高二物理电磁波谱；相对论的诞生粤教版知识精讲

高二物理电磁波谱；相对论的诞生粤教版知识精讲

高二物理电磁波谱；相对论的诞生粤教版 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ ‎1. 电磁波谱 ‎2. 相对论的诞生 二. 知识归纳、总结：‎ ‎（一）电磁波谱 ‎1. 电磁波谱 无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、r射线合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱，如图所示是按波长由大到小（频率由小到大）的顺序排列的。‎ ‎（1）无线电波 波长大于‎1mm（频率小于30GHz）的电磁波是无线电波，无线电波用于通信和广播。‎ ‎（2）红外线 红外线的波长比红光的波长还长，不是可见光，不能引起人的视觉，一切物体（不管大小，也无论是否有生命），凡是由分子、原子等微粒构成的物体都在不停地辐射红外线，物体温度越高，辐射红外线的本领越强。红外线有以下主要作用：‎ ‎①红外线遥感：勘测地热、寻找水源、人体检查等。‎ ‎②红外线遥控：家用电器配套的遥控器发出红外线脉冲信号，受控机器就会按指令改变工作状态。‎ ‎③加热物体：红外线很容易使物体的温度升高，如市场上的“远红外烤箱”。‎ ‎（3）可见光 可见光的波长在700nm至400nm之间，不同颜色的光是波长（频率）范围不同的电磁波 序号 红 橙 黄 绿 蓝—靛 紫 真空中的波长λ/nm ‎700～620‎ ‎620～600‎ ‎600～580‎ ‎580～490‎ ‎490～450‎ ‎450～400‎ 天空看起来是蓝色的，是由于波长较短的光比波长较长的光更容易被散射，傍晚的阳光比较红，是由于大气对波长较短的蓝光、紫光比波长较长的红光、橙光吸收较强的缘故。‎ ‎（4）紫外线 紫外线也不是可见光，其波长比紫光还短，波长范围为5nm到370nm之间，一切高温物体发出的光中都含有紫外线，紫外线的显著特征是化学作用，它能促使人体合成维生素D，但不能过多照射，能杀死多种细菌，具有消毒功能。‎ ‎（5）X射线和r射线 X射线和r射线的波长比紫外线都短。‎ X射线对生命物质有较强的作用，过量的照射会引起生物体的病变，X射线能够穿透物质，可以用于人体透高，检查金属零件内部的缺陷。‎ r射线具有很高的能量，在医学上可以用来治疗癌症、探测金属部件内部的缺陷。‎ ‎2. 电磁波的能量 从场的观点来看电场具有电能，磁场具有磁能，电磁场具有电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随着一起传播。‎ 用微波炉加热食物，在收音机的天线里可以感应出电流，这都证明了电磁波的确具有能量，因此，电磁波是物质存在的一种形式，具有物质性。‎ ‎3. 太阳辐射 太阳光中含有可见光、无线电波、红外线、紫外线、X射线、r射线，太阳辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，如图所示：‎ ‎（二）相对论的诞生 ‎1. 经典的相对性原理 ‎（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）伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。‎ ‎2. 经典力学的困难 在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为ν，在此惯性系中有一物速度为c，那么，此物相对另一惯性系的速度是c+ν吗？根据伽利略相对性原理答案是肯定的，但是这种答案被麦克尔孙·莫雷的实验否定了，麦克尔孙·莫雷实验证明了光速是不变的，这和传统的速度合成法则是矛盾的。‎ ‎3. 狭义相对论的两个假设 ‎（1）爱因斯坦相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。‎ ‎（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。‎ 这两个假设是麦克尔孙·莫雷的直接结论，但由于是有限的几次实验的结论，还要大量的实验来证明，还要经过逻辑推理的大量结论来验证才能成为真正的原理。‎ ‎4. 两个相对性原理的区别 对于伽利略相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关，其速度合成规律应满足ν=ν'+u.ν'是某个惯性系相对另一个惯性系的速度，u是物体相对某个惯性系的速度，那么，物体相对另一个惯性系的速度为ν=ν ‎'+u.以此类推，若u是光速c，则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为ν=ν'+c，那么，光速是可以变大或变小的（在真空中）。‎ 对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的，由于光速是不变的，造成了一些与经典理论不同的结论，这些结论在低速的世界里是不易搞清的，但从天体的物理现象中却得到了证实。‎ ‎（三）时间和空间的相对性 ‎1. 同时的相对性 由于光速不变原理的证明，首先对“同时”这个概念进行了研究：在一个惯性系中“同时”发生了两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的，即同时是相对的，这时，同时的参考系原则要选在两个事件的中点，这很重要。‎ ‎2. 长度的相对性 如果在匀速直线运动的火车上沿着运动的方向放着一根木杆，坐在火车上的人测得的木杆头尾坐标之差是木杆的长，但地面上的人则认为他不是同时测得木杆头尾的坐标，因为由于车在运动、杆在运动，它们的同时有相对性，同样，地面上的人认为是同时测量的，火车上的人认为是不同时测量的，经过严格的推导可得，其中l为车上人测得的长度，l’为地面上的人测得的长度，由于，所以l＜l’，其意义是：相对地面以速度v运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大、变短得越多，但是高度却没有什么变化，对于车上的人来说，车上一切和往常一样，只是地面上的物体和距离都变窄了、变短了。‎ ‎3. 时间间隔的相对性 在一个匀速前进的车厢顶上有一平面镜，正下方有一光源（闪光光源），车顶到光源距离为h，对火车上的人来说，光从光源经平面镜回到光源所经过的时间为△，对于地面上的人看到的光通过的路程为可得△‎ ‎，可知△t＞△t’。‎ 上面的式子具有普遍意义，当从地面观察以速度v前进的火车时，车上的时间进程变慢了，不仅时间变慢了，物理、化学过程和生命的过程都变慢了，但车上的人都没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程变慢了。‎ ‎4. 时空相对性的实验验证 u子的寿命不长，只有3.0us，其速度为‎0.99c，在‎100km的高空，其运动距离只有‎890m，要到达地面是不可能的，但实际上从地面是可以测到的，原因是它的速度很大，达到‎0.99c，这时大气层的厚度不再是‎100km，而是很短的，这样的3.0us的时间内可以到达地面，从而证明了相对论时空观的正确性。‎ ‎5. 相对论的时空观 时间和空间不能脱离物质和物质的运动状态，时间变慢，空间的长度会变短，这都与物质的运动速度有关。‎ ‎6. 相对论质量 以速度v高速运动的物体的质量m和静止时的质量m0，有如下关系：‎ ‎7. 质能方程 爱因斯坦方程：E=mc2。‎ 那么物体运动时的能量E和静止时的能量E0的差就是物体的动能，即Ek=E－E0，代入质量关系：‎ ‎【典型例题】‎ 例1. （长度公式应用）一枚静止时长‎30m的火箭以‎3km ‎/s的速度从观察者的身边掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的二分之一呢？‎ 分析：根据长度的相对性，利用公式可得。‎ 解：火箭相对于火箭上的人是静止的，所以不管火箭的速度是多少，火箭上的人测得的火箭长与静止时相同，为l’=‎30m，如果火箭的速度为v=3×‎103m/s，地面观察者测得的火箭长l为。‎ 如果火箭的速度为，地面观察者测得的火箭长l为 ‎。‎ 例2. 一观察者测出电子质量为‎2m0，求电子速度为多少？（m0为电子的静止质量）‎ 分析：电子的运动质量是静止质量的2倍，运用质量公式可解。‎ 解：,代入质量公式，可得 例3. 一观察者测得运动着的米尺为‎0.5m长，求此米尺以多大的速度移动。‎ 分析：以观察者为一参考系测得的长度为l，米尺为另一参考系，测得米尺的长度为l'，应用公式，进行变形可解v。‎ 解：根据公式，可得：‎ ‎ ‎ 所以： ‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 联合国确定2020年为“国际物理年”，以纪念爱因斯坦在物理学的许多领域所做出的杰出贡献，例如阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子理论并完满地解释光电效应等.关于光电效应的下列说法，正确的是（ ）‎ A. 用一定频率的单色光照射几种不同的金属表面，若均能发生光电效应，则从不同金属表面逸出的光电子的最大初动能不同 B. 用不同频率的单色光照射同一金属表面，若均能发生光电效应，则从金属表面逸出的光电子的最大初动能不同 C. 用一定频率的单色光照射某种金属表面不能发生光电效应，若增加光照射时间，则可能发生光电效应 D. 用一定频率的单色光照射某种金属表面不能发生光电效应，若增加光的亮度，则可能发生光电效应 ‎2. 光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务。目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络。下列说法正确的是（ ）‎ A. 光纤通信利用光作为载体来传播信息 B. 光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理 C. 光导纤维传递光信号是利用光的色散原理 D. 目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝 ‎3. 2020年被联合国定为“世界物理年”，以表彰爱因斯坦对科学的贡献。爱因斯坦对物理学的贡献有（ ）‎ A. 创立“相对论” B. 发现“X射线”‎ C. 提出“光子说” D. 建立“原子核式模型”‎ ‎4. 有关红、紫两束单色光，下述说法正确的是（ ）‎ A. 在空气中的波长λ红<λ紫 B. 在玻璃中的光速v红>v紫 C. 在水中的折射率n红>n紫 D. 红光光子的能量大于紫光光子的能量 ‎5. 关于光电效应，下列说法正确的是（ ）‎ A. 金属的逸出功与入射光的频率成正比 B. 光电流的强度与入射光的强度无关 C. 用不可见光照射金属一定比用可见光照射金属产生的光电子的最大初动能大 D. 对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长大于此波长时，就不能产生光电效应 ‎6. 下列说法中错误的是（ ）‎ A. 质子和电子在一定条件下也能表现出波动性 B. 横波、纵波都能发生偏振现象 C. 光盘记录信息的密度很高，是利用了激光的平行度好的特点 D. 声波和电磁波都能发生多普勒效应 ‎7. 甲乙两种单色光均垂直射到一条直光纤的端面上，甲光穿过光纤的时间比乙光的长，则（ ）‎ A. 光纤对乙光的折射率较大 B. 甲光的光子能量较大 C. 用它们分别作为同一双缝干涉装置的光源时，甲光相邻的干涉条纹间距较大 D. 甲光的波动性比乙光显著 试题答案 ‎1. AB 2. AD 3. AC 4. B 5. D 6. B 7. B