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相对论和波粒二象性
第5课时 电磁波与相对论
考纲解读
1.明白电磁波是横波.2.了解电磁波的产生、传播、发射和接收,熟记电磁波谱.3.了解狭义相对论的大体假设和几个重要结论.
1.[关于电磁波谱问题]电磁波包括了γ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、γ射线
B.红外线、无线电波、γ射线、紫外线
C.γ射线、红外线、紫外线、无线电波
D.紫外线、无线电波、γ射线、红外线
答案 A
解析 电磁波的波长范围很广,按波长由长到短的顺序排列,其顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线.所以,A的排列顺序是正确的.
2.[相对论的理解]关于狭义相对论的说法,不正确的是( )
A.狭义相对论以为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的
B.狭义相对论以为在一切惯性参考系中,光在真空中的速度都等于c,与光源的运动
无关
C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系
D.狭义相对论任何情形下都适用
答案 D
解析 狭义相对论以为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,选项A正确;狭义相对论以为在一切惯性参考系中,光在真空中的速度都等于c(光速不变原理),与光源的运动无关,选项B正确;狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系,故选项C正确,D错误.
考点梳理
1.电磁波的特性
(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)电磁波的频率f、波长λ和波速v的关系:
v=λf.
(4)电磁波是横波,具有波的特性,能产生干与、衍射等现象.
2.电磁波的发射与接收
(1)电磁振荡(LC电路)的周期T=2π
,频率f=
.
(2)发射电磁波的条件:
①振荡电路要有足够高的频率.②振荡电路应采用开放电路.
发射电磁波需通过调制进程,调制的方式分为调频和调幅.接收电磁波需通过解调进程,解调是调制的逆进程.
3.狭义相对论
(1)狭义相对论的大体假设
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)时刻距离的相对性Δt=
.
(3)长度的相对性l=l0
.
(4)相对论的速度变换公式u=
.
(5)相对论质量m=
.
(6)质能方程E=mc2.、
考点一 电磁波谱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
红外线
1011~
1015
10-3~
10-7
热效应
红外遥感
可见光
1015
10-7
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
贯穿本领强
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
特别提示 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,易发生干与、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无很明显的界限,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.
例1
下列说法中正确的是( )
A.红外线、紫外线、伦琴射线和γ射线在真空中传播的速度均一样,均为3×108m/s
B.红外线应用在遥感技术中,是利用它穿透本领强的特性
C.紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度
D.日光灯是紫外线的荧光效应的应用
解析 不同波长的电磁波在真空中的传播速度均为c;红外线在遥感技术顶用到了它的衍射现象;紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度;利用紫外线的荧光效应能够制成日光灯.由此可知A、C、D正确.
答案 ACD
冲破训练1
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.使电磁波随各类信号而改变的技术叫做解调
C.用红外线照射时,大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光
D.转变的电场能够产生磁场
答案 D
解析 雷达是用微波测定物体的位置,A错;使电磁波随各类信号而改变的技术叫调制,B错;使钞票上的荧光物质发出可见光的是紫外线,C错;按照麦克斯韦电磁场理论,转变的电场能够产生磁场,D正确.
考点二 对狭义相对论的理解
1.惯性系:
若是牛顿运动定律在某个参考系中成立,那个参考系叫做惯性系.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.光速的大小与选取的参考系无关,因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的,无任何前提条件.
3.狭义相对论以为物体的质量m与物体的速度v有关,其关系式为m=
.
例2
如图1所示,考虑几个问题:
图1
(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 按照狭义相对论的一个大体假设:
光速不变原理,可知光速是不变的,都应是c.
答案
(1)c
(2)c (3)c
冲破训练2
据报导,欧洲大型强子对撞机(LHC)已于2008年9月10日开启,并加速了第一批质子,该对撞机“开足马力”后能把数以百万计的粒子加速至每秒钟30万千米,相当于光速的%,粒子流每秒可在隧道内狂飙11245圈,单束粒子能量可达7万亿电子伏特.下列说法正确的是( )
A.若是继续对粒子进行加速,粒子的速度将能够达到光速
B.若是继续对粒子进行加速,粒子的速度将能够超过光速
C.粒子高速运动时的质量将大于静止时的质量
D.粒子高速运动时的质量将小于静止时的质量
答案 C
解析 按照公式u=
可知物体的速度u不可能等于或大于光速,所以A、B错误.按照公式m=
可知高速运动的物体的质量m大于静止时的质量m0,所以C正确,D错误.
高考题组
1.(2009·北京·15)类比是一种有效的学习方式,通过归类和比较,有助于掌握新知识,提高学习效率,在类比进程中,既要找出一路的地方,又要抓住不同的地方.某同窗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、波长和波速三者知足的关系,对电磁波也适用
B.机械波和电磁波都能产生干与和衍射现象
C.机械波的传播依赖于介质,而电磁波能够在真空中传播
D.机械波既有横波又有纵波,而电磁波只有纵波
答案 D
2.(2011·江苏·12B
(1))如图2所示,沿平直铁线路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( )
图2
A.同时被照亮B.A先被照亮
C.C先被照亮D.无法判断
答案 C
解析 列车上的观察者看到的是由B动身后通过A和C反射的光,由于列车在这段时刻内向C运动靠近C,而远离A,所以C的反射光先抵达列车上的观察者,看到C先被照亮,故只有C正确.
模拟题组
3.下列关于紫外线的几种说法中正确的是( )
A.紫外线是一种紫色的可见光
B.紫外线的频率比红外线的频率低
C.紫外线可使钞票上的荧光物质发光
D.利用紫外线能够进行电视机等电器的遥控
答案 C
解析 紫外线的波长比可见光中紫光的波长还短,不能引发视觉,选项A错误;紫外线的频率比红外线的频率高,选项B错误;紫外线有荧光作用,可激发钞票上的荧光物质发出荧光,选项C正确;电视机等电器都是利用红外线遥控的,选项D错误.
4.对于公式m=
,下列说法中正确的是( )
A.公式中的m0是物体以速度v运动时的质量
B.当物体运动速度v>0时,物体的质量m>m0,即物体的质量改变了,故经典力学不
适用
C.当物体以较小的速度运动时,质量转变十分微小,经典力学理论仍然适用,只有当物体以接近光速运动时,质量转变才明显,故经典力学仅适用于低速运动,而不适用于高速运动
D.通常由于物体的速度过小,质量的转变不能引发咱们的感觉,在分析地球上物体的运动时,没必要考虑质量转变
答案 CD
解析 公式中的m0是物体的静止质量,在v远小于光速时,经典力学仍然成立,故A、B错,C、D对.
(限时:
25分钟)
►题组1 电磁波谱、电磁波及其应用
1.下列说法正确的是( )
A.麦克斯韦证明了光的电磁说的正确性
B.红外线的显高作用是热作用,紫外线最显著的作用是化学作用
C.X射线的穿透本领比γ射线更强
D.X射线与γ射线的产生机理不同,因此它们的频率范围界限分明,不可能重叠
答案 B
解析 麦克斯韦提出了光的电磁说,赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性.X射线是原子的内层电子受激发而产生的,γ射线是原子核受激发而产生的,产生机理确实不同,但X射线和γ射线都有一个较大的频率范围,较高频率的X射线与较低频率的γ射线产生了重叠,其他相邻电磁波间也存在重叠.综上所述,A、D选项不正确,B选项与事实一致,C选项与事实相反.所以只有选项B正确.
2.下列说法正确的是( )
A.火车过桥时要减速是为了避免火车发生共振
B.“闻其声不见其人”是波的衍射现象
C.电磁波谱中最容易发生衍射现象的是γ射线
D.利用雷达测动身射微波脉冲及接收到脉冲的时刻距离能够肯定雷达和目标的距离
答案 BD
解析 火车过桥时要减速是为了避免桥梁发生共振,选项A错误;“闻其声不见其人”是声波的衍射现象,选项B正确;电磁波谱中最不容易发生衍射现象的是γ射线,选项C错误;利用雷达测动身射微波脉冲及接收到脉冲的时刻距离能够肯定雷达和目标的距离,选项D正确.
3.下列关于电磁波的说法正确的是( )
A.电磁波必需依赖介质传播
B.电磁波能够发生衍射现象
C.电磁波不会发生偏振现象
D.电磁波无法携带信息传播
答案 B
解析 按照电磁波的产生机理及传播特性可知,电磁波的传播不需要依赖介质,选项A错误;干与、衍射是所有波都具有的一路特性,选项B正确;由于电磁波是横波,故能发生偏振现象,选项C错误;电磁波能够携带图象、声音等信息进行传播,选项D错误.
4.电磁波与声波比较( )
A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质
B.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大
C.由空气进入水中时,电磁波波长变小,声波波长变大
D.电磁波和声波在介质中的传播速度,都是只由介质决定,与频率无关
答案 ABC
解析 能够按照电磁波的特点和声波的特点进行分析,选项A、B均与事实相符,所以A、B项正确;按照λ=
,电磁波速度变小,频率不变,波长变小;声波速度变大,频率不变,波长变大,所以选项C正确;电磁波在介质中的速度与介质有关,也与频率有关,所以选项D错误.
5.关于γ射线,以下说法中正确的是( )
A.γ射线比伦琴射线频率更高,穿透能力更强
B.γ射线可用来检测金属材料内部伤痕、裂痕、气孔等
C.利用γ射线穿透力强可制成金属测厚计来检测金属板的厚度
D.“γ刀”是利用了γ射线的强穿透能力
答案 ABC
6.(2010·江苏单科·12B
(1))激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用普遍.下面关于激光的叙述正确的是( )
A.激光是纵波
B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C.两束频率不同的激光能产生干与现象
D.利用激光平行度好的特点能够测量月球到地球的距离
答案 D
解析 电磁波是横波,A项错;光在不同介质中传播速度不同,波长也不同,B项错;相干光的条件是频率相同,C项错,D项正确.
题组2 对狭义相对论的考查
7.对相对论的大体熟悉,下列说法正确的是( )
A.相对论以为:
真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的
B.爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量
C.在高速运动的飞船中的宇航员会发觉飞船中的时钟与他观察到的地球上的时钟走得一样快
D.咱们发觉竖直向上高速运动的球在水平方向上长度变短了
答案 A
解析 真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的,选项A正确;爱因斯坦通过质能方程阐明了质量与能量的联系,但不能以为质量就是能量,选项B错误;按照相对论可知运动的时钟变慢,选项C错误;竖直向上高速运动的球在水平方向上长度不变,沿运动方向上的长度才会变短,选项D错误.
8.惯性系S中有一边长为l的正方形(如图所示).从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是( )
答案 C
解析 按照相对性原理,当正方形沿x方向以接近光速匀速飞行时,在运动方向上会出现长度收缩效应,而在垂直于运动方向上则不会出现长度收缩效应,故C正确.
9.相对论以为时刻和空间与物质的速度有关;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,该乘客以为闪光向前、向后传播的速度相等,都为c,站在铁轨隔壁地面上的观察者以为闪光向前、向后传播的速度________(选填“相等”或“不等”).而且,车上的乘客以为,电筒的闪光同时抵达列车的前、后壁,地面上的观察者以为电筒的闪光先抵达列车的________(选填“前”或“后”)壁.
答案 相等 后
解析 按照光速不变原理,站在铁轨隔壁地面上的观察者以为闪光向前、向后传播的速度相等;地面上的观察者以为,由于列车运动,电筒的闪光先抵达列车的后壁.
题组3 机械波、光学与相对论的组合
10.
(1)如图1所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者A观测到钟的面积为S,另一观察者B以倍光速平行y轴正方向运动,观测到钟的面积为S′.则S和S′的大小关系是________.(填写选项前的字母)
A.S>S′B.S=S′
C.S
图1
(2)一束细光束由真空沿径向射入一块半圆柱形透明体,如图2(a)所示,对其射出后的折射光线的强度进行记录,发觉折射光线的强度随着θ的转变而转变,如图(b)图线所示.此透明体的临界角为________,折射率为________.
图2
(3)一列简谐横波,在t=s时刻的波形图象如图3甲所示,波上A质点的振动图象如图乙所示,求该波传播速度的大小和方向.
图3
答案
(1)A
(2)60°
(3)25m/s,沿+x方向传播
解析 (3)由题图知该波的周期为T=s,
波长为λ=20m,v=
=25m/s
由题图乙知波上A点在s时正由平衡位置向下运动,所以波沿+x方向传播.
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- 相对论 二象性