2011绿色通道高考总复习物理（人教新课标）141 麦克斯韦电磁场理论相对论解课件

考纲展示 变化的电场产 生磁场，变 化的磁场产 生电场 ，电 磁波及其传播 电磁波的产生发射及接收 电磁波谱 狭义相对论 的基本假设 质速关系，质能关系 相对论 ，质能关系式 1理解电磁场理论，以及电磁波的周期 、频率、波长和波速之间的关系 2了解无线电 波的发射与接收以及电视 、雷达的一般性知识 3了解相对论 的基本假设 4会用质速关系、质能关系和相对论质 能关系式进行有关计算 本章主要分为两部分，第一部分为电 磁 波，本部分主要包括电磁振荡、电磁场 和电磁波等知识，是前面所学电磁学、 机械振动和机械波等知识的继续 ，并与 光的本性知识相联系，从运动形式上看 ，这部分内容都具有波动的共性，复习 时要把握“波动”的共性，又要注意区别 ；第二部分为相对论简 介，对于这部分 内容主要是了解相对论 的一些观点 在复习本章时应 以课本为主，对每个考 点的内容都要熟练记忆 ，掌握最基本的 知识和内容即可重点内容是麦克斯韦 的电磁理论、电磁波的传播和电磁波谱 ，以及相对论 的质速关系、质能关系 第一单元 麦克斯韦电磁场 理论相 对论解 1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 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 电场 磁场 1产生：变化的电场 和 磁场总 是 交替产生，由发生区域向周围空间传 播 开去，就形成 2特点 (1)电磁波的传播不需要，但可以在介质 中传播 (2)如图1所示，在电磁波中每处的电场 强 度和磁感应强度的方向总是垂直的，并 且都跟电磁波的传播方向垂直，所以电 磁波是 变化的 电磁波 介质 横波 (3)电磁波的波速等于光速，实际 上，光 就是特定频率范围内的电磁波 图1 1概念 (1)振荡电 流：大小和方向发生周期性变 化的电流它是一种频率很高的 (2)振荡电 路：能够产 生振荡电 流的电路 最简单 的振荡电 路，就是LC回路LC 振荡电 路是由电感线圈和电容器组成的 电路，简称 交变电流 LC回路 (3)电磁振荡：在振荡电 路产生振荡电 流 的过程中，电容器极板上的电荷，通过 线圈的电流，以及跟电流和电荷相联系 的磁场和电场 都发生变化，这种 现象叫电磁振荡 (4)周期和频率：电磁振荡完成一次周期 性变化需要的时间 叫做 ，1s内完成的周 期性变化的次数叫做频率 周期性 周期 图2 电路分析： 甲图：电场 能达到最大，磁场能为零， 电路感应电 流i0. 甲乙：电场 能，磁场能，电路中电 流i，电路中磁场能向电场 能转化，叫 放电过 程 乙图：磁场能达到最大，电场 能为零， 电路中电流i达到最大 乙丙：电场 能，磁场能，电路中电 流i，电路中磁场能向电场 能转化，叫 充电过 程 丙图：电场 能达到最大(与甲图的电场 反 向)，磁场能为零，电路中电流为零 丙丁：电场 能，磁场能，电路中电 流i，电路中电场 能向磁场能转化，叫 放电过 程 丁图：磁场能达到最大，电场 能为零， 回路中电流达到最大(方向与原方向相反) 丁戊：电场 能，磁场能，电路中电 流i，电路中磁场能向电场 能转化，叫 反向充电过 程 戊与甲是重合的，从而振荡电 路完成了 一个周期 1无线电 波的发射 (1)发射电磁波的条件 第一，要有足够高的；第二，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)发射电磁波是利用它传递 某种信号， 因此必须进 行调制所谓调 制，就是把 要加在电磁波上的过程，有调幅和 调频 两种方式 频率 传播的信号 2无线电波的接收 无线电 波的接收过程是：调谐电 路利用 电谐 振的原理接收所需的电磁波，再通 过检 波器检波得到电磁波所携带的信号 (1)当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 振荡电 流最强，这种现象叫电谐 振 (2)使接收电路产生电谐 振的过程叫调谐 (3)从接收到的高频信号中“检出”所携带 信号的过程叫检波，也叫解调，它是调 制的 逆过程 3电视的基本原理 在电视发 射端，由摄像管摄取景物并将 景物反射的光转变为电 信号的过程就是 摄像，这个过程由摄像管完成在电视 接收端，由电视 接收机的显像管把电信 号还原成景物的像，这一过程中要进行 调谐 、检波等过程电视 信号的传播主 要是通过 传播 直线 4雷达的基本原理 雷达是利用来判定物体位置的电 子设备 雷达向某一方向发射电磁波时 ，在显示器的荧光屏上呈现发 射的尖形 波，无线电 波遇到障碍物反射回来，被 雷达接收，在显示器的荧光屏上出现第 二个尖形波，根据两个尖形波的距离，可 得到障碍物到雷达站的距离，再根据发射 电磁波的方向和仰角，便可判定障碍物的 位置利用多普勒效应还 可以测量移动 物体的速度雷达是利用电磁波谱的微 波段工作的 电磁波 1电磁波按波长由大到小的顺序为： 、 2不同电磁波产生机理不同：无线电 波 由振荡电 路中自由电子的 运动产 生 ；可见光由原子的 受激后产生 ；X射线由原子的受激后产生；射 线是 受到激发后产生的 无线电波 红外线、可见光、紫光线、X射线、射线 周期性 层电子 外 内层电子 原子核 3不同电磁波的特性不同：无线电 波易 发生和红外线有显著； 可见光可引起视觉 反应；紫外线有显著 的；X射线的能力很强； 射线的能力更强 干涉 衍射 热作用 化学作用穿透 穿透 1恒定的磁场周围没有电场产 生，同理 ，恒定的电场 周围也没有磁场产 生 2变化的磁场产生电场 (1)若磁场均匀变化，则产 生恒定的电场 (2)若磁场不均匀变化，则产 生变化的电 场 (3)在振荡电 路中，周期性变化的磁场产 生同频率的周期性变化的电场 3变化的电场产生磁场 (1)若电场 均匀变化，则产 生恒定的磁场 (2)若电场 不均匀变化，则产 生变化的磁 场 (3)在振荡电 路中，周期性变化的电场产 生同频率的周期性变化的磁场 4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 (1)变化的磁场在空间产 生的电场 ，与自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、有无闭合电路无关 (2)均匀变化的磁场产 生稳定的电 场“均匀变化”指的是在相等的时 间内磁感应强度的变化量相同，即 磁感应强度对时间 的变化率恒定 变化的磁场产 生的电场 ，称为感应电场 ，也叫涡旋场，跟前面学过的静电场 一 样，处于电场 中的电荷受力的作用，且F qE. 但它们也有显著的区别，最明显的莫过 于以下几点： 静电场 的电场线 是非闭合曲线，而感 应电场 的电场线 是闭合曲线； 静电场 中有电势 的概念，而感应电场 中无电势 概念； 在同一静电场 中，电荷运动一周(曲线 闭合)，电场 力做功一定为零，而在感应 电场 中，电荷沿闭合线运动一周，电场 力做功不一定为零 静电场 的“源”起于“电荷”，而感应电 场的“源”起于变化的磁场 区别电磁波机械波 研究 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 由质点(波源)的振 动产生 纵、 横 波 横波纵波或横波 波速 在真空中等于光速( 很大) 在空气中很小(如声 波为340 m/s) 介质 需 要 不需要介质(在真空 中仍可传播) 必须有介质(真空中 不能传播) 能量 传 播 电磁能机械能 说明：(1)同一电磁波在不同介质中传播时 ，频率不变(频率由波源决定)，波速、波 长发生改变，在介质中的速度都比在真空 中速度小 (2)不同电磁波在同一介质中传播时，传播 速度不同，频率高则波速小 (3)在真空中传播时，不同频率的电磁波的 速度都相同，即等于光速 (4)电磁波可以脱离“波源”而独立存在，电 磁波发射出去以后，产生电磁波的波源停 止发射后，在空间的电磁波仍继续传播 1不同的电磁波，由于频率和波长的不 同，因而表现了不同的特性，波长较长 的无线电 波和红外线，很容易发生干涉 、衍射现象，而波长较 短的紫外线、伦 琴射线、射线，不容易观察到它的干涉 、衍射现象 2在电磁波谱中，能引起视觉 的可见光 是频率范围很窄的一段电磁波 3各波段的电磁波特性比较 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 10331011 红外线热效应红外遥感 10410 7 1012 1015 可见光引起视觉 照明、摄 影 1071015 紫外线化学效应 、荧 光效 应、 能杀 菌 医用消毒 、防 伪 10710 9 1015 1017 X射线贯穿性强 检查 、医 用透 视 10810 12 1016 1020 射线 贯穿本领 最强 工业探伤 、医 用治 疗 10111019 1长度的相对性 设静止物体长为 l0，在此长度方向上运动 的速度为v，在此惯性系中测量长度为l ，则由狭义相对论 会得出如下式： 理解： (1)不同惯性系中的观测 者对同一物体进 行观测 ，测得的结果并不相同 (2)虽然结果不同，物体本身并未收缩 (3)在垂直于运动方向不发生收缩效应现 象 (4)我们平常观察不到这种长度收缩效应 ，是因为我们生活在比光速低很多的低 速世界里，这种现象极不明显因此， 在低速运动中，长度收缩效应可忽略不 计 2时间间隔的相对性 对同一个物理事件，在静止参考系中观 测所经历 的时间为 t，在高速运动的参 考系中观测 所经历 的时间为 ，则有t . 理解： (1)一个相对我们做高速运动的惯性系中 发生的物理过程，在我们看来，它所经 历的时间 比在这个惯性系中直接观察到 的时间长 ，惯性系速度越大，我们观 察 到的过程所经历 的时间 越长 (2)由于运动是相对的，故在某一个参考 系中观察另一个不同参考系里发生的物 理事件时，总感到时间 的延缓效应 质量和能量都是物体的重要属性质量 可以通过物体的惯性和万有引力现象而 显示出来，能量则通过物体系统状态变 化时对 外做功、传递热 量等形式而显示 出来质能关系式揭示了质量和能量是 不可分割的，这个公式建立了这两个属 性在量值上的关系，它表示具有一定质 量的物体也必具有和这质 量相当的能量 通常所说的物体的动能仅是mc2和m0c2 的差额，即 爱因斯坦质能方程Emc2，表明物体的 质量和能量间的关系，即物体具有的能 量与其质量成正比，当物体的能量增加或 减少时，它的质量也会相应地增加或减 少，即Emc2. 【例1】 下列关于电磁场的说法中正确 的是( ) A只要空间某处有变化的电场 或磁场 ，就会在其周围产 生电磁场，从而形成 电磁波 B任何变化的电场 周围一定有磁场 C振荡电场 和振荡磁场交替产生，相 互依存，形成不可分离的统一体，即电 磁场 D电磁波的理论在先，实践证明在后 分析：分析麦克斯韦的电磁场理论时 ， 要注意“变化”、“均匀变化”、“周期性变 化”这几种说法的不同 解析：根据麦克斯韦的电磁场理论可知 选项 A错误 ，若电场 或磁场的变化是均 匀的，则不能形成电磁波，只能形成稳 定的磁场或电场 ，B项正确 若电场 的变化是非均匀的，则可形成电 磁场，由电磁场的定义可知C正确 英国物理学家麦克斯韦从理论上预见 了 电磁波的存在，并指出电磁波的特点 例如：电磁波的传播不需要介质，它在 真空中的速度等于光速，电磁波是横波等 ，进而说明光是电磁波家庭中的一员 二十多年后德国物理学家赫兹用实验验 证了电磁波的存在所以D正确 答案：BCD 高分通道 紧紧 抓住麦克斯韦电 磁场理论的要点， 并深刻理解是解决本类题 的关键麦克 斯韦电 磁场理论可以理解为：静止电场 不产生磁场，电场 独立存在，均匀变化 的电场产 生稳定的磁场，非均匀变化的 电场产 生非稳定磁场，振荡电场产 生同 频率的振荡磁场 变式1：(2009年天津卷)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 解析：电磁波可以在真空中传播，能发 生干涉、衍射、偏振等现象并且它可以 传递 信息，可知只有B选项 正确 答案：B 【例2】 下列关于电磁波的叙述中，正 确的是 ( ) A电磁波是电磁场由发生区域向远处 的传播 B电磁波在任何介质中的传播速度均为 3.00108m/s C电磁波由真空进入介质传 播时，波 长将变短 D电磁波不能产生干涉及衍射现象 分析：本题考查电 磁波与机械波的区别 ，熟记电 磁波和机械波的特点是解题的 关键 解析：电磁波是电磁场由发生区域向远 处的传播，选项 A正确 电磁波在不同的介质中传播的速度不同 ，在真空中传播的速度最大，为 3.00108m/s，选项 B错误 电磁波的波速、波长和频率的关系：v f，电磁波在不同介质中传播时频 率f不 变，由真空进入介质传 播时，由于速度 变大，波长变 短，选项 C正确 电磁波是波，具有波的一切特性，能发 生干涉、衍射现象，选项 D错误 答案：AC 高分通道 解决此类问题应 注意： (1)电磁波的波速 不同电磁波在同一介质中传播时，传 播速度不同，频率越高波速越小，频率 越低波速越大 在真空中传播时，不同频率的电磁波 的速度相同，vc. (2)电磁波与机械波不同，机械波在介质 中传播的速度只与介质有关，电磁波在 介质中传播的速度与介质和频率均有关 变式2：(2010年山东潍 坊二模)有关电 磁波和声波，下列说法错误 的是 ( ) A电磁波的传播不需要介质，声波的传 播需要介质 B由空气进入水中传播时，电磁波的传 播速度变小，声波的传播速度变大 C电磁波是横波，声波也是横波 D由空气进入水中传播时，电磁波的波 长变 短，声波的波长变长 解析：电磁波本身就是一种物质，它的 传播不需要介质，而声波的传播需要介 质，选项 A的说法正确；电磁波由空气 进入水中，传播速度变小，但声波在水 中的传播速度比其在空气中大，选项 B的 说法正确；电磁波的传播方向与E、B两 个振动矢量的方向都垂直，是横波，而声 波是纵波，选项 C说法错误 ；电磁波由 空气进入水中传播时，波速变小，波长 变长 ，而声波由空气进入水中传播时， 波速变大，波长变 大，选项 D的说法正 确，故答案为C. 答案：C 【例3】 1947年，在用乳胶研究高空宇 宙射线时 ，发现 了一种不稳定的基本粒 子，称作介子，质量约为电 子质量的273 倍，它带有一个电子电荷量的正电荷或 负电 荷，称作或.若参考系中介子 处于静止，它们的平均寿命为2.5610 8s，设介子以0.9c速率运动，求： (1)在实验 室参考系观测 到该粒子的平均 寿命 (2)在实验 室参考系中观测 到该粒子运动 的平均距离 (3)该粒子运动时 的动能 答案：(1)5.87108s (2)15.85 m (3)2.891011J 高分通道 本题比较全面地考查了大纲要求的相对 论内容，介子的寿命问题 也有力地证 明了相对论 的正确性本题中要特别注 意，与的关系和粒子动能的求法 变式3：长度测量与被测物体相对于观 察者的运动有关，物体在运动方向长度 缩短了一艘宇宙飞船的船身长度为L0 90 m，相对地面以u0.8c的速度在一 观测 站的上空飞过 (1)观测 站测得飞船的船身通过观测 站的 时间间 隔是多少？ (2)宇航员测 得船身通过观测 站的时间间 隔是多少？ 答案：(1)2.25107s (2)3.75107s 1(2009年山东卷)声波和电磁波均可传 递信息，且都具有波的共同特征下列 说法正确的是( ) A声波的传播速度小于电磁波的传播速 度 B声波和电磁波都能引起鼓膜振动 C电磁波都能被人看见，声波都能被人 听见 D二胡演奏发出的是声波，而电子琴演 奏发出的是电磁波 解析：声波属于机械波，其传播需要介 质，传播速度小于电磁波的传播速度； 鼓膜的振动是空气的振动带动 的，人耳 听不到电磁波；电磁波的传播不需要介 质，人耳听不到电磁波；二胡和电子琴 发出的都是声波 答案：A 2用麦克斯韦的电磁场理论判断，下图 中表示电场 (或磁场)产生磁场(或电场 )的 正确图象是 ( ) 解析：周期性变化的磁场，产生周期性 变化的电场 ，它们变 化的频率相同但步 调不一样，是互余关系，选C. 答案：C 3(2009年北京卷)类比是一种有效的学 习方法，通过归类 和比较，有助于掌握 新知识，提高学习效率在类比过程中 ，既要找出共同之处，又要抓住不同之 处某同学对机械波和电磁波进行类比 ，总结 出下列内容，其中不正确的是 ( ) A机械波的频率、波长和波速三者满足 的关系，对电 磁波也适用 B机械波