电磁波与相对论(含答案)

第5课时 电磁波与相对论

导学目标 1.掌握麦克斯韦电磁场理论的两个要点，理解电磁波的概念.2.掌握电磁波的产生及其传播、发射和接收，掌握电磁波谱.3.掌握狭义相对论的基本假设和几个重要结论，以及相对论质能关系式．

一、电磁场与电磁波 [基础导引]

麦克斯韦关于电磁场理论的主要论点是什么？请用麦克斯韦的电磁场理论说明电磁波是怎样产生的． [知识梳理]

1．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． 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． 3．电磁波

电磁场(电磁能量)由近及远地传播形成电磁波． (1)电磁波是______波，在空间传播__________介质． (2)真空中电磁波的速度为________ m/s. 二、无线电波的发射和接收 [知识梳理]

1．发射电磁波的条件

(1)要有足够高的振荡频率；

(2)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．调制有________和________两种方式，________是调制的逆过程． 三、相对论的简单知识 [基础导引]

火箭以0.75c 的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号．火箭上测得光离开的速度是c ，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对论原理呢？ [知识梳理]

1．狭义相对论的基本假设

(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的． (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．

2．时间间隔的相对性Δt ＝Δτ

1－⎝⎛⎭⎫v c 2

.

3．长度的相对性l ＝l 01－⎝⎛⎭

⎫v

c 2.

图1

4．相对论的速度变换公式u ＝u ′＋v

1＋u ′v c

2

.

5．相对论质量m ＝m 0

1－⎝⎛⎭⎫v c 2

.

6．质能方程E ＝mc 2.

考点一 对麦克斯韦电磁场理论与电磁波的理解 考点解读

1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2．对电磁波的理解

(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，速度越小．

(3)v ＝λf ，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 ＝1

2πLC ，改变L

或C 即可改变f ，从而改变电磁波的波长λ. 典例剖析

例1 (1)某空间出现了如图1所示的一组闭合的电场线，这可能是 ( ) A ．沿AB 方向磁场在迅速减弱 B ．沿AB 方向磁场在迅速增强 C ．沿BA 方向磁场在迅速增强 D ．沿BA 方向磁场在迅速减弱 (2)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz 至1 000 MHz 的范围内．请回答下列关于雷

达和电磁波的有关问题．

①雷达发射电磁波的波长范围是多少？

②能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的距离？

跟踪训练1 某电路中电场随时间变化的图象如下图所示，能产生电磁波的电场是 ( )

考点二电磁波谱的分析及电磁波的应用

电磁波谱频率

/Hz

真空中

波长/m

特性应用递变规律

无线电波<3×

1011

>10－3

波动性

强，易发

生衍射

无线电技术0

直衍

线射

传能

播力

能

减增

弱强

红外线1011～

1015

10－3～

10－7

热效应红外遥感

可见光101510－7引起视觉照明、摄影

紫外线1015～

1017

10－7～

10－9

化学效

应、荧光

效应、灭

菌消毒

医用消毒、

防伪

X射线1016～

1019

10－8～

10－11

贯穿性强

检查、医用

透视

γ射线>1019<10－11贯穿本领

最强

工业探伤、

医用治疗

特别提醒 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、γ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γ射线都有重叠，但它们产生的机理不同．

典例剖析

例2目前电能都是通过电网采用有线方式传输的．人们一直梦想无线传输电能，梦想在日常生活中实现无线充电，甚至不用电池．现在，一个科学研究小组在实验室中取得了可喜的进展，也许，人类的这一梦想不久就能实现．

(1)实现无线传输能量，涉及能量的________、传播和接收．

(2)科学家曾经设想通过高耸的天线塔，以无线电波的形式将电能输送到指定地点，但一直没有在应用层面上获得成功，其主要原因是这类无线电波() A．在传输中很多能量被吸收

B．在传播中易受山脉阻隔

C．向各个方向传输能量

D．传输能量易造成电磁污染

(3)如果像无线广播那样通过天线塔输送电能，接收器获得的功率P和它到天线塔的距离s

s(m)1245x 10

P(W) 1 600400100y 2516

①上表中的x＝________，y＝________.

②根据表中的数据可归纳出P和s之间的关系式为__________．

(4)为研究无线传输电能，某科研小组在实验室试制了无线电能传输装置，在短距离内点亮了灯泡，如图2所示．实验测得，接在乙线圈上的用电器获得的电能为输入甲线圈电能的35%.

图2

①若用该装置给充电功率为10 W的电池充电，则损失的功率为________W.

②若把甲线圈接入电压为220 V的电源，测得该线圈中的电流为0.195 A．这时，接在乙线圈上的灯泡恰能正常发光，则此灯泡的功率为________W.

(5)由于在传输过程中能量利用率过低，无线传播电能还处于实验室阶段．为早日告别电线，实现无线传输电能的工业化，还需解决一系列问题，请提出至少两个问题．

跟踪训练2关于红外线的以下说法中正确的是() A．不同的物体辐射红外线的波长和强度不同，可以在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射

B．利用红外线的热效应对物体进行烘干

C．利用红外线波长较长，容易发生衍射的特点进行远距离和高空摄影

D．利用不同物体辐射红外线的波长和强度的不同可以对物体进行远距离探测

考点三对质能方程和相对论的理解

考点解读

质能方程表达了物体的质量和它所具有能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应，具体从以下几个方面理解：

1．静止物体的能量为E0＝m0c2，这种能量叫做物体的静质能．每个有质量的物体都具有静质能．

2．对于一个以速率v运动的物体，其动能

E k＝m0c2[

1

1－

v2

c2

－1]．

3．物体的总能量E为动能与静质能之和，即

E＝E k＋E0＝mc2(m为动质量)．