【走向高考】高考物理总复习 选34第3讲 电磁场电磁波相对论课件.ppt

温故自查1 变化的磁场产生电场 2 变化的电场产生磁场 3 电磁场 变化的电场和磁场总是互相联系的 形成一个不可分离的统一的场 这就是 电磁场 考点精析麦克斯韦电磁场理论1 均匀变化的磁场产生稳定的电场 不均匀变化的磁场产生变化的电场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 2 均匀变化的电场产生稳定的磁场 不均匀变化的电场产生变化的磁场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 温故自查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 变化的 电磁波 介质 2 如下图所示 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 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 横波 考点精析1 电磁波可以在真空中传播 也可以在介质中传播 2 电磁波具有波的共性 能产生干涉 衍射等现象 温故自查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振荡电路是自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 3 振荡过程如图所示 电路分析 甲图 电场能达到最大 磁场能为零 电路中电流i 0甲 乙 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 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 考点精析1 充电完毕 放电开始 电场能达到最大 磁场能为零 回路中感应电流i 0 2 放电完毕 充电开始 电场能为零 磁场能达到最大 回路中感应电流达到最大 3 充电过程 电场能在增加 磁场能在减小 回路中电流在减小 电容器上电荷量在增加 从能量看 磁场能在向电场能转化 4 放电过程 电场能在减少 磁场能在增加 回路中电流在增加 电容器上的电荷量在减少 从能量看 电场能在向磁场能转化 在振荡电流的形成过程中 几个主要物理量的变化情况是 1 电容器电荷量q 两极间电压u 电场能e电变化规律相同 2 线圈中电流i 磁场能e磁变化规律相同 3 电容器放电时 q u e电均减小 i e磁则增大 放电结束时 q u e电为零而i e磁达最大 电容器充电时 情况相反 温故自查1 基本概念 无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波 无线电波的波长从根据波长 或频率 通常将无线电波分成几个波段 每个波段的无线电波分别有不同的用途 几毫米到几十千米 2 无线电波的发射无线电波的发射必须采用开放电路 如图甲所示 开放电路由振荡器 天线 等几部分组成 在发射用于通信等无线电波时 必须让电磁波随各种信号而改变 这一过程叫调制 使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅 使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频 互感线圈 地线 3 无线电波的接收无线电波的接收必须采用调谐电路 如图乙所示 调谐电路由可变电容器 天线 地线等几部分组成 当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时 接收电路产生的振荡电流最强 这种现象叫电谐振 使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐 另外 要还原为原始的信号 还必须有检波等解调过程 电感线圈 考点精析1 调制与解调的区别 在无线传播技术中 首先将声音 图象信息通过声电转换 光电转换等方式转化为电信号 但这种电信号频率较低 不能用来直接发射电磁波 所以要把传递的低频信息加载到高频信息上 使电磁波的频率或振幅随各种信号而改变 使调频电磁波能够载着低频电信号发射和传播 这种方法叫调制 从接收到的调频振荡中分享出来所携带的信号的过程叫检波 也叫解调 2 调幅与调频的区别 让高频电磁波的振幅随信号的强弱变化而变化的调制过程叫调幅 一般地 广播电台的中波 短波广播以及电视广播中的图象信号都是采用调幅波 让高频电磁波的频率随信号变化而变化的调制过程叫调频 一般的 广播电台的立体声广播以及电视广播中的伴音广播都是采用调频波的 温故自查1 电视在电视的发射端 用摄像管将光信号转换为电信号 利用电信号对高频振荡进行调制然后通过天线把带有信号的电磁波发射出去 在电视的接收端 通过调谐 检波 解调等过程将电信号送到显像管 再由显像管将电信号还原成图像 2 雷达雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备 是利用电磁波遇到障碍物后发生反射的现象工作的 电磁波是振荡器输出的高频振荡电流通过感应耦合传输给开放电路 实现电磁波向四周的发射 在无线电技术中 用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波 考点精析1 电视系统是将图像和伴音信号转变为电信号 调制到高频电磁波上经过发射 接收 然后再还原成图像和伴音的装置 2 雷达用的是微波波段 因为电磁波波长越短 传播的直线性越好 反射性能越强 所以雷达用的是微波波段 温故自查1 电磁波按波长由大到小的顺序为 无线电波 红外线 可见光 紫外线 x射线 射线 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周期性运动产生 可见光由原子的外层电子受激后产生 x射线由原子的内层电子受激后产生 射线是原子核受到激发后产生的 3 不同电磁波的特性不同 无线电波易发生干涉和衍射 红外线有显著热作用 可见光可引起视觉反应 紫外线有显著的化学作用 x射线的穿透能力很强 射线的穿透能力更强 4 各种电磁波的产生机理及性质 考点精析1 红外线辐射的应用所谓热辐射 主要就是指红外线辐射 红外线在生产和军事上有着重要应用 例如用红外线烘干油漆 干得快 质量好 由于坦克 舰艇 人体等一切物体都在不停地发射红外线 并且不同的物体所辐射的红外线 其波长和强度不同 故在夜间或浓雾天气可通过红外线探测器来接收信号 并用电子仪器对接收到的信号进行处理 或用对红外线敏感的照相底片进行远距离摄影和高空摄影 就可察知物体的形状和特征 这种技术称为红外线遥感 利用遥感技术可在飞机或卫星上勘测地形 地貌 监测森林火情和环境污染 预报台风 寒潮 寻找水源或地热等 此外 根据物质对红外线的吸收情况 可以研究物质的分子结构 2 可见光在电磁波谱中 可见光只占很小的波段 即波长范围在400 760nm之间 这些电磁波能使人眼产生视觉 人眼所看见的不同颜色的光 实际上是不同波长的电磁波 白光则是各种颜色 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 的可见光的混合 波长最长的可见光是红光 630 760nm 波长最短的光是紫光 400 430nm 3 紫外线在医疗上有其应用 许多昆虫对紫外线特别敏感 可用紫外灯来诱捕害虫 紫外线还会引起强烈的化学作用 使照相底片感光 另一方面 波长为290 320nm的紫外线 对生命有害 臭氧对太阳辐射的紫外线的吸收能力极强 有95 以上可被它吸收 臭氧层在地球上方10 50km之间 它是地球生物的保护伞 1 紫外线具有化学作用 可利用紫外线杀菌消毒 2 紫外线有显著的生理作用 能促进人体对钙的吸收 改善人的身体健康 3 紫外线具有荧光作用 可以用来设计防伪措施 4 伦琴射线x射线又称伦琴射线 欲称x光 是波长比紫外线更短的电磁波 它一般是由伦琴射线管产生的 也可由高速电子流轰击金属靶产生 它是由原子中的内层电子发射的 x射线具有很强的穿透能力 能使照相底片感光 使荧光屏发光 这种性质 在医疗上广泛用于透视和病理检查 工业上可作为工业探伤等无损检测的必要手段 由于x射线的波长与晶体中原子间距的线度相当 也常被用来分析晶体结构 5 射线 射线是一种比x射线波长更短的电磁波 它的波长在0 3nm以下 它来自宇宙射线或是由某些放射性元素在衰变过程中放射出来的 射线的能量极高 穿透能力比x射线更强 也可用于金属探伤等 通过对 射线的研究 还可帮助了解原子核的结构 此外 原子武器爆炸时 有大量 射线放出 温故自查1 经典相对性原理 1 惯性系 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立 这个参考系叫做 相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 2 伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 惯性系 2 狭义相对论的两个基本假设 1 爱因斯坦相对性原理 在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 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相同的 考点精析1 惯性系和非惯性系的区别牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系 匀速运动的汽车 轮船等作为参考系就是惯性系 牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系 例如我们坐在加速的车厢里 以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动 根据牛顿运动定律 房屋树木应该受到不为零的合外力作用 但事实上没有 也就是牛顿运动定律不成立 这里加速的车厢就是非惯性系 2 伽利略相对性原理和其他表述 1 在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动 2 任何惯性系都是平权的 3 光速是极限速度根据麦克斯韦电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度是光速c 那么此速度相对于哪个参考系 如果它相对于参考系s是正确 另外还有一个参考系s s 相对于s以速度v运动 若依据速度合成法则 光相对于s 的速度应是c v 或者是c v 而不是c 若是c v 这不是就存在 超光速 了 事实上由相对论可知 光速为极限速度 是不变的 因此伽利略速度合成法则在这里是不适用的 温故自查1 时间的相对性 1 同时的相对性 在一个惯性参考系中 同时 发生的两个事件 在另一个惯性参考系中可能是不同时的 即同时是相对的 2 时间间隔的相对性 当从地面观察以速度v前进的火车时 车上的时间进程变慢了 不仅时间变慢了 物理 化学过程和生命的过程都变慢了 这称为时间膨胀 关系式为 2 空间的相对性 1 长度的相对性 相对地面以速度v运动的物体 从地面上看 沿着运动方向上的长度变短了 速度越大 变短的越多 关系式为 考点精析1 经典物理学时空观与相对论时空观的区别经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的 是绝对的 空间与时间之间是没有联系的 而相对论则认为空间和时间与物质的运动状态有关 在一个确定的参考系中观察 运动物体的长度 空间距离 和物理过程的快慢 时间进程 都跟物体的运动状态有关 相对论更具有普遍性 经典物理学时空观是相对论在低速运动时的特例 2 同时 的相对性理解狭义相对论的时空观认为 同时是相对的 即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件 在另一个惯性系中不一定是同时的 用爱因斯坦列车加以说明 如下图所示 火车以v匀速直线运动 车厢中央有一闪光灯发出光信号 光信号到车厢前壁为事件1 到后壁为事件2 地面为s系 列车为s 系 在s 系中 a以速度v向光接近 b以速度v离开光 事件1与事件2同时发生 在s系中 光信号相对车厢的速度v1 c v v2 c v 事件1与事件2不是同时发生 即s 系中同时发生的两个事件 在s系中观察却不是同时发生的 因此 同时 具有相对性 1 观察运动的物体其长度要收缩 收缩只出现在运动方向 固有长度值最大 如下图所示 2 低速空间相对论效应可忽略 3 长度收缩是相对的 k系认为静止在k 系中的尺收缩 反之 k 系认为静止在k系中的尺收缩 命题规律根据麦克斯韦电磁场理论 判断是否产生电磁波 考例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 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言了电磁波的存在 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 总结评述 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 关于电磁波 下列说法中正确的是 a 在真空中 频率高的电磁波速度较大b 在真空中 电磁波的能量越大 传播速度越大c 电磁波由真空进入介质 速度变小 频率不变d 只要发射电路的电磁振荡停止 产生的电磁波立即消失 答案 c 解析 在真空中 各种频率的电磁波传播的速度都相等 与电磁波的能量无关 所以选项a和b错误 电磁波的频率由产生电磁场的振荡电路决定 与介质无关 电磁波传播的速度与介质有关 选项c正确 电磁波从发射电路向空间传播时 电磁场的能量也随同一起传播 所以电磁振荡停止 产生的电磁波不会立即消失 命题规律考查雷达的工作原理及应用 考例2 80年代初 科学家发明了硅太阳能电池 如果在太空设立太阳能卫星电站 可24小时发电 且不受昼夜气候的影响 利用微波 电能转换装置 将电能转换成微波向地面发送 卫星电站的最佳位置在离地1100km的赤道上空 微波定向性很好 飞机通过微波区不会发生意外 但微波对飞鸟是致命的 可在地面站附近装上保护网或驱逐音响 不让飞鸟通过 预计在21世纪初地球上空将建起卫星电站 地球半径r 6400km 1 太阳能电池将实现哪种转换 a 光能 微波b 光能 热能c 光能 电能d 电能 微波 2 在1100km高空的卫星电站的速度约为 a 3 1km sb 7 2km sc 7 9km sd 11 2km s 3 微波是 a 超声波b 次声波c 电磁波d 机械波 4 飞机外壳对微波的哪种作用 使飞机安全无恙 a 反射b 吸收c 干涉d 衍射 5 微波对飞鸟是致命的 这是因为微波的 a 电离作用b 穿透作用c 生物电作用d 产生强热效应 答案 1 c 2 b 3 c 4 a 5 d 总结评述 电磁波的发射 接收等知识与生产生活联系密切 对相关知识不要深究 但也要有所了解 同时以此为科技背景也可考查其他章节的有关知识 如本题第 2 问 值得引起重视 某雷达工作站 发射电磁波的波长为 20cm 每秒脉冲数n 5000 每个脉冲持续时间t 0 02 s 问电磁波的频率为多少 最大的侦察距离是多少 答案 1 5 109hz3 104m 雷达工作时发射电磁脉冲 每个脉冲持续t 0 02 s 在两个脉冲时间间隔内 雷达必须接收到反射回来的电磁脉冲 否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量 设最大侦察距离为s 则2s v t 而 t 1 5000s 200 s 0 02 s 脉冲持续时间可以略去不计 所以s v t