聚焦電磁波和相對論簡介

杜占英

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對電磁振蕩與電磁波的內(nèi)容要求：初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想，以及在物理學(xué)發(fā)展史上的意義;了解電磁波的產(chǎn)生，通過電磁波體會電磁場的物質(zhì)性;了解電磁波的發(fā)射、傳播和接收;通過實例認(rèn)識電磁波譜，知道光是電磁波;了解電磁波的應(yīng)用和在科技、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展中的作用。

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對相對論的內(nèi)容要求：知道狹義相對論的實驗基礎(chǔ)、基本原理和主要結(jié)論;了解經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響;初步了解廣義相對論的幾個主要觀點，以及主要觀測數(shù)據(jù);關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展。

這兩部分內(nèi)容的要求層次都是了解（初步了解）、知道和體會，高考試卷中都是以選擇題的形式出現(xiàn)，難度不大。下面根據(jù)高考考點進(jìn)行分類解析，供同學(xué)們參考。

一、對麥克斯韋電磁場理論的理解

例1

甲、乙兩種磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t變化的規(guī)律如圖1所示，下列說法中正確的是（）。

A.磁場甲能夠產(chǎn)生電場

B.磁場甲能夠產(chǎn)生電磁波

C.磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時產(chǎn)生的電麥克斯韋電磁場理論場最強(qiáng)

D.磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時產(chǎn)生的電場最強(qiáng)

解析：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的磁場甲能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，不能產(chǎn)生電磁波，選項A正確，B錯誤。周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場，磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時產(chǎn)生的電場最弱，磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時產(chǎn)生的電場最強(qiáng)，選項C錯誤，D正確。

答案：AD

二、電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收

1.電磁波的產(chǎn)生和傳播。

電磁場在空間由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波。電磁波是物質(zhì)波，傳播不需要介質(zhì)，在真空中不同頻率的電磁波的傳播速度都相同，都等于光速。電磁波是橫波，在傳播過程中，電磁波的電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和傳播方向三者兩兩相互垂直。不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，電磁波的頻率f、波速v和波長λ滿足關(guān)系式v=λf。

2.電磁波的發(fā)射。

（1）發(fā)射條件：開放電路和高頻振蕩信號，為了利用電磁波傳遞信號，需要對傳輸信號進(jìn)行調(diào)制。

（2）調(diào)制方法：調(diào)幅和調(diào)頻。

3.無線電波的接收：電諧振現(xiàn)象、調(diào)諧電路和解調(diào)。

4.電磁波譜：按照電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜叫電磁波譜。

按波長由長到短排列的電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、Y射線。

例2我國成功研發(fā)的反隱身先進(jìn)米波雷達(dá)堪稱隱身飛機(jī)的克星，它標(biāo)志著我國雷達(dá)研究又創(chuàng)新的里程碑。米波雷達(dá)發(fā)射無線電波的波長在1m～10m范圍內(nèi)，則下列對該無線電波的判斷正確的是（）。

A.米波的頻率比厘米波的頻率高

B.米波和機(jī)械波一樣必須依靠介質(zhì)傳播C.米波與光波一樣會發(fā)生反射現(xiàn)象

D.半波不可能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象

解析：根據(jù)f=可知，電磁波的波長越大，頻率越低，所以米波的頻率比厘米波的頻率低，選項A錯誤。無線電波的傳播不需要介質(zhì)，選項B錯誤。無線電波同光波一樣會發(fā)生反射現(xiàn)象，選項C正確。干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，米波也能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，選項D錯誤。

答案：C

三、對狹義相對論的理解和應(yīng)用

1.狹義相對論的兩個基本假設(shè)。

（1）狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是相同的。

（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，光速與光源、觀測者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。

2.質(zhì)速關(guān)系。

（1）物體的質(zhì)量隨物體速度的增加而增大，物體以速度v運(yùn)動時的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m。之間滿足關(guān)系式m/1-（2/0）

（2）物體運(yùn)動時的質(zhì)量m總要大于靜止時的質(zhì)量m。。

3.質(zhì)能關(guān)系。

用m表示物體的質(zhì)量，用E表示它具有的能量，愛因斯坦質(zhì)能方程為E=mc2。

例3如圖2所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對地面的速度均為v（v接近光速c）。地面上的人測得兩飛船間的距離為L，飛船A上的人測得兩飛船間的距離為x。當(dāng)飛船B向A發(fā)出一光信號時，飛船A上的人測得該信號的速度為v。，下列判斷正確的是（）。

A.x可能等于L

B.x一定大于L

C.v?？赡艽笥赾

D.v。一定大于c

解析：狹義相對論的兩個基本假設(shè)之一是光速不變原理，因此飛船A上的人測得該信號的速度仍等于光速c，選項C、D錯誤。以地面為參考系，在運(yùn)動方向上有尺縮效應(yīng)現(xiàn)象，而飛船B相對A是靜止的，沒有尺縮效應(yīng)現(xiàn)象，因此飛船A上的人測得兩飛船間的距離應(yīng)大于L，選項A錯誤，B正確。

答案：B

四、電磁輻射和引力波

1.電磁輻射。

由同向振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以電磁波的形式傳遞動量和能量，電磁波向空中發(fā)射或傳播形成電磁輻射。

電磁輻射既可以造福人類，也會給環(huán)境帶來負(fù)面影響。產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)的電磁輻射強(qiáng)度就是電磁輻射污染，也被稱為電子煙霧或電子垃圾。電磁輻射污染的來源可分為天然電磁輻射源和人為電磁輻射源。天然電磁輻射源是由大氣中的自然現(xiàn)象而引起的，比如自然放電、雷電、火山爆發(fā)等此類大氣與空氣污染源，具有黑子活動和黑子放射的太陽電磁場源，以及有恒星爆發(fā)、宇宙間電子移動等現(xiàn)象的宇宙電子場源等。人為電磁輻射源是指人工制造的可以產(chǎn)生電磁輻射的各種系統(tǒng)、電器和電子設(shè)備等。

2.引力波。

引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運(yùn)動和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。可能的引力波探測源包括致密雙星系統(tǒng)（白矮星，中子星和黑洞）。現(xiàn)在各種各樣的引力波探測器正在建造或者運(yùn)行當(dāng)中，比如 advanced LIGO（aLIGO）從2015年9月份開始運(yùn)行觀測。在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo 合作團(tuán)隊宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，首次探測到了來自雙黑洞合并的引力波信號。2017年10月16日，全球多國科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。對于引力波的精確測量能夠讓科學(xué)家們更為全面地驗證廣義相對論。

例4下列說法中不正確的是（）。

A.強(qiáng)引力場的作用可使光譜線向紅端偏移

B.在地球上看到的星體位置與實際位置不符，是天體之間引力作用的結(jié)果

C.引力場越強(qiáng)的位置，時間進(jìn)程越快

D.由于太陽引力場的影響，我們可以看到太陽后面的恒星

解析：強(qiáng)引力場作用使光的波長變長，頻率變低，因此光譜線向紅端偏移，選項A正確。根據(jù)廣義相對論可知，物質(zhì)的引力會使光線彎曲，引力越強(qiáng)，彎曲越厲害，因此在地球上看到的星體位置與實際位置不符，選項B正確。根據(jù)廣義相對論可知，引力場越強(qiáng)的位置，時間進(jìn)程越慢，選項C錯誤。根據(jù)廣義相對論的結(jié)論可知，由于太陽引力場的影響，光線發(fā)生彎曲，我們有可能看到太陽后面的恒星，選項D正確。

答案：C

跟蹤訓(xùn)練

1.關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是（）。

A.電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)

B.周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波

C.電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直

D.利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸

E.電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，若波源的電磁振蕩停止，則空間的電磁波隨即消失

2.關(guān)于電磁輻射，下列說法中不正確的是（）。

A.電子設(shè)備不論是否使用，都向外輻射電磁波

B.長期、過量的電磁輻射會對人體產(chǎn)生較大的傷害

C.電磁輻射對電器設(shè)備的影響不大

D.因為電磁輻射會影響人的健康，所以人們不應(yīng)使用微波爐、電磁爐等家用電器

E.手機(jī)信號越強(qiáng)，發(fā)射功率就會越低，電磁輻射就會越小

3.電磁波廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代醫(yī)療中，下列屬于電磁波應(yīng)用的醫(yī)用器械有（）。

A.殺菌用的紫外線燈

B.拍攝胸片的X光機(jī)

C.治療咽喉炎的超聲波霧化器

D.檢查血流情況的“彩超”機(jī)

E.拍攝人體斷面或立體圖像的CT機(jī)

4.下列說法中正確的是（）。

A.機(jī)械波的頻率等于波源的振動頻率，與介質(zhì)無關(guān)

B.愛因斯坦狹義相對論指出，真空中的光速在不同的慣性參考系中是不同的

C.光纖通信是一種以光波為傳輸介質(zhì)的通信方式，光波按波長長短，依次可分為紅外線、可見光和紫外線，但紅外線和紫外線屬于不可見光，它們都不可用來傳輸信息

D.根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電磁波中的電場和磁場互相垂直，電磁波是橫波

E.宇宙紅移現(xiàn)象表示宇宙正在膨脹，這可以用多普勒效應(yīng)來揭示，說明我們接收到的遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光比恒星實際發(fā)出的光的頻率偏小

參考答案：1.ABC 2.ACD 3.ABE 4.ADE

（責(zé)任編輯張巧）