选择性必修 第二册第四章 电磁振荡与电磁波2 电磁场与电磁波学案设计

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一、电磁场
1．变化的磁场产生电场
(1)实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流．
图1
(2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动．
(3)实质：变化的磁场产生了电场．
2．变化的电场产生磁场
麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场．
二、电磁波
1．电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．
2．电磁波的特点：
(1)电磁波在空间传播不需要介质；
(2)电磁波是横波：电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．
(3)电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108 m/s.
(4)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象．
3．电磁波具有能量
电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换，电磁波的发射过程是辐射能量的过程，传播过程是能量传播的过程．
判断下列说法的正误．
(1)在电场周围，一定存在和它联系着的磁场．( × )
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场．( × )
(3)电磁波不能在真空中传播．( × )
(4)电磁波是横波．( √ )
(5)电磁波在真空和介质中传播速度相同．( × )
(6)只要有电场和磁场，就能产生电磁波．( × )
一、电磁场
对麦克斯韦电磁场理论的理解
(1)变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生恒定的电场．
②非均匀变化的磁场产生变化的电场．
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．
(2)变化的电场产生磁场
①均匀变化的电场产生恒定的磁场．
②非均匀变化的电场产生变化的磁场．
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．
关于电磁场理论，下列说法正确的是( )
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
答案 D
解析 根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场．
针对训练1 (2019·首师大附中期末)用麦克斯韦电磁场理论判断如图所示的四组电场产生的磁场(或磁场产生的电场)随时间t的变化规律，其中错误的是( )
答案 C
解析 恒定的电场不产生磁场，选项A正确；均匀变化的电场产生恒定的磁场，选项B正确；周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场，产生的电场的电场强度与磁场的磁感应强度的变化率成正比，对于正弦曲线，t＝0时，磁场的磁感应强度的变化率最大，故产生的电场的电场强度最大，选项C错误，D正确．
二、电磁波
导学探究 如图2所示的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？
图2
答案 当A、B两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在．
知识深化 电磁波与机械波的比较
(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短
D．电磁波具有波的一切特征
答案 ACD
解析 由电磁波的定义可知A项正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度为3×108 m/s，故B项错误；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以可得此时波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故D项正确．
针对训练2 (多选)下列关于电磁波与声波的说法，正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播
B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质
C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变短
答案 AC
解析 由电磁波和声波的概念可知A正确．因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误．电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度；声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度，故C正确．无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝eq \f(v,f)及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误．
1．(电磁场)下列说法中正确的是( )
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
答案 C
解析 根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场．故选C.
2.(电磁场)某空间中出现了图3中虚线所示的一组闭合的电场线，这可能是( )
图3
A．在中心点O有一静止的点电荷
B．沿AB方向有一段通有恒定电流的直导线
C．沿BA方向的磁场在减弱
D．沿AB方向的磁场在减弱
答案 C
3．(电磁波)(多选)下列关于机械波与电磁波的说法中，正确的是( )
A．机械波和电磁波本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关
C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
答案 BCD
解析 机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生．机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项A错误，B、C、D正确．
4．(电磁波)(多选)关于电磁波的认识，下列说法正确的是( )
A．电磁波的传播需要介质
B．电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D．电磁波传播的过程中也传递了能量
答案 BCD
解析 周期性变化的电场与磁场相互感应产生，并向外传播，从而形成电磁波，电磁波的传播不需要介质，A错误；电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变，B正确；电磁波由真空进入介质传播时，速度减小，波长变短，C正确；电磁波传播的过程就是能量的传递过程，D正确．
考点一 电磁场
1．(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场
C．周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
答案 ABC
2．(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述中正确的是( )
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．打点计时器工作时周围必有磁场和电场
C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场激发恒定的电场
D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
答案 ABD
3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是( )
答案 C
解析 A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误．
4.如图1所示是空间磁感应强度B随时间t的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应( )
图1
A．逐渐增强
B．逐渐减弱
C．不变
D．无法确定
答案 C
解析 由题图可知，磁场均匀增强，根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场产生恒定的电场，故场强E不变，选项C对．
5.(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场．当产生的电场的电场线如图2所示时，可能是( )
图2
A．向上方向的磁场在增强
B．向上方向的磁场在减弱
C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱
D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强
答案 AC
解析 向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则知感应电场方向如题图中E的方向所示，选项A正确，B错误．同理，当磁场反向(向下)减弱时，感应电场方向同样如题图中E的方向，选项C正确，D错误．
考点二 电磁波
6．下列关于电磁波的说法，正确的是( )
A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B．电场随时间变化时，一定产生电磁波
C．做非匀变速运动的电荷可以产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
答案 C
解析 只有周期性变化的电场和磁场，才能激发电磁波，而稳定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；均匀变化的电场，产生恒定的磁场，但是恒定的磁场不能产生电场，故不能产生电磁波，B错误；做非匀变速运动的电荷可以在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D错误．
7．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．赫兹用实验证实了电磁波的存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
答案 CD
解析 如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是稳定的，就不能再产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；赫兹用实验证实了电磁波的存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的．故选C、D.
8．关于电磁波传播速度的表达式v＝λf，下列说法正确的是 ( )
A．波长越长，传播速度越快
B．频率越高，传播速度越快
C．发射能量越大，传播速度越快
D．电磁波的传播速度与传播介质有关
答案 D
解析 在真空中传播时，各类电磁波的传播速度相同．在介质中传播时，传播速度与介质和频率有关．
9．电磁波与机械波相比较，下列说法中不正确的是( )
A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需在介质中
B．电磁波与机械波的波动频率都由波源确定
C．电磁波、机械波都能发生衍射和干涉现象
D．电磁波、机械波都包括横波和纵波
答案 D
10．手机A的号码是133××××0002，手机B的号码是133××××0008.手机A呼叫手机B时，手机B发出响声且屏上显示手机A的号码“133××××0002”，若将手机A置于一透明真空玻璃罩中，用手机B呼叫手机A，则玻璃罩外面的人发现手机A( )
A．发出响声，并显示手机B的号码“133××××0008”
B．不发出响声，但显示手机B的号码“133××××0008”
C．不发出响声，但显示手机A的号码“133××××0002”
D．既不发出响声，也不显示号码
答案 B
解析 声波为机械波，传播需要介质，在真空中不能传播，光波、手机发射的信号均为电磁波，传播不需要介质，可以在真空中传播，故用手机B呼叫手机A时，玻璃罩外的人能看到手机A显示手机B的号码，但听不到声音，故B正确，A、C、D错误．
11．甲坐在人民大会堂台前60 m处听报告，乙坐在家里离电视机5 m处听电视转播，已知乙所在处与人民大会堂相距1 000 km，不考虑其他因素，则(空气中声速为340 m/s)( )
A．甲先听到声音 B．乙先听到声音
C．甲、乙同时听到声音 D．不能确定
答案 B
解析 声音传到甲所需时间为t1＝eq \f(60,340) s≈0.176 s；传到乙所需时间为t2＝eq \f(1×106,3×108) s＋
eq \f(5,340) s≈0.018 s，故B正确．
12．具有NFC(近距离无线通讯技术)功能的两只手机在间距小于10 cm时可以通过________(选填“声波”或“电磁波”)直接传输信息，其载波频率为1.4×107 Hz，电磁波在空气中的传播速度为3.0×108 m/s，则该载波的波长为________ m(保留2位有效数字)．
答案 电磁波 21
解析 具有NFC(近距离无线通讯技术)功能的两只手机在间距小于10 cm时可以通过电磁波直接传输信息．由v＝λf得该载波的波长λ＝eq \f(v,f)＝eq \f(3.0×108,1.4×107) m≈21 m.
13．有一LC振荡电路，电感为30 μH，电容可调范围为1.2～270 pF.求：
(1)电路产生电磁波的频率范围；
(2)最大波长与最小波长的比值．
答案 (1)eq \f(1,18π)×108～eq \f(1,12π)×109 Hz (2)15
解析 (1)因为f＝eq \f(1,2π\r(LC))，所以fmax＝eq \f(1,2π\r(LCmin))＝eq \f(1,\r(30×10－6×1.2×10－12))×eq \f(1,2π) Hz＝eq \f(1,12π)×109 Hz.
fmin＝eq \f(1,2π\r(LCmax))＝eq \f(1,\r(30×10－6×270×10－12))×eq \f(1,2π) Hz＝eq \f(1,18π)×108 Hz.
因此该电路产生的电磁波的频率范围是：eq \f(1,18π)×108～eq \f(1,12π)×109 Hz.
(2)由电磁波传播速度的表达式可得，λ＝eq \f(c,f)＝c·2πeq \r(LC)，
所以eq \f(λmax,λmin)＝eq \r(\f(Cmax,Cmin))＝15.名称
项目
机械波
电磁波
研究对象
力学现象
电磁现象
周期性
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况
传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关
传播无需介质，在真空中波速等于光速c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关
产生机理
由质点(波源)的振动产生
由电磁振荡激发
波的特点
横波或纵波
横波
干涉和衍射
可以发生干涉和衍射