高中物理 电磁波 相对论简介课件1 沪科版选修34.ppt

本章内容 考点1电磁波的产生 1 麦克斯韦电磁场理论变化的磁场产生 变化的电场产生 2 电磁场变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个 这就是电磁场 电场 磁场 完整的整体 3 电磁波电磁场 电磁能量 由近及远地向周围传播形成电磁波 1 电磁波是横波 在空间传播 介质 2 真空中电磁波的速度为 m s 3 v f对电磁波 4 电磁波能产生反射 折射 和衍射等现象 不需要 3 108 同样适用 干涉 1 对麦克斯韦电磁场理论的进一步理解 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 均匀变化的磁场产生恒定的电场 非均匀变化的磁场产生变化的电场 周期性振荡的磁场产生同频率振荡的电场 均匀变化的电场产生恒定的磁场 非均匀变化的电场产生变化的磁场 周期性振荡的电场产生同频率振荡的磁场 2 电磁波的传播及波长 频率 波速 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 波速越小 3 v f 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 改变l或c即可改变f 从而改变电磁波的波长 3 电磁波与机械波的比较 电磁现象 力学现象 由周期性变化的电场 磁场产生 由质点 波源 的振动产生 横波 纵波或横波 在真空中等于光速 很大 c 3 108m s 在空气中不大 如声波波速一般为340m s 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 电磁能 机械能 考点2电磁波的发射与接收1 发射电磁波的条件 1 要有足够高的 2 电路必须 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 和调频两种方式 解调是调制的逆过程3 电磁波谱 1 定义 按电磁波的波长从长到短分布是 红外线 可见光 紫外线 x射线和 射线 形成电磁波谱 振荡频率 开放 调幅 无线电波 2 电磁波谱的特性 应用 3 1011 10 3 波动性强 易发生衍射 无线电技术 1011 1015 10 3 10 7 红外线遥感 1015 10 7 引起视觉 照明 摄影 1015 1017 10 7 10 9 化学效应 能杀菌 医用消毒 防伪 1016 1019 10 8 10 11 贯穿性强 检查 医用透视 1019 10 11 贯穿本领最强 工业探伤 医用治疗 衍射能力减弱 直线传播能力增强 荧光效应 热效应 对电磁波谱的四点说明 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 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 射线都有重叠 3 不同的电磁波 产生的机理不同 无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的 红外线 可见光 紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的 x射线是原子的内层电子受到激发后产生的 射线是原子核受到激发后产生的 4 电磁波的能量随频率的增大而增大 考点3相对论的简单知识1 狭义相对论的两条公设 1 爱因斯坦相对性原理 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中 物理规律都是 填 相同 或 不同 的 2 光速不变原理 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中 光在真空中的速度都是 填 相等 或 不相等 的 相等 相同 2 时间和空间的相对性 1 同时 的相对性 同时是 的 与参考系的选取有关 2 运动时钟延缓 t 3 运动长度收缩 l 相对 3 相对论的三个结论 1 相对论速度变换公式 u 2 爱因斯坦质量公式 m 3 质能关系 e mc2 1 对 长度的相对性 的理解狭义相对论中的长度公式 中 l 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度 而l可认为杆沿杆的长度方向以速度v运动时 静止的观察者测量的长度 还可以认为是杆不动 而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度 2 对 时间间隔的相对性 的理解时间间隔的相对性公式 中 t 是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔 而 t则是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔 也就是说 在相对运动的参考系中观测 事件变化过程的时间间隔变大了 这叫做狭义相对论中的时间膨胀 动钟变慢 电磁波的理解和应用 例证1 12分 1 2012 成都模拟 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 电磁波是横波c 电磁波必须在介质中传播d 使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调 2 某雷达工作时 发射电磁波的波长 20cm 每秒脉冲数n 5000 每个脉冲持续时间t 0 02 s 该电磁波的频率为多少 该雷达的最大侦察距离是多少 解题指南 解答本题应注意以下三个方面 1 明确电磁波的性质和特点 2 根据c f求频率 3 雷达的最大侦察距离等于电磁波在发射相邻两个脉冲间隔时间内传播距离的一半 规范解答 1 选b 由雷达的工作原理知 雷达是用微波来测定物体位置的设备 a错 电磁波在传播过程中电场强度和磁感应强度总是相互垂直 且与波的传播方向垂直 故电磁波是横波 b对 电磁波可以不依赖介质而传播 c错 使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制 d错 4分 2 根据c f可得 3分 电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离 6 104m 3分 所以雷达的最大侦察距离s 3 104m 30km 2分 答案 1 b 2 1 5 109hz 30km 总结提升 求解雷达问题需注意的事项 1 雷达确定物体位置的原理是已知无线电波的传播速度为c 测出从发射无线电波脉冲到接收到反射回来无线电波的时间t 就可由公式2s ct确定被测物体的距离s 再根据无线电波的方向和仰角 便可以确定被测物体的位置了 2 雷达既是无线电波的发射端 又是无线电波的接收端 3 雷达使用的无线电波是直线性好 反射性能强的微波波段 4 雷达发射的是不连续的无线电波 即脉冲 每次发射时间短于1 s 两次发射的时间间隔约为0 1ms 5 障碍物的距离等情况都由显示器直接显示出来 6 当反射波形与发射波形对应的时间间隔等于发射脉冲的时间间隔时 雷达的侦察距离最大 s c 7 要增大雷达的最大侦察距离 必须相应地延长发射脉冲的时间间隔 即减少每秒发射的脉冲数 8 因电磁波在传播过程中不可避免地要损失能量 因此要提高雷达的侦察能力 增大最大侦察距离 最根本的还在于提高雷达的发射功率 狭义相对论的简单应用 例证2 1 你站在一条长木杆的中央附近 并且看到木杆落在地上时是两头同时落地 所以 你认为这木杆是平着落到了地上 而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过 如图所示 她看到 a 两端同时落地b a端比b端先落地c b端比a端先落地d 木杆是向右倾斜着落地的 2 一张宣传画是边长为5m的正方形 一高速列车以2 108m s速度接近此宣传画 在司机看来 这张宣传画是什么样子 3 远方的一颗星以0 8c的速度离开地球 在地球上测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化 求在此星球上测其闪光周期为多大 解题指南 解答本题应注意以下三点 1 同时的相对性 2 长度的相对性 3 时间间隔的相对性 自主解答 1 选c d 令飞飞同学所在的参考系静止 则人和杆所在的参考系将向ba方向运动 在杆下落的同时 假设在ab的中央有一光源开始发光 且光源向右运动经过杆落地时间后 b距光源比a距光源近了 根据光速不变原理可知 光到达b所用时间比a短 故b事件先发生 即b先落地 至于木杆向哪倾斜也是相对的 从飞飞的角度看 木杆是向右倾斜着落地的 2 在垂直运动方向没有相对性 所以看到的是一张3 7 5m2的宣传画 3 因为所以 t 5昼夜 v 0 8c 所以 昼夜 答案 1 c d 2 3 7 5m2的画 3 3昼夜 总结提升 狭义相对论问题的求解技巧 1 解决 同时 的相对性问题 可从三个方面入手 令观察者静止 判断被观察者因相对运动而引起的位置变化 结合光速不变原理 分析光传播到两个事件所用的时间 光先传播到的事件先发生 光后传播到的事件后发生 2 解决长度的相对性问题 应当注意 动尺缩短 是沿运动方向上的长度比其相对静止时测量的长度要短一些 这种长度收缩并非幻觉 并非看上去短了 它的确变短了 它与物体的具体组成和结构无关 当物体运动的速度越接近光速 这种收缩效应就变得越显著 在具体计算中要明确 长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩 在垂直于运动方向上的长度没有变化 3 解决时间间隔的相对性应注意 动钟变慢 是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应 不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化 运动时钟变慢完全是相对的 在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了 1 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 解析 选c 列车上的观察者看到的是由b发出后经过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 2 2010 北京高考 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 狭义相对论基本假设为 一是在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 二是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 即光速不变原理 由此可知a属于狭义相对论基本假设 故a正确 b c d错误 3 2010 上海高考 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 在电磁波谱中 无线电波波长最长 射线波长最短 a正确 b c d错误 4 2010 天津高考 下列关于电磁波的说法正确的是 a 均匀变化的磁场能够在空间产生电场b 电磁波在真空和介质中传播速度相同c 只要有电场和磁场 就能产生电磁波d 电磁波在同种介质中只能沿直线传播 解析 选a 不管磁场怎样变化 只要是变化的磁场就可以在空间产生电场 所以均匀变化的磁场也能够在空间产生电场 a正确 电磁波的传播速度与介质和频率有关 相同频率的电磁波在不同的介质中传播速度不同 故b错误 恒定的电场 磁场 周围不会产生磁场 电场 只有周期性变化的电场 磁场 才能产生电磁波 故c错误 电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播 若同一种介质是不均匀的 电磁波在其中的折射率是不一样的 在这样的介质中是沿曲线传播的 故d错误 5 如图所示 考虑几个问题 1 如图所示 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 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 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 解析 根据狭义相对论的光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 光速与光源 观察者间的相对运动没有关系 因此三种情况下 人观察到的光速都是c 答案 1 c 2 c 3 c 6 设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍 则粒子运动时的质量等于其静止质量的 倍 粒子运动速度是光速的 倍 解析 依据爱因斯坦的质能方程e mc2 宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍 则其质量等于其静止质量的k倍 再由相对论质量公式得答案 k 7 1 2012 宝山区模拟 目前雷达发出的电磁波频率多在200 1000mhz的范围内 下列关于雷达和电磁波的说法正确的是 a 真空中 上述频率范围的电磁波的波长在30 150m之间b 电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的c 波长越短的电磁波 越容易绕过障碍物 便于远距离传播d 测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间 就可以确定障碍物的距离 2 列举下列三种电磁波的一种应用 红外线 紫外线 x射线 3 某居住地a位于某山脉的一边 山脉的另一边p处建有一无线电波发射站 如图所示 该发射站可发送频率为400khz的中波和频率为400mhz的微波 已知无线电波在空气中的传播速度都为3 108m s 求 发射站发出的电磁波是经过干涉还是衍射后到达居住地a处的 若两种波的接收效果不同 请说明哪一种波的接收效果更好 为什么 解题指南 解答此题需应用以下三方面知识 1 电磁波的产生及特性 2 各种波长范围的电磁波的应用 3 波长 频率 波速的关系和传播特点 解析 1 选d 由c f知 可知真空中上述频率的电磁波的波长在0 3 1 5m之间 a错 电磁波是由周期性变化的电场 磁场产生的 b错 波长越短的电磁波 衍射本领越弱 越不容易绕过障碍物 不便于远距离传播 c错 测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间 由s 就可以确定障碍物的距离 d对 2 红外线主要是热作用 如红外线烤箱 紫外线有荧光和杀菌作用 如验钞机 消毒 x射线主要是穿透作用 如x射线透视 3 无线电波绕过山脉到达a处 发生了衍射现象 频率为400khz的中波接收效果更好 因为它的波长长 衍射现象更明显 答案 1 d 2 3 见解析 8 1 某电路中电场随时间变化的图象如图所示 能产生电磁波的电场是 2 一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动 如图所示 当磁感应强度均匀增大时 此粒子的动能如何变化 解析 1 选d 由麦克斯韦电磁场理论知 当空间出现恒定的电场时 由于其不激发磁场 故无电磁波产生 a错 当空间出现均匀变化的电场时 会激发出磁场 但磁场恒定 不会再激发出电场 故也不会产生电磁波 b c错 只有周期性变化的电场才会激发出周期性变化的磁场 其又激发出周期性变化的电场 如此不断激发 便会形成电磁波 d对 2 当磁场均匀增加时 根据麦克斯韦电磁场理论 将产生一恒定的电场 电场的方向与正粒子运动方向一致 带电粒子将受电场力作用 该电场力对带电粒子做正功 所以粒子的动能增大 答案 1 d 2 粒子的动能增大 9 1 2012 长沙模拟 某火箭在地面上的长度为l0 发射后它在地面附近高速 约0 3c 飞过 关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象 以下说法正确的是 a 下方地面上的人观察到火箭上的时间进程变快了b 下方地面上的人观察到火箭变短了c 火箭上的人观察到火箭变短了d 火箭上的人看到下方地面上的所有物体都变短了 2 在一飞船上测得飞船的长度为100m 高度为10m 当飞船以0 60c的速度从你身边经过时 按你的测量 飞船有多高 多长 解析 1 选b 由时间间隔的相对性知 下方地面上的人观察到火箭上的时间进程变慢了 a错 由长度的相对性知 下方地面上的人观察到火箭变短了 火箭上的人观察到火箭长度没变 b对 c错 火箭上的人看到在垂直运动方向上 物体的长度不变 d错 2 因为长度收缩只发生在运动方向上 与运动垂直的方向上没有这种效应 故测得的飞船的高度仍为原来的高度10m 设飞船原长为l 观测到飞船的长度为l 则根据尺缩效应有答案 1 b 2 10m80m 10 1 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 2 近年来军事行动中 士兵都配戴 红外夜视仪 在夜间也能清楚地看清目标 这是为什么 解析 1 选b 电磁波具有波的共性 可以发生衍射现象 故b正确 电磁波是横波 能发生偏振现象 故c错 电磁波能携带信息传播 且传播不依赖介质 在真空中也可以传播 故a d错 2 一切物体都在不停地向外辐射红外线 不同物体辐射出来的红外线不同 采用红外线接收器 可以清楚地分辨出物体的形状 大小和位置 不受白天和夜晚的影响 确认出目标可以采取有效的行动 答案 1 b 2 见解析 11 介子是一种不稳定粒子 平均寿命是2 6