.这个人矮但不胖D.这个人瘦但不高【解析】由 ll01u2c2可知路旁的人观察列车里的人，在运动方向上变短，好像人变瘦了.但垂直运动方向的长度，即身高不变，故 D 选项正确.D3.下列说法正确的是()A.根据麦克斯韦的电磁场理论可知，变化的电场周围一定可以
10、产生变化的磁场B.为了从高频电流中取出所携带的声音信号就要进行解调C.无论振荡电路的振荡频率高与低，都能有效地发射电磁波D.只要有电场和磁场，就能产生电磁波【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论可知，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以 A 选项错误；为了从高频电流中取出所携带的声音信号就要进行解调，所以 B 选项正确；只有当振荡电路的振荡频率足够高时，才能有效地发射电磁波，C 选项错误；若只有电场和磁场而电场和磁场都稳定或电场、磁场都均匀变化，均不能产生电磁波，D 选项错误.B一、选择题：14 题为单选，58 题为多选.1.有一装置如图所示，整个装置处于真空中，从阴极 K 发射出的电子通过第区域
11、，从阳极小孔 B 射出进入由金属管构成的第区域，离开金属管后进入有一均匀磁场的第区域，磁场方向垂直于纸面向里，电子在哪个区域内可能发射电磁波()A.只在第区域B.只在第区域C.只在第区域D.只在第、区域D【解析】在第区域电子处于加速状态，产生变化的电流，产生变化的磁场，又产生变化的电场，能产生电磁波；在区域电子匀速运动，形成稳定的电流，产生稳定的磁场，不能产生电磁波；在区域电子做周期性的圆周运动，产生周期性变化的电流，产生周期性变化的磁场，能产生电磁波.2.关于机械波和电磁波，下列说法错误的是()A.机械波和电磁波都能在真空中传播B.机械波和电磁波都可以传递能量C.波长、频率和波速间的关系，即
12、 vf，对机械波和电磁波都适用D.机械波和电磁波都能发生衍射和干涉现象A【解析】机械波的传播需要介质，而电磁波的传播不需要介质，所以选项 A 不正确，干涉、衍射是波特有的现象，选项 D 正确，波能传播能量，vf，对波都适用.故选项 B、C 都正确.故选 A.3.一枚静止时长 30 m 的火箭以 0.6 c(c 为光速)的速度从观察者的身旁掠过，观察者测得火箭的长度为L1，火箭上的人测得火箭的长度为 L2，则 L1，L2 的数值应是()A.30 m，30 m B.30 m，24 mC.24 m，30 m D.24 m，24 m【解析】火箭上的人与火箭相对静止，他测得的数值应为 L230 m，而观
13、察者的测量值为 L1L210.6cc2300.824 m，选项 C 正确.C4.把一个静止质量为 m0 的粒子，由静止加速到0.6c(c 为真空中的光速)，需做的功为()A.0.18m0c2 B.0.25m0c2C.0.35m0c2D.1.25m0c2【解析】加速到 0.6c 时，mm01（vc）21.25m0，粒子的能量的变化量为E(mm0)c20.25m0c2，故需做的功为 0.25mc2，选 B.B5.关于电磁波谱的下列说法正确的是()A.电磁波中最容易发生干涉、衍射现象的是无线电波B.红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的C.伦琴射线和 射线是原子的内层电子受激发后产生的
14、D.红外线最显著的作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线【解析】波长越长的无线电波的波动性越显著，干涉、衍射现象越容易发生.从电磁波产生的机理可知射线是原子核受到激发后产生的.不论物体温度高低如何，都能辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强.由此可知答案为 A、B.AB6.下列说法正确的是()A.测定某恒星特定元素发出光的频率，对比地球上该元素的发光频率，可以推算该恒星远离地球的速度B.无线电波没有偏振现象C.红外线比无线电波更容易发生干涉和衍射现象D.在一个确定的参考系中观测，运动物体上物理过程的时间进程跟物体运动速度有关AD【解析】测定某恒星特定元素发出光的频率，对比地球上该元
15、素的发光频率，可以根据多普勒效应推算该恒星远离地球的速度，A 正确；无线电波是横波，偏振现象是横波特有的现象，故 B 错误；根据电磁波谱可知红外线波长比无线电波的波长短，因而更不容易发生干涉和衍射，故 C 错误.根据爱因斯坦相对论知，在一个确定的参考系中观测，运动物体上物理过程的时间进程跟物体运动速度有关，故 D 正确.7.以下叙述属于狭义相对论基本假设的是()A.力学规律在任何参考系中都是相同的B.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的C.在任何参考系中，物理规律都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的【解析】物理规律在惯性参考系中都是相同的，在非惯性参考系中不同，A、
16、C 错误，B 正确；根据光速不变原理可知，D 正确.BD8.下列说法正确的是()A.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设是：在不同的惯性参考系中物理规律不同，在不同的惯性参考系中真空中的光速都相同B.使用电视机、手机、电脑时存在的电磁辐射是因为变化的电场产生同频率的磁场，磁场又产生同频率的电场，从而形成电磁波的缘故C.只要振荡电路有足够高的振荡频率就一定能有效地发射电磁波D.波长越短的电磁波，反射性能越强E.照相机等的镜头涂有一层增透膜，其厚度应为入射光在真空中波长的14；拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度F.1905 年爱因斯坦提出的狭义相对论是以相对性原理和光速
17、不变原理这两条基本假设为前提的BDF二、填空题9.磁场的磁感应强度 B随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的有 图示的磁场，能产生持续电磁波的有 图示的磁场.BCDBD【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，有如下分析：A 图的磁场是恒定的，不能产生新的电场，更不能产生电磁波；B 图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生持续的电磁波；C图中的磁场是均匀变化的，能产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，不能产生电磁场，因此不能产生持续的电磁波；D 图所示磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，能产生电磁波.三、计算题10.介 子 是 一 不 稳 定 粒 子，平 均 寿 命 是2.60108 s(在它自己参考系中测得).(1)如果此粒子相对于实验室以 0.8c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的介子寿命多长？(2)介子在衰变前运动了多长距离？【解析】(1)介子在实验室中的寿命为 tr1vc22.610810.82 s4.3108 s.(2)该粒子在衰变前运动的距离 svt0.831084.3108 m10.32 m.