高中物理教科版 (2019)必修 第三册4 电磁波的发现及其应用导学案及答案

电磁波的发现及其应用

学习目标：

1．[物理观念]知道麦克斯韦的电磁场理论，知道电磁波产生的原理，了解赫兹实验，知道c＝λf的关系，知道电磁波谱中波长由长到短的排列顺序。知道电磁波具有能量也能传递信息。　

2．[科学思维]会分析电磁波产生的过程，电场和磁场相互转化的规律，能利用电磁波谱解决相关问题。　

3．[科学探究]探究电磁波在科技、经济、社会发展中的作用。

4．[科学态度与责任]感知科学家探索的艰辛和电磁技术对人类生产、生活的意义，培养学生学习科学的兴趣。

一、电磁场

1．两个基本假设

(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。

(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。

2．电磁场：如果在空间某区域有随时间不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间引起变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。

说明：电场可由两种方式产生：由电荷或由变化的磁场产生。

二、电磁波和电磁波谱

1．电磁波：由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。

2．麦克斯韦在1865年预见电磁波的存在，1888年，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。

3．电磁波的波速：

(1)在真空中传播的速度为c＝3.0×108 m/s。

(2)关系式：c＝λf。

4．电磁波谱：按波长或频率的顺序把所有电磁波排列起来，称之为电磁波谱。

5．电磁波谱组成

说明：一切往复运动的电荷，或者更普遍地说，做变速运动的电荷都会在空间产生电磁波。

三、电磁波的应用

1．电磁波的应用主要包括两个方面：

(1)利用电磁波传递信息。

(2)利用电磁波的能量。

2．除了人类主动发射各种电磁波之外，还接收和研究自然界物体发射的各种电磁波，以探索未知世界。

说明：家庭用的微波炉就是利用了电磁波的能量。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)变化的电场可以产生磁场。  (√)

(2)电磁波的传播不需要介质。  (√)

(3)赫兹用实验证实了电磁波的存在。 (√)

(4)紫外线可以用来灭菌消毒。  (√)

2．(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着电场，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．变化的电场和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

ABC　[变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A对；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，BC对，D错。]

3．电磁波在真空中传播的速度v是3.00×108 m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0 MHz，这个台发射的电磁波的波长λ为(　　)

A．2.70 m　 B．270 m

C．333 m   D．3.33 m

D　[根据λ＝得，λ＝ m≈3.33 m，D正确。]

根据麦克斯韦的理论不均匀变化的电场能产生变化磁场，变化磁场再产生变化电场……形成电磁场。

试探究：均匀变化的电场能产生电磁场吗？

提示：不能　均匀变化的电场能在周围空间产生恒定的磁场，而恒定的磁场不再产生电场。

1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2．电磁场的产生：如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。

【例1】　下列有关电磁场理论的说法正确的是(　　)

A．任何变化的磁场都要在空间产生变化的电场

B．任何电场都要在周围空间产生磁场

C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场

D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，即电磁场

思路点拨：(1)静电场周围不产生磁场。

(2)不均匀变化的电场与磁场，才能形成电磁场。

C　[根据麦克斯韦理论，均匀变化的磁场在周围空间产生的电场是稳定的，故A错；同理，并不是任何电场都会在周围空间产生磁场，故B错；电场和磁场并不总是相互联系着的，例如，静止电荷周围只有静电场，静止磁体周围只有稳定的磁场；只有变化的电场和变化的磁场才能形成一个不可分离的统一体，即电磁场，故D错，C正确。]

1．关于电磁场的理论，下列说法正确的是(　　)

A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的

B．变化的磁场周围产生的电场一定是变化的

C．均匀变化的磁场周围产生的电场是均匀变化的

D．振荡电场周围产生的磁场也是振荡的

D　[非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，而均匀变化的电场产生稳定的磁场，所以变化的电场周围一定产生磁场。变化的磁场周围一定产生电场，但不一定变化，故AB错误；均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，而非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，故C错误；周期性变化的振荡电场一定产生同周期变化的振荡磁场，故D正确。]

如图所示，图(甲)和图(乙)中变化的磁场，能形成电磁波的是哪个？

(甲)　　　　(乙)

提示：图乙。

1．电磁波的特点

(1)电磁场中储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。

(2)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。

(3)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质。

(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。

2．波长、频率与波速之间的关系

波速＝波长×频率，即v＝λf。

(1)频率由波源决定，与介质无关，波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变，在介质中的速度都比在真空中速度小。

(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。

(3)在真空中传播时，不同频率的电磁波的速度都相同：v＝c。

【例2】　波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？

思路点拨：(1)1 μm＝10－6 m，λ＝6×10－7 m

(2)电磁波传播速度是光速c，且有c＝λf。

[解析]　由速度公式v＝可求得时间，可根据电磁波波长、频率和波速关系式c＝λf可得频率，

其中t＝＝ s≈3.33×10－8 s

由c＝λf得f＝＝ Hz＝5×1014 Hz。

[答案]　3.33×10－8 s　5×1014 Hz

2．关于电磁场和电磁波，下列说法不正确的是(　　)

A．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者互相联系，统称为电磁场

B．电磁场从发生区域由近及远地传播形成电磁波

C．电磁波是一种物质，可在真空中传播。所以，平时说真空没有实物粒子，但不等于什么都没有，还有“场”这种特殊物质

D．电磁波可在真空中传播，也可在介质中传播

A　[根据麦克斯韦电磁场理论，非均匀变化的电场周围产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生的是稳定的磁场，所以A项错误。]

在我们身边到处都有电磁波的影子，它的应用更是比比皆是。下面列出的设备中工作时所发出的波，哪些属于电磁波？(1)微波炉加热食物时发出的波。(2)电视发射塔发出的波。(3)互联网光缆中传播的波。(4)电视机遥控器发出的波。

提示：均属于电磁波。

1．电磁波谱是把电磁波按波长由大到小的顺序排列起来的图表。顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。它们共同构成了范围广阔的电磁波谱。

2．电磁波谱中各种波段的特征用途比较(如下表)

【例3】　(多选)下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的

(　　)

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．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞

D．紫外线和X射线都使感光底片感光

思路点拨：(1)波长短，频率高的能量大。

(2)波长长的易发生衍射现象。

CD　[X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能，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为γ射线，可以摧毁病变的细胞，C正确；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。]

3．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　　)

A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息

B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同

D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同

B　[声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，“B超”中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误。]

1．第一个用实验验证电磁波客观存在的科学家是(　　)

A． 法拉第　 B． 奥斯特

C． 赫兹   D． 麦克斯韦

C　[麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C正确。]

2．关于电磁场，下列说法不正确的是(　　)

A．在一个磁铁旁放一带电体，则两者周围空间就形成了电磁场

B．电磁场既不同于静电场，也不同于静磁场

C．电磁场中的电场和磁场是不可分割的一个统一体

D．电磁场中的电场的变化频率和磁场的变化频率是相同的

A　[电磁场是变化的电场和变化的磁场形成的不可分割的统一场，而不是静电场和静磁场简单的复合。所以选项A错。]

3．关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A．所有电磁波的频率相同

B．电磁波只能在真空中传播

C．电磁波在任何介质中的传播速度相同   

D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s

D　[电磁波的频率不一定相同，就是无线电电磁波也有很多频道和频率，选项A错；电磁波既能在真空中传播，也能在介质中传播，选项B错；不同频率的电磁波在不同的介质中的传播速度都不相同，选项C错；电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，选项D正确。]

4．(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)

A．电视遥控器利用的是红外线

B．医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒

C．利用紫外线的荧光效应可设计防伪措施

D．γ射线波长比X射线波长短

ACD　[由于红外线波长较长，容易发生衍射，所以电视遥控器利用了红外线，A正确；紫外线有显著的化学作用，可利用紫外线消毒，所以医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒，B错误；在紫外线的照射下，许多物质会发出荧光，根据这个特点可以设计防伪措施，C正确；γ射线波长比X射线波长短，D正确。]

5．情境：赫兹的实验：如图所示。

实验现象：当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时，导线环的两个金属小球间也跳过电火花。

问题：(1)当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时，为什么导线环的两个金属小球间也跳过电火花？

(2)该实验在真空中效果更明显，为什么？

[解析]　(1)当感应线圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场，这种电磁场以电磁波的形式在空间传播，在电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙处也产生了火花。

(2)电磁波不需要介质可在真空中传播，电磁波是带有能量的，电磁波在介质中传播时把部分能量传递给了介质，在真空中传播时，没有转移能量的载体，所以不会损耗。

[答案]　见解析