第13章 第3讲 电磁振荡与电磁波 相对论-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

第3讲　电磁振荡与电磁波 相对论 第十三章　交变电流　传感器 电磁波　相对论 基础知识 自主梳理 核心知识 典例研析 分层训练 巩固提高 考点一　电磁振荡过程分析 考点二　电磁波的产生、发射和接收及应用 考点三　相对论及简单应用 内容索引 基础知识 自主梳理 一 3 一、电磁振荡、电磁波 1．电磁振荡(以LC振荡电路为例) (1)产生：在LC振荡电路中，电容器不断地充电和放电，就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E、线圈内的磁感应强度B发生周期性的变化，这种现象就是电磁振荡。 2．麦克斯韦电磁场理论与电磁场 如图所示，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场；_________________________总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场。 变化的电场和变化的磁场 3．电磁波的产生和传播 (1)产生：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______(选填“纵波”或“横波”)，在空间中传播不需要______。 ②真空中电磁波的速度为________ m/s。 ③公式v＝λf对电磁波同样适用。 ④电磁波能产生反射、______、干涉和______等现象。 横波 介质 3×108 折射 衍射 (2)电磁波的发射 ①发射条件：足够高的振荡频率和______电路。 ②调制分类：________和________。 (3)电磁波的接收 ①调谐：使接收电路产生________的过程。 ②解调：使声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程。 开放 调幅 调频 电谐振 4．电磁波谱 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γ射线，形成电磁波谱。 电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 频率 由左向右，频率变化为由低到高 真空中的波长 由左向右，波长变化为由长到短 无线电波 电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 特性 波动性强 热效应强 感光 性强 化学作用、荧光效应强 穿透力强 穿透力最强 用途 通信、广播、天体物理研究 遥控、遥测、加热、红外摄像、红外制导 照明、照相等 杀菌、防伪、治疗皮肤病等 检查、探测、透视 探测、治疗 二、狭义相对论的基本假设　质能关系 1．狭义相对论的两个基本假设 (1)狭义相对性原理 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是________。 (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________，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。 相同的 相同的 2．质能关系 用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：E＝________。 mc2 二 核心知识 典例研析 12 考点一　电磁振荡过程分析 基础考点 1．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像 2．LC振荡电路充、放电过程的判断方法 (1)根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程。 (2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电荷量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程。 (3)根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。 [典例1]　(多选)图甲是LC振荡回路中电流随时间变化的关系图像，若以图乙回路中顺时针方向的电流为正，图a、b、c、d均对应电场能或磁场能最大的时刻。下列说法正确的是(　　) [典例2]　(2024·广西桂林高三开学考)在理想LC振荡电路中，某时刻电容器C两极板间的电场强度E的方向如图所示，M是电路中的一点。若此时刻电容器正在充电，则(　　) A.电路中的磁场能在增大 B．电容器所带的电荷量在减小 C．电容器两极板间的电压在增大 D．流过M点的电流方向向右 C 题中已知此时刻电容器正在充电，则电路中的磁场能逐渐减小，正极板在上方，所以流过M点的电流方向向左，电荷量增大，根据Q＝CU，可知电容器两极板间的电压在增大，故选C。 B 考点二　电磁波的产生、发射和接收及应用 基础考点 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 2．对电磁波的理解 (1)电磁波是横波。电磁波的电场E、磁场B、传播方向v三者两两垂直，如图所示。 (2)电磁波与机械波不同，机械波的传播依赖于介质，且传播的速度与介质有关，电磁波的传播不需要介质，在介质中传播的速度与介质和频率均有关。 3．“调幅”和“调频”的区别 (1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波。如图所示是调幅的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调幅的高频振荡电流的波形。 (2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号，采用调频波。如图所示是调频的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调频的高频振荡电流的波形。 4．电磁波谱分析及应用 电磁波谱 频率/Hz 真空中的波长/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 衍射能力减弱，直线传播能力增强 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 电磁波谱 频率/Hz 真空中的波长/m 特性 应用 递变规律 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 衍射能力减弱，直线传播能力增强 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 贯穿本领更强 工业探伤、医用治疗 [典例4]　(多选)关于无线电波的接收，下列说法中正确的是( 　　) A．当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时，该电磁波在接收电路中激起的感应电流最大 B．使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐 C．收音机的接收电路是LC振荡电路 D．从接收到的高频率振荡中“检”出所携带的信号，叫作调谐 ABC 接收电路与电磁波发生电谐振时，即接收电路的固有频率等于电磁波的频率时，电路中激起的感应电流最大，选项A正确；根据调谐概念可知，选项B正确，D错误；收音机的接收电路是LC振荡电路，选项C正确。 [典例5]　(多选)(2023·山东济宁模拟)关于电磁波，下列说法正确的是(　 　) A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 ABC 电磁波在真空中的传播速度均为光速，与电磁波的频率无关，故A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故B正确；电磁波为横波，它在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直，故C正确；电磁波可以在介质中传播，所以可以通过电缆、光缆进行有线传播，也可以不需要介质进行传播，即无线传播，故D错误。 [典例6]　关于电磁波的应用，下列说法正确的是(　　) A．红外线、X射线、γ射线中红外线的波长最短 B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 C．微波主要用于广播及其他信号的传播 D．X射线可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞 CD 红外线、X射线、γ射线中红外线的频率最小，波长最长，故A错误；银行的验钞机发出的光是紫外线，家用电器的遥控器发出的是红外线，故B错误；微波不但能加热物体，而且能传播信息，故可以用于通信、广播及其他信号传输，故C正确；X射线有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，γ射线有极强的穿透能力和很高的能量，可以摧毁病变的细胞，故D正确。 考点三　相对论及简单应用 能力考点 1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫作惯性系。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．相对论中的五个公式 [典例7]　1905年到1915年，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法正确的是(　　) A．狭义相对论的两条基本假设是不确定关系与光速不变原理 B．飞船以0.2c的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为1.2c C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 D．已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当它以0.99c的速度飞行，若以地面为参考系，此时μ子的平均寿命变长 [答案]　D 狭义相对论的两条基本假设是狭义相对性原理与光速不变原理，故A项错误；根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是c，故B项错误；在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现就否定了牛顿力学，牛顿力学仍然是正确的，故不会过时也不会失去价值，故C项错误；当μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs，当它以0.99c的速度飞行，若以地面为参考系，此时μ子的平均寿命变长，故D项正确。 [典例8]　(1)一列火车以速度v匀速行驶，车头、车尾各有一盏灯，某时刻路基上的人看见两灯同时亮了，那么车厢中的人看见的情况是什么呢？ [答案]　(1)车头的灯先亮　 (1)由同时的相对性可知车头的灯先亮。 (2)一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2×108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？ [答案]　(2)3.7×5 m2的宣传画　 (3)远方的一颗星球以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？ [答案]　(3)3昼夜 三 分层训练 巩固提高 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 【A级·夯实基础】 1．根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是(　　) A．微波、红外线、紫外线 B．γ射线、X射线、紫外线 C．紫外线、可见光、红外线 D．紫外线、X射线、γ射线 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误。紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误。在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，故B正确，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2．(多选)在狭义相对论中，下列说法正确的有(　　) A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速 B．质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关 C．时间间隔的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关 D．在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中也是同时发生的 AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 根据狭义相对论可知，光速是速度的极限值，而且是不变的，所以A正确；根据狭义相对论可知，长度、质量、时间间隔都与运动状态有关，且都给出了具体的计算公式，所以B正确，C错误；同时是相对的，所以D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3．(2023·上海虹口质检)以下关于电磁场和电磁波的说法中正确的是(　　) A．电场和磁场总是同时存在的，统称为电磁场 B．电磁波是机械波，传播需要介质 C.电磁波的传播速度是3×108 m/s D．电磁波是一种物质，可在真空中传播 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 变化的电场与变化的磁场相互联系，它们统称为电磁场，选项A错误；电磁波不是机械波，传播不需要介质，选项B错误；电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，选项C错误；电磁波是一种物质，可在真空中传播，选项D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 4．2022年3月23日，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，航天员太空授课的画面(如图)通过电磁波传输到地面接收站。关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波在任何介质中的传播速度都为3×108 m/s B．将手机放在真空塑料袋中，拨打该手机，手机不 能接收信号 C．赫兹首先用实验证实了电磁波的存在 D．麦克斯韦认为，变化的电场一定产生变化的磁场，变化的磁场一定产生变化的电场 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 电磁波在真空中传播的速度都是3×108 m/s，而在介质中的传播速度要小于3×108 m/s，故A错误；电磁波的传播不需要介质，故将手机放在真空塑料袋中，拨打该手机，手机能接收信号，故B错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，故C正确；根据麦克斯韦的电磁场理论可知，均匀变化的电场产生恒定不变的磁场，均匀变化的磁场产生恒定不变的电场，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 5．(多选)下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法中正确的是(　　) A．经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强 B．经过调制后的电磁波在空间传播得更快 C．经过调制后的电磁波在空间传播的波长不变 D．经过调制后的电磁波在空间传播的波长改变 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 调制是把要发射的信号“加”到高频振荡电流上去，频率越高，传播信息能力越强，A正确；电磁波在空气中的传播速度接近光速且恒定不变，B错误；由v＝λf，知波长与波速和传播频率有关，C错误，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 7．如图表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是(　　) A．电容器正在充电 B．电感线圈中的磁场能正在减小 C．电感线圈中的电流正在减小 D．此时自感电动势正在阻碍电流的增加 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 根据磁感线的方向可以判断电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A错误；电容器在放电，所以电流在增加，磁场能在增加，自感电动势正在阻碍电流的增加，B、C错误，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 【B级·能力提升】 8．实际发射无线电波的过程如图甲所示。高频振荡器产生高频等幅振荡电流如图乙所示，人对着话筒说话时产生低频信号如图丙所示。根据以上图像，发射出去的电磁波图像应是选项中哪一个(　　) B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 高频振荡器产生高频等幅振荡电流，话筒里边有碳膜电阻，它的阻值随压力变化而变化。当人对着话筒说话时，空气对它的压力随着声音而变化，那么它的电阻也就随声音信号而变化，振荡电流的振幅也就随着声音信号而变化，这就是调制。它不但影响了正半周，也影响了负半周，故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 9．(多选)如图(a)所示，在LC振荡电路中，通过P点的电流变化规律如图(b)所示，且把通过P点向右的方向规定为电流i的正方向，则(　　) A.0.5～1 s时间内，电容器C在放电 B．0.5～1 s时间内，电容器C的上极 板带正电 C．1～1.5 s时间内，Q点的电势比P点的电势高 D．1～1.5 s时间内，电场能正在转变成磁场能 CD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 0.5～1 s时间内，振荡电流是充电电流，充电电流是由负极板流向正极板，故A、B错误；1～1.5 s时间内，振荡电流是放电电流，放电电流是由正极板流向负极板，由于电流为负值，所以由Q流向P，Q点的电势比P点的电势高，电场能正在转变成磁场能，故C、D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10．假设一接近光速运行的高速列车在轨道上运行，列车上的窗户高为h，宽为d，高速列车轨道旁边有一广告牌，广告牌高为H，宽为L。在高速列车上有一观察者甲，另一观察者乙站在高速列车轨道旁边，有关两位观察者的判断，下列说法正确的是(　　) A．观察者乙看到车窗高度小于h B．观察者乙看到车窗宽度小于d C．观察者甲看到轨道旁边的广告牌宽度大于L D．观察者甲看到轨道旁边的广告牌高度小于H B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 根据运动的“尺缩效应”，可知站在高速列车轨道旁边的观察者乙看到车窗宽度小于d，车窗高度等于h，B正确，A错误；高速列车上的观察者甲看到轨道旁边的广告牌宽度小于L，广告牌高度等于H，C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 11．如图所示为一理想LC电路，已充电的平行板电容器两极板水平放置。电路中开关断开时，极板间有一带电灰尘(图中未画出)恰好静止。若不计带电灰尘对电路的影响，重力加速度为g，灰尘运动时间大于振荡电路周期。当电路中的开关闭合以后，则(　　) A．灰尘将在两极板间做往复运动 B．灰尘运动过程中加速度方向可能会向上 C．电场能最大时灰尘的加速度一定为零 D．磁场能最大时灰尘的加速度一定为g D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 当开关断开时，灰尘静止，则有Eq＝mg，此时电场能最大，极板间电场强度最大，若开关闭合，电场能减小，极板间电场强度减小，则灰尘会向下极板运动，振荡回路磁场和电场周期性改变，根据对称性可知当电场方向和初始状态相反且电场能最大时，静电力方向竖直向下，和重力方向相同，此时灰尘的加速度为2g，所以灰尘的加速度不可能向上，灰尘的加速度大于等于0，且一直向下，所以灰尘不会在两极板间做往复运动，故A、B、C错误；当磁场能最大时，电场能 为0，极板间电场强度为0，灰尘只受重力，加速度 一定为g，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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