聚焦电磁波和相对论简介

杜占英

高中物理课程标准对电磁振荡与电磁波的内容要求：初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，以及在物理学发展史上的意义;了解电磁波的产生，通过电磁波体会电磁场的物质性;了解电磁波的发射、传播和接收;通过实例认识电磁波谱，知道光是电磁波;了解电磁波的应用和在科技、经济、社会发展中的作用。

高中物理课程标准对相对论的内容要求：知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论;了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响;初步了解广义相对论的几个主要观点，以及主要观测数据;关注宇宙学研究的新进展。

这两部分内容的要求层次都是了解（初步了解）、知道和体会，高考试卷中都是以选择题的形式出现，难度不大。下面根据高考考点进行分类解析，供同学们参考。

一、对麦克斯韦电磁场理论的理解

例1

甲、乙两种磁场的磁感应强度B随时间t变化的规律如图1所示，下列说法中正确的是（）。

A.磁场甲能够产生电场

B.磁场甲能够产生电磁波

C.磁场乙的磁感应强度最大时产生的电麦克斯韦电磁场理论场最强

D.磁场乙的磁感应强度为零时产生的电场最强

解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的磁场甲能够产生稳定的电场，不能产生电磁波，选项A正确，B错误。周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场，磁场乙的磁感应强度最大时产生的电场最弱，磁场乙的磁感应强度为零时产生的电场最强，选项C错误，D正确。

答案：AD

二、电磁波的产生、发射、传播和接收

1.电磁波的产生和传播。

电磁场在空间由近及远地传播，形成电磁波。电磁波是物质波，传播不需要介质，在真空中不同频率的电磁波的传播速度都相同，都等于光速。电磁波是横波，在传播过程中，电磁波的电场强度、磁感应强度和传播方向三者两两相互垂直。不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，电磁波的频率f、波速v和波长λ满足关系式v=λf。

2.电磁波的发射。

（1）发射条件：开放电路和高频振荡信号，为了利用电磁波传递信号，需要对传输信号进行调制。

（2）调制方法：调幅和调频。

3.无线电波的接收：电谐振现象、调谐电路和解调。

4.电磁波谱：按照电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱叫电磁波谱。

按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线。

例2我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1m～10m范围内，则下列对该无线电波的判断正确的是（）。

A.米波的频率比厘米波的频率高

B.米波和机械波一样必须依靠介质传播C.米波与光波一样会发生反射現象

D.半波不可能发生干涉和衍射现象

解析：根据f=可知，电磁波的波长越大，频率越低，所以米波的频率比厘米波的频率低，选项A错误。无线电波的传播不需要介质，选项B错误。无线电波同光波一样会发生反射现象，选项C正确。干涉和衍射是波特有的现象，米波也能发生干涉和衍射现象，选项D错误。

答案：C

三、对狭义相对论的理解和应用

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，一切物理定律都是相同的。

（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，光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。

2.质速关系。

（1）物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m。之间满足关系式m/1-（2/0）

（2）物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m。。

3.质能关系。

用m表示物体的质量，用E表示它具有的能量，爱因斯坦质能方程为E=mc2。

例3如图2所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v（v接近光速c）。地面上的人测得两飞船间的距离为L，飞船A上的人测得两飞船间的距离为x。当飞船B向A发出一光信号时，飞船A上的人测得该信号的速度为v。，下列判断正确的是（）。

A.x可能等于L

B.x一定大于L

C.v。可能大于c

D.v。一定大于c

解析：狭义相对论的两个基本假设之一是光速不变原理，因此飞船A上的人测得该信号的速度仍等于光速c，选项C、D错误。以地面为参考系，在运动方向上有尺缩效应现象，而飞船B相对A是静止的，没有尺缩效应现象，因此飞船A上的人测得两飞船间的距离应大于L，选项A错误，B正确。

答案：B

四、电磁辐射和引力波

1.电磁辐射。

由同向振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以电磁波的形式传递动量和能量，电磁波向空中发射或传播形成电磁辐射。

电磁辐射既可以造福人类，也会给环境带来负面影响。产生负面效应超过标准的电磁辐射强度就是电磁辐射污染，也被称为电子烟雾或电子垃圾。电磁辐射污染的来源可分为天然电磁辐射源和人为电磁辐射源。天然电磁辐射源是由大气中的自然现象而引起的，比如自然放电、雷电、火山爆发等此类大气与空气污染源，具有黑子活动和黑子放射的太阳电磁场源，以及有恒星爆发、宇宙间电子移动等现象的宇宙电子场源等。人为电磁辐射源是指人工制造的可以产生电磁辐射的各种系统、电器和电子设备等。

2.引力波。

引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。

1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。现在各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中，比如 advanced LIGO（aLIGO）从2015年9月份开始运行观测。在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo 合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自双黑洞合并的引力波信号。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面地验证广义相对论。

例4下列说法中不正确的是（）。

A.强引力场的作用可使光谱线向红端偏移

B.在地球上看到的星体位置与实际位置不符，是天体之间引力作用的结果

C.引力场越强的位置，时间进程越快

D.由于太阳引力场的影响，我们可以看到太阳后面的恒星

解析：强引力场作用使光的波长变长，频率变低，因此光谱线向红端偏移，选项A正确。根据广义相对论可知，物质的引力会使光线弯曲，引力越强，弯曲越厉害，因此在地球上看到的星体位置与实际位置不符，选项B正确。根据广义相对论可知，引力场越强的位置，时间进程越慢，选项C错误。根据广义相对论的结论可知，由于太阳引力场的影响，光线发生弯曲，我们有可能看到太阳后面的恒星，选项D正确。

答案：C

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1.关于电磁波，下列说法中正确的是（）。

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、磁感应强度均垂直

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

E.电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，则空间的电磁波随即消失

2.关于电磁辐射，下列说法中不正确的是（）。

A.电子设备不论是否使用，都向外辐射电磁波

B.长期、过量的电磁辐射会对人体产生较大的伤害

C.电磁辐射对电器设备的影响不大

D.因为电磁辐射会影响人的健康，所以人们不应使用微波炉、电磁炉等家用电器

E.手機信号越强，发射功率就会越低，电磁辐射就会越小

3.电磁波广泛应用在现代医疗中，下列属于电磁波应用的医用器械有（）。

A.杀菌用的紫外线灯

B.拍摄胸片的X光机

C.治疗咽喉炎的超声波雾化器

D.检查血流情况的“彩超”机

E.拍摄人体断面或立体图像的CT机

4.下列说法中正确的是（）。

A.机械波的频率等于波源的振动频率，与介质无关

B.爱因斯坦狭义相对论指出，真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的

C.光纤通信是一种以光波为传输介质的通信方式，光波按波长长短，依次可分为红外线、可见光和紫外线，但红外线和紫外线属于不可见光，它们都不可用来传输信息

D.根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波是横波

E.宇宙红移现象表示宇宙正在膨胀，这可以用多普勒效应来揭示，说明我们接收到的遥远恒星发出的光比恒星实际发出的光的频率偏小

参考答案：1.ABC 2.ACD 3.ABE 4.ADE

（责任编辑张巧）