高中物理4 电磁波谱学案设计

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一、电磁波谱
1．电磁波谱：按电磁波的波长大小或频率高低的顺序排列成谱，叫作电磁波谱．
2．按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，具有不同的特性．
二、电磁波的特性及应用
1．无线电波：波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称作无线电波，主要用于通信、广播及其他信号传输．
雷达是利用电磁波遇到障碍物要发生反射，以此来测定物体位置的无线电设备，其利用的是波长较短的微波．
2．红外线
(1)红外线是一种光波，波长比无线电波短，比可见光长．
(2)所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强．
(3)红外线的应用主要有红外遥感和红外体温计．
3．可见光：可见光的波长在400～760 nm之间．
4．紫外线
(1)波长范围在5～370_nm之间，不能引起人的视觉．
(2)具有较高的能量，应用于灭菌消毒，具有较强的荧光效应，用来激发荧光物质发光．
5．X射线和γ射线
(1)X射线波长比紫外线短，有很强的穿透本领，用来检查金属构件内部有无裂纹或气孔，医学上用于检查人体的内部器官．
(2)γ射线波长比X射线更短，具有很高的能量，穿透力更强，医学上用来治疗某些癌症，工业上也可用于探测金属构件内部是否有缺陷．
判断下列说法的正误．
(1)各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线．( × )
(2)红外线有显著的热效应，紫外线有显著的化学作用．( √ )
(3)低温物体不能辐射红外线．( × )
(4)紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度．( × )
(5)可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪．( × )
(6)X射线的穿透本领比γ射线更强．( × )
一、电磁波谱
1．电磁波谱及介绍
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来便构成了范围非常广阔的电磁波谱．如图1所示是按波长由长到短(频率由低到高)的顺序排列的．
图1
2．各种电磁波的共性
(1)在本质上都是电磁波，遵循相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义．
(2)都遵循公式v＝λf，在真空中的传播速度都是c＝3×108 m/s.
(3)传播都不需要介质．
(4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性．
(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是( )
A．波长不同的电磁波在本质上完全相同
B．电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象
C．电磁波谱的频带很宽
D．电磁波的波长很短，所以电磁波的频带很窄
答案 AC
解析 电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的，只是波长或频率不同而已．其中波长最长的波跟波长最短的波之间的频率相差1020倍，因此电磁波谱的频带很宽．
针对训练1 (2016·上海卷)各种不同频率范围的电磁波按频率由高到低的排列顺序是( )
A．γ射线、紫外线、可见光、红外线
B．γ射线、红外线、紫外线、可见光
C．紫外线、可见光、红外线、γ射线
D．红外线、可见光、紫外线、γ射线
答案 A
解析 在电磁波谱中，各电磁波按照频率从低到高的排列顺序是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，所以选项A正确．
二、电磁波的特性及应用
导学探究 电磁波在我们日常生活中应用相当广泛，请你列举出下列电磁波的应用实例：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线．
答案 无线电波：收音机；红外线：红外线理疗仪；可见光：人看到的五彩缤纷的世界；紫外线：紫外线消毒灯；X射线：X光透视机；γ射线：γ射线探伤．
知识深化 不同电磁波的特性及应用
雷达向远处发射无线电波，每次发射的时间是1 μs，两次发射的时间间隔为100 μs，在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图2所示，已知图中ab＝bc，障碍物与雷达之间的距离是多大？
图2
答案 7.5×103 m
解析 题图中a和c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的，b处的尖形波是雷达收到障碍物反射回来的无线电波时出现的，由ab＝bc可知，无线电波由发射到返回所用时间为50 μs.设障碍物与雷达之间的距离为x，由题意可知无线电波来回时间为t＝50 μs，由2x＝ct，得x＝eq \f(ct,2)＝eq \f(3.0×108×50×10－6,2) m＝7.5×103 m.
针对训练2 (多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内．下列关于雷达和电磁波的说法正确的是( )
A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间
B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离
D．波长越短的电磁波，反射性能越强
答案 ACD
解析 由公式v＝λf可得，λmin＝eq \f(v,fmax)＝eq \f(3×108,1 000×106) m＝0.3 m，λmax＝eq \f(v,fmin)＝eq \f(3×108,200×106) m＝1.5 m，A正确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B错误；由雷达的工作原理可知C正确；波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，D正确．
下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象，请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上．
(1)X光机，________.
(2)紫外线灯，________.
(3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好．这里的“神灯”是利用________．
A．光的全反射
B．紫外线具有很强的荧光作用
C．紫外线具有杀菌消毒作用
D．X射线有很强的贯穿力
E．红外线具有显著的热效应
F．红外线波长较长，易发生衍射
答案 (1)D (2)C (3)E
解析 (1)X光机是用来透视人体内部器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了X射线，故选择D.
(2)紫外线灯主要是用来杀菌消毒的，因此它应用的是紫外线的杀菌消毒作用而非荧光作用，故选择C.
(3)“神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，故选择E.
针对训练3 关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是( )
A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体
B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C．电磁波频率最大的是γ射线，最容易用它来观察衍射现象
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
答案 D
解析 X射线有很强的穿透本领，常用于医学上透视人体，红外线没有，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射现象，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学反应，可以使感光底片感光，D正确．
1．(电磁波谱)(多选)在电磁波中，波长按从长到短排列的是( )
A．无线电波、可见光、红外线
B．无线电波、可见光、γ射线
C．红光、黄光、绿光
D．紫外线、X射线、γ射线
答案 BCD
解析 电磁波谱按波长从长到短的排列顺序依次是无线电波→红外线→可见光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)→紫外线→X射线→γ射线，由此可知B、C、D选项正确．
2．(电磁波谱)下列各组电磁波，按衍射能力由强到弱的正确排列是( )
A．γ射线、红外线、紫外线、可见光
B．红外线、可见光、紫外线、γ射线
C．可见光、红外线、紫外线、γ射线
D．紫外线、可见光、红外线、γ射线
答案 B
3．(电磁波的特性及应用)电磁波在生活中有着广泛的应用．不同波长的电磁波具有不同的特性，因此也有不同的应用．下列器材与其所应用的电磁波对应关系不正确的是( )
A．雷达——无线电波
B．手机——X射线
C．紫外消毒柜——紫外线
D．遥控器——红外线
答案 B
解析 雷达是利用了无线电波中微波来测距的，故A正确；手机采用的是无线电波，X射线对人体有很大的辐射，不能用于通信，故B错误；紫外线具有很强的消毒作用，故C正确；红外线可以用于遥控器，故D正确．
4．(电磁波的特性及应用)某地的雷达正在跟踪一架向雷达匀速飞来的飞机．设某一时刻从雷达发出电磁波后到再接收到反射波历时200 μs；若距上一次发出电磁波后再经4 s又发出一个电磁波．雷达从发出电磁波到再接收到反射波历时186 μs，则该飞机的飞行速度多大？
答案 525 m/s
解析 由电磁波发射至接收到反射波历时200 μs，可算出此时飞机接收到第一个电磁波时距雷达的距离为：
l1＝eq \f(3.0×108×200×10－6,2) m＝3.0×104 m.
飞机接收到第二个电磁波时距雷达的距离为：
l2＝eq \f(3.0×108×186×10－6,2) m＝2.79×104 m，
则在Δt＝4 s时间内飞机的位移为
Δx＝l1－l2＝2.1×103 m，
故飞机飞行的速度为：
v＝eq \f(Δx,Δt)＝eq \f(2.1×103,4) m/s＝525 m/s.
考点一 电磁波谱
1．一种电磁波入射到半径为1 m的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱中的( )
A．可见光 B．γ射线
C．无线电波 D．紫外线
答案 C
2．在电磁波谱中，红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的频率高低关系是( )
A．红外线的频率最高，可见光的频率最低
B．伦琴射线的频率最高，红外线的频率最低
C．可见光的频率最高，红外线的频率最低
D．伦琴射线的频率最高，可见光的频率最低
答案 B
解析 在电磁波谱中，红外线、可见光和伦琴射线(X射线)按照频率从高到低的排列顺序是：伦琴射线(X射线)、可见光、红外线．
考点二 电磁波的特性及应用
3．(2020·浙江7月选考)在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图1所示．下列说法正确的是( )
图1
A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线
B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
答案 D
解析 所有物体都会辐射出红外线，故A、B错误；红外体温计是依据人体发射红外线来测体温的，且人体温度越高，辐射的红外线强度越大，故C错误，D正确．
4．下列关于紫外线的说法中正确的是( )
A．照射紫外线可增进人体对钙的吸收，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射
B．紫外线是一种可见光
C．紫外线有很强的荧光效应，可用于防伪
D．紫外线有杀菌消毒的作用，是因为其有热效应
答案 C
解析 适量照射紫外线，能合成维生素D，促使人体对钙的吸收，过度的照射可能对皮肤产生伤害，故A错误；紫外线是不可见光，故B错误；利用紫外线的荧光效应来做防伪标识，故C正确；紫外线化学效应强，所以能杀菌，故D错误．
5. 下列说法中正确的是( )
A．医院用X光进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力最强的
B．阳光可以晒黑皮肤，主要是阳光中红外线的作用
C．电取暖器利用了红外线的热作用
D．可见光比红外线容易发生衍射现象
答案 C
解析 γ射线穿透能力最强，A错误；晒黑皮肤是紫外线的作用，B错误；红外线有显著的热作用，C正确．红外线比可见光波长更长，更容易发生衍射现象，D错误．
6．电磁波按波长大小的顺序把它们排列成谱，如图2所示，由电磁波谱可知( )
图2
A．微波是不可见光
B．红外线可以灭菌消毒
C．紫外线的波长比红外线长
D．X射线能在磁场中偏转，穿透力较强，可用来进行人体透视
答案 A
解析 微波是不可见光，选项A正确；红外线有热效应，紫外线可以灭菌消毒，选项B错误；紫外线的波长比红外线短，选项C错误；X射线是电磁波，不带电，在磁场中不偏转，选项D错误．
7．下列说法中正确的是( )
A．各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线
B．红外线有显著的热效应，紫外线有显著的化学作用
C．X射线的穿透本领比γ射线更强
D．低温物体不能辐射红外线
答案 B
解析 干涉和衍射现象是光的波动性的体现，波长越长，越容易产生，而γ射线波长最短，故A错误；频率越高，穿透本领越强，故C错误；一切物体都能辐射红外线，故D错误．
8．(多选)许多光学现象在科学技术上得到了应用，下列对一些应用的解释，正确的是( )
A．紫外验钞机是利用紫外线的化学作用
B．X光透视利用的是光的衍射现象
C．工业上的金属探伤利用的是γ射线具有极强的穿透能力
D．红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点
答案 CD
解析 紫外验钞机是利用紫外线照射印刷在钞票上的荧光文字，发出可见光，使这些文字能被肉眼看到，利用了紫外线的荧光效应，A项错误．X射线具有较强的穿透能力，在医学上用它来透视人体，检查病变和骨折情况，B项错误．γ射线具有极强的穿透能力，工业上的金属探伤就是利用这个原理，C项正确．一切物体都在不停地辐射红外线，红外遥感技术就是利用这个原理，D项正确．
9.太阳光通过三棱镜时，在竖直放置的屏幕上形成如图3所示的光带NP(忽略三棱镜对各色光的吸收)．若将灵敏温度计的测温端放在屏幕上的MN、NP、PQ区域时，在哪个区域上升的示数最大( )
图3
A．MN B．NP
C．PQ D．无法确定
答案 C
解析 由光的色散可知P、N分别是红光和紫光，所以PQ区域是红外线，红外线有热效应，则该区域温度最高，C正确．
10．长波的波长范围为3 000～30 000 m，短波的波长范围为10～50 m，则长波的频率范围是________，短波的频率范围是________．
答案 10～100 kHz 6～30 MHz
解析 已知长波波长范围为3 000～30 000 m，而波速c＝3.0×108 m/s.由c＝λf可知f1＝eq \f(3.0×108,3 000) Hz＝1×105 Hz＝100 kHz.f2＝eq \f(3.0×108,30 000) Hz＝1×104 Hz＝10 kHz，则长波频率在10～100 kHz之间．同理由短波的波长范围为10～50 m，则频率范围是6～30 MHz.
11．某雷达工作时，发射电磁波的波长为λ＝20 cm，每秒发射的脉冲数为n＝5 000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs，求电磁波的振荡频率为多少？最大侦察距离是多少？
答案 1.5×109 Hz 30 km
解析 由c＝λf，可得电磁波的振荡频率
f＝eq \f(c,λ)＝eq \f(3×108,0.2) Hz＝1.5×109 Hz
电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内，雷达必须接收到反射回来的电磁脉冲，否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量，设最大侦察距离为x，则2x＝cΔt，
而Δt＝eq \f(1,n)－t
所以x＝eq \f(c\f(1,n)－t,2)≈30 km.电磁波谱
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
频率
由左向右，频率变化为由低到高
真空中的波长
由左向右，波长变化为由长到短
特性
波动性强
热效应强
感光性强
化学作用、荧光效应强
穿透力强
穿透力最强
用途
通信、广播、天体物理研究
遥控、遥测、遥测、加热、红外摄像、红外制导
照明、照相等
杀菌、防伪、治疗皮肤病等
检查、探测、透视
探测、治疗