2025年高二物理上學(xué)期電磁波與相對論簡介單元測試一、電磁波的發(fā)現(xiàn)與麥克斯韋電磁場理論（一）麥克斯韋的理論貢獻(xiàn)19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了電磁場理論。他認(rèn)為變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場，這一電場的存在與是否存在閉合電路無關(guān)，是一種普遍現(xiàn)象。例如，當(dāng)磁場隨時間均勻變化時，會產(chǎn)生恒定的電場；而當(dāng)磁場隨時間非均勻變化時，產(chǎn)生的電場也會隨時間變化。同時，麥克斯韋還假設(shè)變化的電場能夠產(chǎn)生磁場，這一假設(shè)將電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象緊密聯(lián)系起來。在給電容器充電時，不僅導(dǎo)體中的電流會產(chǎn)生磁場，電容器兩極板間周期性變化的電場周圍同樣會產(chǎn)生磁場。（二）赫茲的實驗驗證麥克斯韋預(yù)言電磁波存在后的若干年，他的學(xué)生赫茲通過實驗證實了這一預(yù)言。赫茲設(shè)計了一個發(fā)射裝置，通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻振蕩電流，使兩個金屬球之間產(chǎn)生火花放電，從而輻射出電磁波。同時，他利用一個帶有縫隙的金屬環(huán)作為接收裝置，當(dāng)電磁波到達(dá)時，環(huán)中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使縫隙處也出現(xiàn)火花。這一實驗不僅證實了電磁波的存在，還開創(chuàng)了無線電技術(shù)的新時代。二、電磁振蕩（一）振蕩電流的產(chǎn)生將自感線圈與電容器組成閉合回路，就可以產(chǎn)生振蕩電流。當(dāng)電容器充電后與自感線圈連接，電容器開始放電，由于線圈的自感作用，電流不能瞬間達(dá)到最大值，而是逐漸增大，同時電容器極板上的電荷量逐漸減少。當(dāng)電容器放電完畢時，電流達(dá)到最大值，此時線圈中產(chǎn)生的自感電動勢會阻礙電流的減小，使電流繼續(xù)流動，給電容器反向充電。如此反復(fù)，就形成了周期性變化的振蕩電流。（二）電磁振蕩的周期和頻率電磁振蕩的周期T是指完成一次全振蕩所需的時間，頻率f是指單位時間內(nèi)完成全振蕩的次數(shù)。對于由自感系數(shù)為L的線圈和電容為C的電容器組成的LC振蕩電路，其周期T=2π√(LC)，頻率f=1/(2π√(LC))。這表明，電磁振蕩的周期和頻率由電路本身的性質(zhì)決定，與其他因素?zé)o關(guān)。（三）無阻尼振蕩和阻尼振蕩無阻尼振蕩是指在振蕩過程中，電路中沒有能量損失，振蕩電流的振幅保持不變。但在實際情況中，由于電路存在電阻以及電磁輻射等原因，振蕩電流的振幅會逐漸減小，這種振蕩稱為阻尼振蕩。為了維持阻尼振蕩的持續(xù)進(jìn)行，需要不斷地從外界補(bǔ)充能量。三、電磁波（一）電磁波的特點橫波特性：電磁波中的電場和磁場方向相互垂直，且都與電磁波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。物質(zhì)波屬性：電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，這與機(jī)械波不同。在真空中，電磁波的傳播速度等于光速c，約為3×10^8m/s。波的共性：電磁波具有反射、折射、干涉、衍射等波的一切特性。例如，電磁波在遇到障礙物時會發(fā)生衍射現(xiàn)象，當(dāng)兩列電磁波滿足一定條件時會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。（二）電磁波的波速公式電磁波在真空中的傳播速度c與波長λ和頻率f之間的關(guān)系為c=λf。在不同的介質(zhì)中，電磁波的傳播速度會發(fā)生變化，其波速v=λf仍然成立，但此時的波長λ和頻率f會根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)而有所不同。一般來說，在同一介質(zhì)中，頻率越高的電磁波，其傳播速度越小。四、電磁波譜按照電磁波的頻率或波長的大小順序，可以將電磁波排列成電磁波譜。按波長由長到短（頻率由低到高）排列的電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。（一）無線電波無線電波的波長較長，從幾毫米到幾十千米不等。其產(chǎn)生機(jī)理主要是由振蕩電路中自由電子的周期性運動產(chǎn)生的。無線電波廣泛應(yīng)用于通信、廣播、電視、雷達(dá)等領(lǐng)域。例如，調(diào)幅廣播使用的是中波和短波，調(diào)頻廣播和電視信號則使用超短波和微波。（二）紅外線紅外線的波長比無線電波短，比可見光長。它主要是由物體內(nèi)部的分子熱運動產(chǎn)生的，任何溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線。紅外線具有熱效應(yīng)，可用于加熱、烘干、紅外遙感等。例如，紅外體溫計就是利用物體輻射的紅外線來測量體溫的。（三）可見光可見光是電磁波譜中能夠引起人眼視覺的部分，波長范圍在400nm～760nm之間。不同波長的可見光呈現(xiàn)出不同的顏色，從長波到短波依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫?？梢姽馐怯稍拥耐鈱与娮榆S遷產(chǎn)生的，它在照明、顯示、光學(xué)通信等方面有著廣泛的應(yīng)用。（四）紫外線紫外線的波長比可見光短，波長范圍在5nm～400nm之間。它主要是由原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的。紫外線具有殺菌消毒、熒光效應(yīng)等特性，可用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、防偽等領(lǐng)域。例如，醫(yī)院里常用紫外線燈進(jìn)行殺菌消毒，驗鈔機(jī)利用紫外線的熒光效應(yīng)來識別鈔票的真?zhèn)?。（五）X射線和γ射線X射線的波長比紫外線更短，一般在0.01nm～10nm之間，它是由原子的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的。X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，可用于醫(yī)學(xué)透視、工業(yè)探傷等。γ射線的波長最短，能量最高，它是由原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。γ射線具有很強(qiáng)的穿透力和殺傷力，可用于放射性治療、工業(yè)探傷等，但也需要注意防護(hù)。五、無線電波的發(fā)射和接收（一）無線電波的發(fā)射要發(fā)射無線電波，需要滿足兩個條件：一是要有開放電路，使電磁波能夠有效地輻射出去；二是要有高頻振蕩信號，因為高頻信號才能承載更多的信息。在發(fā)射過程中，還需要對傳輸信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制方式主要有調(diào)幅和調(diào)頻兩種。調(diào)幅是使高頻電磁波的振幅隨信號的強(qiáng)弱而變化，調(diào)頻是使高頻電磁波的頻率隨信號的強(qiáng)弱而變化。（二）無線電波的接收無線電波的接收過程主要包括調(diào)諧、檢波等環(huán)節(jié)。調(diào)諧是使接收電路的固有頻率與接收到的無線電波的頻率相等，從而產(chǎn)生電諧振，使接收電路中激起的振蕩電流最強(qiáng)。檢波是從經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩中“檢”出調(diào)制信號的過程，檢波是調(diào)制的逆過程，也稱為解調(diào)。通過檢波得到的信號經(jīng)過放大后，就可以還原成原始的信息。六、相對論時空觀（一）經(jīng)典時空觀的局限性牛頓力學(xué)的時空觀認(rèn)為，時間和空間是絕對的，與物質(zhì)的運動無關(guān)。時間均勻流逝，空間是絕對靜止的，長度和時間間隔在不同的參考系中測量都是相同的。然而，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體的運動速度接近光速時，經(jīng)典時空觀與實驗結(jié)果出現(xiàn)了矛盾。（二）狹義相對論的兩個基本假設(shè)狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。這意味著，無論觀察者處于哪個慣性參考系中，所觀察到的物理現(xiàn)象都遵循相同的物理規(guī)律。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，與光源和觀測者的相對運動無關(guān)。這一假設(shè)徹底否定了經(jīng)典時空觀中速度疊加的原理。（三）時間延緩效應(yīng)如果相對于地面以速度v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ（固有時間），那么地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔Δt=Δτ/√(1-(v^2/c^2))。由于√(1-(v^2/c^2))<1，所以Δt>Δτ，即運動的時鐘變慢了。這表明，物理過程的快慢（時間進(jìn)程）與運動狀態(tài)有關(guān)。（四）長度收縮效應(yīng)如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0（固有長度），沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l=l0√(1-(v^2/c^2))。由于√(1-(v^2/c^2))<1，所以l<l0，即運動物體的長度（空間距離）跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)。七、牛頓力學(xué)的成就與局限性（一）牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律的建立與應(yīng)用更是確立了人們對牛頓力學(xué)的尊敬。牛頓力學(xué)能夠很好地解釋宏觀物體在低速運動情況下的物理現(xiàn)象，如行星的運動、落體運動等。它是現(xiàn)代機(jī)械、土木建筑、交通運輸以至航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。（二）牛頓力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)的適用范圍是低速運動的宏觀物體。當(dāng)物體以接近光速運動時，牛頓力學(xué)的結(jié)論與實驗結(jié)果不相符，需要用相對論物理學(xué)來描述。此外，電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運動也不能用牛頓力學(xué)來說明，而需要用量子力學(xué)來解釋。（三）牛頓力學(xué)與相對論的關(guān)系相對論并沒有否定牛頓力學(xué)，而是將牛頓力學(xué)作為一種特殊情況包含在內(nèi)。當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速c時，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。因此，在處理低速運動的宏觀物體問題時，仍然可以使用牛頓力學(xué)，因為它具有簡單、方便的優(yōu)