资料中包含下列文件，点击文件名可预览资料内容
还剩15页未读，
继续阅读
成套系列资料，整套一键下载
人教版 (2019)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
展开
这是一份人教版 (2019)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，文件包含人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章2电磁场与电磁波--教师版docx、人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章2电磁场与电磁波--学生版docx等2份学案配套教学资源，其中学案共30页， 欢迎下载使用。
1.了解电磁波的基本特点及其发现过程。
2.知道电磁波的概念,通过电磁波体会电磁场的物质性。
科学探究
1.体会赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法,领会实验对物理学发展的意义。
物理观念
1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容及其在物理学发展史上的意义。
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．
特别提示 变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
例1 （2023春•海淀区校级期末）麦克斯韦在前人研究的基础上，创造性地建立了经典电磁场理论，进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例：圆形平行板电容器在充、放电的过程中，板间电场发生变化，产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向如图中所示，则下列说法正确的是（ ）
A．两平行板间的电场正在增强
B．该变化电场产生逆时针方向（俯视）的磁场
C．该变化电场产生的磁场越来越强
D．电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
答案 D
解析 A、由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电，下极板带正电，电流是由下极板通过电阻R流向上极板，故电容器正在放电，电容器的电荷量正在减少，两平行板间的电压减小，其中的电场正在减弱，故A错误；
B、由题意可知产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场，由安培定则可知产生的磁场为顺时针方向（俯视），故B错误；
C、两平行板间的电压减小，由欧姆定律可知通过电阻R的电流减小，由题意：产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场，故该变化电场产生的磁场越来越弱，故C错误；
D、设电容器的电压为U，板间距离为d，板间的电场强度的大小为E，则有：E=Ud
而电路中的电流为：I=UR=EdR
可知电路中的电流正比于板间的电场强度的大小，故D正确。
针对训练1 （2023春•谯城区校级期末）根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（ ）
A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场
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．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
答案 D
解析 A、恒定的电场不产生磁场，恒定的磁场也不产生电场，故A错误；
BC、根据麦克斯韦的电磁场理论，均匀变化的电场周围一定产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围一定产生稳定的电场，故BC错误；
D、根据麦克斯韦的电磁场理论，周期性变化的磁场（振荡磁场）周围一定产生同频率的周期性变化的电场，故D正确；
二、电磁波
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．
电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波产生机理不同,所以除具有波的共性外,还有不同之处。
例2 根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场
B.在变化的电场周围空间一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围空间一定产生变化的电场
C.均匀变化的电场周围空间一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
答案 D
解析 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化的磁场,只有选项D正确。
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。
针对训练2 如图所示的四种电场中,能产生电磁波的是( )
答案 D
解析 由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。
例3 (多选)关于电磁波与声波,下列说法正确的是( )
A.电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播,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,声波的波长变小
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大于在水中的传播速度,在真空中的传播速度最大;声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大,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=vf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。
理解电磁波与机械波的三点不同
(1)电磁波由电磁振荡产生;机械波由机械振动产生。
(2)机械波的传播依赖于介质的存在,但电磁波的传播不需要介质。
(3)若机械波为横波,则不同频率的横波在同一介质中传播速度相同,在不同介质中传播速度不同,若机械波为纵波,则可得出同样结论,但同一种介质中的横波和纵波传播速度不同;不同频率的电磁波在同一介质中传播速度不同。
针对训练3 关于电磁波与机械波,下列说法正确的是( )
A.机械波和电磁波,本质上是一样的
B.电磁波在任何介质中传播速度都相同,机械波在同一种介质中传播速度都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波与机械波都能发生衍射
答案 D
解析 机械波由机械振动产生,电磁波由振荡的电磁场产生,选项A错误;电磁波的波速与介质和频率都有关,而机械波的传播速度与介质有关,选项B错误;电磁波和机械波都具有波的特性,选项C错误,D正确。
1.(电磁波与机械波的比较)电磁波与机械波具有的共同性质是( )
A.都是横波
B.都能传输能量
C.都能在真空中传播
D.都具有恒定的波速
答案 B
解析 电磁波是横波,但机械波既有横波也有纵波,A错误;电磁波可以在真空中传播,机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,C错误;电磁波在真空中速度是恒定的,在不同介质中速度不同,机械波的波速受介质的影响,在不同介质中波速一般是不同的,D错误;电磁波与机械波都能传输能量,B正确。
2.(电磁波)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,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;赫兹证实了电磁波的存在,D错误。
3.(电磁波)关于电磁波的特点,下列说法不正确的是( )
A.电磁波中电场和磁场互相垂直,电磁波沿二者垂直的方向传播
B.电磁波是横波
C.电磁波传播不需要介质
D.电磁波不具有干涉和衍射现象
答案 D
解析 电磁波具有波所特有的各种属性,即电磁波具有干涉、衍射、反射等现象。
4.(麦克斯韦电磁场理论)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.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
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,均匀变化的磁场周围产生恒定的电场
答案 D
解析 麦克斯韦电磁场理论的核心内容是:变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场。即恒定的电场周围不产生磁场;变化的电场周围可以产生变化的磁场,也可以产生恒定的磁场;均匀变化的电场周围产生恒定的磁场。变化的磁场产生电场的规律与以上类似,故正确答案为D。
5.(电磁波)在探月任务中,玉兔二号月球车朝正下方发射一束频率为f的电磁波,该电磁波分别在月壤层的上、下表面被反射回来,反射波回到玉兔二号的时间差为Δt。已知电磁波在月壤层中传播的波长为λ,求该月壤层的厚度d。
答案 fλΔt2
解析 电磁波的传播速度v=fλ
根据题意2d=vΔt
解得d=fλΔt2。
一、选择题(第1~4题为单选题,第5~9题为多选题)
1.关于电磁场理论,下列描述正确的是( )
A.电磁场不是一种物质
B.静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场
C.稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场
D.变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波
答案 D
解析 变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波,电磁场是一种客观存在的物质,故A错误,D正确;静止的电荷周围不能激发磁场,故B错误;稳定的磁场不能产生电场,故C错误。
2.下列关于电磁波的说法正确的是( )
A.电磁波必须依靠介质传播
B.电磁波可以发生衍射现象
C.电磁波不会发生偏振现象
D.电磁波与机械波本质上是一致的
答案 B
解析 电磁波具有波动性,可以发生衍射、偏振现象,电磁波的传播不需要介质,与机械波的本质是不同的。
3.在真空中传播的电磁波,当它的频率增大时,它的传播速度及其波长的变化情况是( )
A.速度不变,波长减小B.速度不变,波长增大
C.速度减小,波长变大D.速度增大,波长不变
答案 A
解析 电磁波在真空中的传播速度始终为3×108 m/s,与频率无关;由c=λf,波速不变,频率增大,波长减小,故选项A正确,B、C、D错误。
4.2022年10月12日,神舟十四号航天员面向广大青少年进行太空授课,此次太空授课是基于我国天链中继系统,通过电磁波实现了高速双向音视频传输。下列有关电磁波的说法正确的是( )
A.可见光不属于电磁波
B.电磁波的传播需要介质
C.电磁波不是物质,看不见也摸不着
D.电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场
答案 D
解析 可见光属于电磁波,选项A错误;电磁波的传播不需要介质,选项B错误;电磁波看不见也摸不着,但电磁波是物质,选项C错误;电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场,选项D正确。
5.(多选)用麦克斯韦的电磁场理论判断,表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图像是( )
答案 BC
解析 由法拉第电磁感应定律E=nΔΦΔt=nΔBΔtS可知,感应电动势与磁感应强度的变化率成正比。同理,感应电场也与ΔBΔt成正比,E与B的相位相差π2,故选项C正确。选项B中ΔEΔt为定值,故选项B正确。
6.(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所示时,可能是( )
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,根据安培定则感应电流方向如图中E的方向所示,选项A正确,选项B错误。同理,当向下的磁场减弱时,也会得到如图中E的方向,选项C正确,选项D错误。
7.下列说法正确的是( )
A.电荷的周围一定有电场,也一定有磁场
B.均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场
C.任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场
D.正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场
答案 BD
解析 静止的电荷周围有恒定的电场,不产生磁场,运动的电荷周围的电场是变化的,所以产生磁场,选项A错误。由麦克斯韦理论判断选项B、D正确,C错误。
8.(多选)下列关于电磁波的说法正确的是( )
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。
9.如图所示的装置是一水平放置的绝缘环形管,管内壁光滑。现将一直径略小于管内径的带负电的小球以某种方式置于管内,并使小球以初速度v0按如图所示方向在管内开始运动。与此同时,有一变化的磁场竖直向下穿过管所包围的空间,磁感应强度随时间成正比增大。设小球在运动过程中的电荷量不变,则( )
A.小球受到的电场力大小不变
B.小球受到的电场力大小增加
C.磁场力对小球不做功
D.小球受到的磁场力不断增加
答案 ACD
解析 变化的磁场周围产生电场,由于磁场均匀变化,故形成稳定的电场,电场线环绕方向(俯视)为逆时针,故选项A正确,B错误。小球所受电场力方向与初速度方向同向,不断加速,由F洛=Bqv知,所受洛伦兹力增加,选项D正确。洛伦兹力始终与速度垂直,不做功,故选项C正确。
一、选择题(第1~3题为单选题,第4~8题为多选题)
1.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,故选项B正确,A、C、D错误。
2.某电路中电场随时间变化的图像如图所示,能发射电磁波的电场是( )
答案 D
解析 选项A中电场不随时间变化,不会产生磁场。选项B和C中电场都随时间做均匀的变化,只能在周围产生稳定的磁场,不会产生和发射电磁波。选项D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间产生变化的磁场,而磁场的变化也是不均匀的,又能产生变化的电场,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,发射电磁波。
3.下图是一个水平放置的圆环形玻璃小槽,槽内光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中,让它受绝缘棒打击后获得一初速度v0。与此同时,有一变化的磁场垂直穿过圆环形玻璃小槽外径所对应的圆面积,磁感应强度B的大小增大,与时间成正比,方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变,那么( )
A.小球受到的向心力大小不变
B.小球受到的向心力大小不断增加
C.洛伦兹力对小球做了功
D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比
答案 B
解析 根据麦克斯韦电磁场理论可知,磁感应强度随时间线性增大时将产生稳定的感应电场,根据楞次定律可知感应电场的方向与小球初速度方向相同,因小球带正电,故电场力对小球做正功,其速率增大,向心力的大小mv2r随之增大,选项A错误,B正确。带电小球所受的洛伦兹力F=qBv,因为速率v随时间逐渐增大,且B∝t,故选项D错误。因洛伦兹力对运动电荷不做功,故选项C错误。
4.关于机械波与电磁波,下列说法正确的是( )
A.机械波在介质中传播时,介质中后振动的质点总是重复先振动的相邻的质点的振动,是受迫振动
B.弹簧振子在14个周期里运动的路程一定等于一个振幅
C.有经验的战士可以根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹是接近还是远去
D.在真空中传播的电磁波频率不同,传播的速度相同
答案 ACD
解析 机械波在介质中传播时,介质中后振动的质点总是重复先振动的相邻的质点的振动,是受迫振动,选项A正确。弹簧振子只有从平衡位置或者离平衡位置最远处开始振动计时,在14个周期里运动的路程才等于一个振幅,选项B错误。有经验的战士可以根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹是接近还是远去,这是根据多普勒效应,选项C正确。在真空中传播的电磁波频率不同,传播的速度相同,选项D正确。
5.下列说法正确的是( )
A.光由一种介质进入另一种介质时频率不变
B.机械波在介质中传播的速度与波的频率有关
C.电磁波和机械波都需要通过介质传播
D.根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波是横波
答案 AD
解析 光由一种介质进入另一种介质时频率不变,故选项A正确。机械波在介质中传播的速度与波的频率无关,故选项B错误。电磁波不需要通过介质传播,故选项C错误。根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波是横波,故选项D正确。
6.(多选)(2023河北承德高二期中)电磁波与机械波相比较,下列说法正确的是( )
A.电磁波传播不需要介质,机械波传播也不需要介质
B.电磁波传播不需要介质,机械波传播需要介质
C.电磁波在任何介质中传播速度都相同,机械波传播的速度大小取决于介质
D.机械波有横波、纵波,而电磁波只有横波
答案 BD
解析 电磁波传播不需要介质,而机械波的传播需要介质,A错误,B正确。机械波传播的速度大小由介质决定,不同频率的电磁波在同一种介质中传播速度不同,C错误。由二者的特性可知D正确。
7.(多选)如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球,正以速度v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的电荷量不变,那么( )
A.小球受到玻璃环的弹力不断增大
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动
D.磁场力对小球一直不做功
答案 CD
解析 玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场。由楞次定律可判断电场方向为顺时针方向,在电场力作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动,选项C正确;小球在水平面内沿轨迹半径方向受环施加的弹力和磁场施加的磁场力两个力作用,且这两个力的矢量和等于小球做圆周运动的向心力,考虑到小球速度大小的变化以及磁场强弱的变化,弹力和磁场力不一定始终在增大,选项A、B错误;磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功,选项D正确。
8.(多选)如图所示为磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况其中能产生持续电磁波的有( )
答案 BD
解析 根据麦克斯韦的电磁理论可知,要产生电磁波就要由周期性变化的磁场产生周期性变化的电场,再由周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,这样振荡产生的电磁场由发生区域向周围空间传播形成电磁波,故选项B、D正确。分类
机械波
电磁波
对象
研究力学现象
研究电磁现象
周期性变化的物理量
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性变化
传播
传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关
传播不需要介质,在真空中波速总等于光速,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系
分类
机械波
电磁波
干涉
可以发生
可以发生
衍射
可以发生
可以发生
横波
可以是
是
纵波
可以是
不是
1.了解电磁波的基本特点及其发现过程。
2.知道电磁波的概念,通过电磁波体会电磁场的物质性。
科学探究
1.体会赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法,领会实验对物理学发展的意义。
物理观念
1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容及其在物理学发展史上的意义。
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．
特别提示 变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
例1 （2023春•海淀区校级期末）麦克斯韦在前人研究的基础上，创造性地建立了经典电磁场理论，进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例：圆形平行板电容器在充、放电的过程中，板间电场发生变化，产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向如图中所示，则下列说法正确的是（ ）
A．两平行板间的电场正在增强
B．该变化电场产生逆时针方向（俯视）的磁场
C．该变化电场产生的磁场越来越强
D．电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
答案 D
解析 A、由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电，下极板带正电，电流是由下极板通过电阻R流向上极板，故电容器正在放电，电容器的电荷量正在减少，两平行板间的电压减小，其中的电场正在减弱，故A错误；
B、由题意可知产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场，由安培定则可知产生的磁场为顺时针方向（俯视），故B错误；
C、两平行板间的电压减小，由欧姆定律可知通过电阻R的电流减小，由题意：产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场，故该变化电场产生的磁场越来越弱，故C错误；
D、设电容器的电压为U，板间距离为d，板间的电场强度的大小为E，则有：E=Ud
而电路中的电流为：I=UR=EdR
可知电路中的电流正比于板间的电场强度的大小，故D正确。
针对训练1 （2023春•谯城区校级期末）根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（ ）
A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场
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．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
答案 D
解析 A、恒定的电场不产生磁场，恒定的磁场也不产生电场，故A错误；
BC、根据麦克斯韦的电磁场理论，均匀变化的电场周围一定产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围一定产生稳定的电场，故BC错误；
D、根据麦克斯韦的电磁场理论，周期性变化的磁场（振荡磁场）周围一定产生同频率的周期性变化的电场，故D正确；
二、电磁波
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．
电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波产生机理不同,所以除具有波的共性外,还有不同之处。
例2 根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场
B.在变化的电场周围空间一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围空间一定产生变化的电场
C.均匀变化的电场周围空间一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
答案 D
解析 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化的磁场,只有选项D正确。
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。
针对训练2 如图所示的四种电场中,能产生电磁波的是( )
答案 D
解析 由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。
例3 (多选)关于电磁波与声波,下列说法正确的是( )
A.电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播,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,声波的波长变小
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大于在水中的传播速度,在真空中的传播速度最大;声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大,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=vf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。
理解电磁波与机械波的三点不同
(1)电磁波由电磁振荡产生;机械波由机械振动产生。
(2)机械波的传播依赖于介质的存在,但电磁波的传播不需要介质。
(3)若机械波为横波,则不同频率的横波在同一介质中传播速度相同,在不同介质中传播速度不同,若机械波为纵波,则可得出同样结论,但同一种介质中的横波和纵波传播速度不同;不同频率的电磁波在同一介质中传播速度不同。
针对训练3 关于电磁波与机械波,下列说法正确的是( )
A.机械波和电磁波,本质上是一样的
B.电磁波在任何介质中传播速度都相同,机械波在同一种介质中传播速度都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波与机械波都能发生衍射
答案 D
解析 机械波由机械振动产生,电磁波由振荡的电磁场产生,选项A错误;电磁波的波速与介质和频率都有关,而机械波的传播速度与介质有关,选项B错误;电磁波和机械波都具有波的特性,选项C错误,D正确。
1.(电磁波与机械波的比较)电磁波与机械波具有的共同性质是( )
A.都是横波
B.都能传输能量
C.都能在真空中传播
D.都具有恒定的波速
答案 B
解析 电磁波是横波,但机械波既有横波也有纵波,A错误;电磁波可以在真空中传播,机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,C错误;电磁波在真空中速度是恒定的,在不同介质中速度不同,机械波的波速受介质的影响,在不同介质中波速一般是不同的,D错误;电磁波与机械波都能传输能量,B正确。
2.(电磁波)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,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;赫兹证实了电磁波的存在,D错误。
3.(电磁波)关于电磁波的特点,下列说法不正确的是( )
A.电磁波中电场和磁场互相垂直,电磁波沿二者垂直的方向传播
B.电磁波是横波
C.电磁波传播不需要介质
D.电磁波不具有干涉和衍射现象
答案 D
解析 电磁波具有波所特有的各种属性,即电磁波具有干涉、衍射、反射等现象。
4.(麦克斯韦电磁场理论)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.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
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,均匀变化的磁场周围产生恒定的电场
答案 D
解析 麦克斯韦电磁场理论的核心内容是:变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场。即恒定的电场周围不产生磁场;变化的电场周围可以产生变化的磁场,也可以产生恒定的磁场;均匀变化的电场周围产生恒定的磁场。变化的磁场产生电场的规律与以上类似,故正确答案为D。
5.(电磁波)在探月任务中,玉兔二号月球车朝正下方发射一束频率为f的电磁波,该电磁波分别在月壤层的上、下表面被反射回来,反射波回到玉兔二号的时间差为Δt。已知电磁波在月壤层中传播的波长为λ,求该月壤层的厚度d。
答案 fλΔt2
解析 电磁波的传播速度v=fλ
根据题意2d=vΔt
解得d=fλΔt2。
一、选择题(第1~4题为单选题,第5~9题为多选题)
1.关于电磁场理论,下列描述正确的是( )
A.电磁场不是一种物质
B.静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场
C.稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场
D.变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波
答案 D
解析 变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波,电磁场是一种客观存在的物质,故A错误,D正确;静止的电荷周围不能激发磁场,故B错误;稳定的磁场不能产生电场,故C错误。
2.下列关于电磁波的说法正确的是( )
A.电磁波必须依靠介质传播
B.电磁波可以发生衍射现象
C.电磁波不会发生偏振现象
D.电磁波与机械波本质上是一致的
答案 B
解析 电磁波具有波动性,可以发生衍射、偏振现象,电磁波的传播不需要介质,与机械波的本质是不同的。
3.在真空中传播的电磁波,当它的频率增大时,它的传播速度及其波长的变化情况是( )
A.速度不变,波长减小B.速度不变,波长增大
C.速度减小,波长变大D.速度增大,波长不变
答案 A
解析 电磁波在真空中的传播速度始终为3×108 m/s,与频率无关;由c=λf,波速不变,频率增大,波长减小,故选项A正确,B、C、D错误。
4.2022年10月12日,神舟十四号航天员面向广大青少年进行太空授课,此次太空授课是基于我国天链中继系统,通过电磁波实现了高速双向音视频传输。下列有关电磁波的说法正确的是( )
A.可见光不属于电磁波
B.电磁波的传播需要介质
C.电磁波不是物质,看不见也摸不着
D.电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场
答案 D
解析 可见光属于电磁波,选项A错误;电磁波的传播不需要介质,选项B错误;电磁波看不见也摸不着,但电磁波是物质,选项C错误;电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场,选项D正确。
5.(多选)用麦克斯韦的电磁场理论判断,表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图像是( )
答案 BC
解析 由法拉第电磁感应定律E=nΔΦΔt=nΔBΔtS可知,感应电动势与磁感应强度的变化率成正比。同理,感应电场也与ΔBΔt成正比,E与B的相位相差π2,故选项C正确。选项B中ΔEΔt为定值,故选项B正确。
6.(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所示时,可能是( )
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,根据安培定则感应电流方向如图中E的方向所示,选项A正确,选项B错误。同理,当向下的磁场减弱时,也会得到如图中E的方向,选项C正确,选项D错误。
7.下列说法正确的是( )
A.电荷的周围一定有电场,也一定有磁场
B.均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场
C.任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场
D.正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场
答案 BD
解析 静止的电荷周围有恒定的电场,不产生磁场,运动的电荷周围的电场是变化的,所以产生磁场,选项A错误。由麦克斯韦理论判断选项B、D正确,C错误。
8.(多选)下列关于电磁波的说法正确的是( )
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。
9.如图所示的装置是一水平放置的绝缘环形管,管内壁光滑。现将一直径略小于管内径的带负电的小球以某种方式置于管内,并使小球以初速度v0按如图所示方向在管内开始运动。与此同时,有一变化的磁场竖直向下穿过管所包围的空间,磁感应强度随时间成正比增大。设小球在运动过程中的电荷量不变,则( )
A.小球受到的电场力大小不变
B.小球受到的电场力大小增加
C.磁场力对小球不做功
D.小球受到的磁场力不断增加
答案 ACD
解析 变化的磁场周围产生电场,由于磁场均匀变化,故形成稳定的电场,电场线环绕方向(俯视)为逆时针,故选项A正确,B错误。小球所受电场力方向与初速度方向同向,不断加速,由F洛=Bqv知,所受洛伦兹力增加,选项D正确。洛伦兹力始终与速度垂直,不做功,故选项C正确。
一、选择题(第1~3题为单选题,第4~8题为多选题)
1.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,故选项B正确,A、C、D错误。
2.某电路中电场随时间变化的图像如图所示,能发射电磁波的电场是( )
答案 D
解析 选项A中电场不随时间变化,不会产生磁场。选项B和C中电场都随时间做均匀的变化,只能在周围产生稳定的磁场,不会产生和发射电磁波。选项D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间产生变化的磁场,而磁场的变化也是不均匀的,又能产生变化的电场,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,发射电磁波。
3.下图是一个水平放置的圆环形玻璃小槽,槽内光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中,让它受绝缘棒打击后获得一初速度v0。与此同时,有一变化的磁场垂直穿过圆环形玻璃小槽外径所对应的圆面积,磁感应强度B的大小增大,与时间成正比,方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变,那么( )
A.小球受到的向心力大小不变
B.小球受到的向心力大小不断增加
C.洛伦兹力对小球做了功
D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比
答案 B
解析 根据麦克斯韦电磁场理论可知,磁感应强度随时间线性增大时将产生稳定的感应电场,根据楞次定律可知感应电场的方向与小球初速度方向相同,因小球带正电,故电场力对小球做正功,其速率增大,向心力的大小mv2r随之增大,选项A错误,B正确。带电小球所受的洛伦兹力F=qBv,因为速率v随时间逐渐增大,且B∝t,故选项D错误。因洛伦兹力对运动电荷不做功,故选项C错误。
4.关于机械波与电磁波,下列说法正确的是( )
A.机械波在介质中传播时,介质中后振动的质点总是重复先振动的相邻的质点的振动,是受迫振动
B.弹簧振子在14个周期里运动的路程一定等于一个振幅
C.有经验的战士可以根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹是接近还是远去
D.在真空中传播的电磁波频率不同,传播的速度相同
答案 ACD
解析 机械波在介质中传播时,介质中后振动的质点总是重复先振动的相邻的质点的振动,是受迫振动,选项A正确。弹簧振子只有从平衡位置或者离平衡位置最远处开始振动计时,在14个周期里运动的路程才等于一个振幅,选项B错误。有经验的战士可以根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹是接近还是远去,这是根据多普勒效应,选项C正确。在真空中传播的电磁波频率不同,传播的速度相同,选项D正确。
5.下列说法正确的是( )
A.光由一种介质进入另一种介质时频率不变
B.机械波在介质中传播的速度与波的频率有关
C.电磁波和机械波都需要通过介质传播
D.根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波是横波
答案 AD
解析 光由一种介质进入另一种介质时频率不变,故选项A正确。机械波在介质中传播的速度与波的频率无关,故选项B错误。电磁波不需要通过介质传播,故选项C错误。根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波是横波,故选项D正确。
6.(多选)(2023河北承德高二期中)电磁波与机械波相比较,下列说法正确的是( )
A.电磁波传播不需要介质,机械波传播也不需要介质
B.电磁波传播不需要介质,机械波传播需要介质
C.电磁波在任何介质中传播速度都相同,机械波传播的速度大小取决于介质
D.机械波有横波、纵波,而电磁波只有横波
答案 BD
解析 电磁波传播不需要介质,而机械波的传播需要介质,A错误,B正确。机械波传播的速度大小由介质决定,不同频率的电磁波在同一种介质中传播速度不同,C错误。由二者的特性可知D正确。
7.(多选)如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球,正以速度v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的电荷量不变,那么( )
A.小球受到玻璃环的弹力不断增大
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动
D.磁场力对小球一直不做功
答案 CD
解析 玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场。由楞次定律可判断电场方向为顺时针方向,在电场力作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动,选项C正确;小球在水平面内沿轨迹半径方向受环施加的弹力和磁场施加的磁场力两个力作用,且这两个力的矢量和等于小球做圆周运动的向心力,考虑到小球速度大小的变化以及磁场强弱的变化,弹力和磁场力不一定始终在增大,选项A、B错误;磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功,选项D正确。
8.(多选)如图所示为磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况其中能产生持续电磁波的有( )
答案 BD
解析 根据麦克斯韦的电磁理论可知,要产生电磁波就要由周期性变化的磁场产生周期性变化的电场,再由周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,这样振荡产生的电磁场由发生区域向周围空间传播形成电磁波,故选项B、D正确。分类
机械波
电磁波
对象
研究力学现象
研究电磁现象
周期性变化的物理量
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性变化
传播
传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关
传播不需要介质,在真空中波速总等于光速,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系
分类
机械波
电磁波
干涉
可以发生
可以发生
衍射
可以发生
可以发生
横波
可以是
是
纵波
可以是
不是
相关学案
高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 电磁波谱学案设计： 这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册<a href="/wl/tb_c163264_t4/?tag_id=42" target="_blank">4 电磁波谱学案设计</a>，文件包含人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章4电磁波谱--教师版docx、人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章4电磁波谱--学生版docx等2份学案配套教学资源，其中学案共30页， 欢迎下载使用。
人教版 (2019)选择性必修 第二册1 电磁振荡导学案及答案： 这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册<a href="/wl/tb_c163258_t4/?tag_id=42" target="_blank">1 电磁振荡导学案及答案</a>，文件包含人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章1电磁振荡--教师版docx、人教版2019选择性必修第二册新教材同步第四章1电磁振荡--学生版docx等2份学案配套教学资源，其中学案共39页， 欢迎下载使用。
人教版 (2019)选择性必修 第二册4 电能的输送导学案： 这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册<a href="/wl/tb_c163255_t4/?tag_id=42" target="_blank">4 电能的输送导学案</a>，文件包含人教版2019选择性必修第二册新教材同步第三章4电能的输送--教师版docx、人教版2019选择性必修第二册新教材同步第三章4电能的输送--学生版docx等2份学案配套教学资源，其中学案共39页， 欢迎下载使用。
