高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 电磁波的发现及应用学案

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一、电磁场
1．变化的磁场产生电场。
2．变化的电场产生磁场。
3．变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
二、电磁波
1．麦克斯韦的预言
(1)电磁波的预言：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播形成电磁波。
(2)电磁波可以在真空中传播。
(3)光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动，电磁波的速度等于光速。
2．赫兹的贡献：赫兹证实了电磁波的存在，证实了麦克斯韦的电磁场理论。
三、电磁波谱
1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝λf。
2．电磁波在真空中的速度：c＝3×108 m/s。
3．电磁波谱的概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，形成电磁波谱。
4．电磁波谱组成
5．各种电磁波的应用
(1)无线电波中的长波、中波、短波用于广播及其他信号的传播。
(2)微波用于卫星通信、电视等信号传输。
(3)红外线用来加热理疗。
(4)可见光让我们看见这个世界，也可用于通信。
(5)紫外线可以消毒。
(6)X射线用于诊断病情。
(7)γ射线可以摧毁病变的细胞。
四、电磁波的能量
1．电磁波具有能量，电磁波是物质存在的一种形式。
2．微波炉加热食物应用了一种电磁波——微波，食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。
3．光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有能量。
五、电磁波通信
1．电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统一的信息通信网络。
2．以互联网为基础的信息服务都是通过电磁波来传递的。
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)稳定的磁场产生稳定的电场。(×)
(3)电磁波的传播不需要介质。(√)
(4)赫兹用实验证实了电磁波的存在。(√)
(5)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
AB [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，B对，C、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 mD．3.33 m
D [根据λ＝eq \f(c,f)得，λ＝eq \f(3.00×108,90.0×106) m≈3.33 m。]
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
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。]
1．某闭合电路的电流或电压随时间变化的规律如图所示，能发射电磁波的是( )
A B C D
C [非均匀变化的电场产生变化的磁场，非均匀变化的磁场再产生变化的电场，从而形成电磁场，电磁场由近及远地传播，形成电磁波，故要求电流或电压是变化的，但不能是均匀变化的，C项正确。]
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。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。
4．电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。
(1)麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一。
(2)赫兹用实验证明了电磁波的存在，并研究了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波与光具有相同的性质，测出了电磁波在真空中的传播速度与光速c相同。
【例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。]
2．(多选)下列关于电磁波的说法正确的是( )
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波的传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
CD [要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是非均匀变化的，所以A选项错误；电磁波是物质波，电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播，B选项错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C选项正确；电磁波可以使电荷移动，说明电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量传播的过程，所以D选项正确。]
1．描述波的物理量
波长(λ)、频率(f)、波速(v)。
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3】 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：波速公式c＝λf，c为光速，λ为光波的波长，f为光波的频率。
[解析] 由速度公式v＝eq \f(x,t)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＝eq \f(x,c)＝eq \f(10,3×108) s≈3.33×10－8 s
由c＝λf得f＝eq \f(c,λ)＝eq \f(3×108,6×10－7) Hz＝5×1014 Hz。
[答案] 3.33×10－8 s 5×1014 Hz
3．英国物理学家麦克斯韦认为：变化的磁场________(选填“能”或“不能”)产生电场；德国物理学家________用实验成功证实了电磁波的存在；已知电磁波在真空中的传播速度为3.0×108 m/s，频率为1.0×108 Hz的电磁波，在真空中的波长为________m。
[解析] 根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的磁场能产生电场；赫兹用实验证实了电磁波的存在；由公式v＝λf，可得波长λ＝eq \f(v,f)＝eq \f(3.0×108,1.0×108) m＝3.0 m。
[答案] 能 赫兹 3.0
1．电磁波谱是把电磁波按波长或频率大小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4】 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射线的很强的穿透力
E．红外线具有显著的热作用
[解析] (1)X光机是用来透视人的体内器官的，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，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大的伤害的X射线，故选D。
(2)紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，故选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E。
[答案] (1)D (2)C (3)E
4．红外线、紫外线、无线电波、可见光、γ射线、伦琴射线按波长由大到小的排列顺序是( )
A．无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线
B．红外线、可见光、紫外线、无线电波、γ射线、伦琴射线
C．γ射线、伦琴射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波
D．紫外线、红外线、γ射线、伦琴射线、无线电波、可见光
A [在电磁波谱中以无线电波波长最大，γ射线波长最小，所以正确的顺序为A。]
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．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是( )
A B C D
C [由电磁场理论，结合图像，则有：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中磁场随着时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随着时间非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。]
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。]
对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场
振荡磁场产生同频率的振荡电场
电磁波的特点
对波长、波速、频率的理解
电磁波谱的理解及应用
电磁波谱
无线电波
红外线
可见光
紫外线
伦琴射线
γ射线
特性
波动
性强
热作
用强
感光
性强
化学作用荧光效应
穿透
力大
穿透力
最强
用途
通信广
播、导航
加热、遥测遥感、红外摄像、红外制导
照明、照相等
杀菌消毒、治疗皮肤
病等
检查、探
测、透视、治疗
探测、
治疗
产生
机理
振荡电
路中自
由电子
的周期
性运动
原子外层电子受到激发
原子内
层电子
受到激发
原子核
受激发
说明
振荡电路中产生
一切物体都能辐射
由七种色光组成
一切高温物体都能辐射
伦琴射线管中高速电子流射至阳极产生
放射性元素衰变时产生
递变
规律
――――――――――――→
频率变大，衍射能力减弱
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.麦克斯韦的电磁场理论的理解。
2．电磁波的预言及实验验证。
3．电磁波谱的组成及各类电磁波的应用。
4．波速、波长和频率关系及应用。