高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 电磁波的发现及应用优秀课后练习题

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【学习目标】
1、了解人类发现电磁波的历史，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁波发现做出的巨大贡献，领会在电磁波的发现过程中所蕴含的科学方法和科学精神。
2、体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。
3、了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。
4、了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用。知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。
【学习重难点】
学习重点：电磁波的发现历史概况，物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用；电磁波是一种特殊物质，能传播能量和信息；电磁波谱中各波段的主要特性以及在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用。
学习难点：麦克斯韦电磁场的基本概念和理论。
【知识回顾】
1、广播、电视、移动通信等通信方式均要借助电磁波传递信息。
2、闭合导体回路中的磁通量发生变化时，回路中产生感应电流。
3、电磁波可以在真空中传播，不需要介质，其传播速度等于光速。光是一种电磁波。
【自主预习】
1、麦克斯韦认为，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，电磁波由变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播。
2、1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。
3、波速、波长、周期、频率之间的关系是v＝λ/T＝λf。
4、电磁波谱：按照波长从大到小的顺序，依次为无线电波、红外线、可见光（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）、紫外线、伦琴射线、γ射线。
5、电磁波是一种物质，能传递能量和信息。
【课堂探究】
第一部分 电磁场
古时用点燃烟火传递重要消息。白天施烟，夜间点火，台台相连——烽火台。
古时候人们信息交流很难，只有最紧急的事才会用到——八百里加急。
为方便传递信息，古代神话小说里出现了"顺风耳和千里眼"。
如今，电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。那么，电磁波是如何产生的呢？
思考1：什么是电磁感应现象？
在变化的磁场中放入一个闭合的导体回路，闭合导体回路中就产生感应电流。
麦克斯韦认为，变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场（涡旋电场）在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。
思考2：如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？
有电场，无电流。
思考3：线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？
有。
麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。
思考4：既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么，变化的电场能不能在空间产生磁场？
麦克斯韦提出假设：变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场。
变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，它们形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场。它既不是电场也不是磁场，更不是电场和磁场的叠加，而是电场和磁场相互依赖，形成不可分割的整体。

第二部分 电磁场
麦克斯韦预言：空间可能存在电磁波。它是变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播。
1886年，赫兹通过实验捕提到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。
【视频】赫兹的电火花实验。
【视频】捕捉电磁波实验。
电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与二者均垂直的方向传播，所以电磁波是横波。E⊥B⊥V。
空气、水，是声波和水波传播的介质。电磁波可以在真空中传播，不需要介质。
【播放视频】电磁波的传播。
电磁波的传播速度等于光速，光是以波动形式传播的一种电磁振动，即光是一种电磁波。
第三部分 电磁波谱
在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰；凹下的最低处叫作波谷。邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长。在1s内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫作波速。波速：v＝λ/T＝λf
电磁波的特点：
（1）电磁波可以在真空中传播，速度等于光速c＝3×108m/s；
（2）电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和λ变化，v介＜c；
（3）不同电磁波在同一介质中传播，速度不同，f越高，v越小；f越低，v越大；
（4）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。
电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来,就是电磁波谱。
①无线电波：波长大于1mm，分为长波、中波、短波和微波，主要用于无线电通讯；
②红外线：波长比无线电波短，比可见光长，所有的物体都在不停地发射红外线，主要用于遥感、加热；
③可见光：波长在700nm~400nm，分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种，可被视网膜感知；
④紫外线：波长在400nm~5nm，有较高的能量。可用于灭菌消毒，荧光效应等；
⑤X射线：波长比紫外线更短，有比紫外线更高的能量，有较强的穿透作用，可用于透视、检查金属内部缺陷；
⑥γ射线：波长比X射线更短，频率非常高。有很高的能量和很强的穿透作用，可用于检查金属内部缺陷。
【视频】电磁波谱。
思考：生活中常用微波炉来加热食物,食物增加的能量是微波给它的,由此可以得出什么结论？
电磁波具有能量。
电磁波的特性：
①电磁波具有能量。
②电磁波是一种物质。
③光是一种电磁波，光具有能量。
第四部分 电磁波通信
电磁波携带信息，既可以有线传播，也可以无线传播。如：电信网、广播电视网、互联网、卫星宽带通信网络。
【自我测评】
1．（2022下·陕西延安·高二校考期中）“神舟十三号”载人飞船于2021年10月16日凌晨成功发射，在轨运行6个月后于2022年4月16日返回地球。创造了中国载人航天任务的新纪录。在发射与回收过程中，地面测控站对飞船进行跟踪测量与控制时，传输信号所使用的是电磁波谱中的（ ）
A．红外线B．无线电波C．紫外线D．X射线
【答案】B
【详解】在发射与回收过程中，地面测控站对飞船进行跟踪测量与控制时，传输信号所使用的是电磁波谱中的无线电波。
故选B。
2．（2022·高二课时练习）根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是（ ）
A．磁场周围一定存在电场
B．电场周围一定存在磁场
C．点电荷的电场周围一定没有磁场
D．变化的磁场周围不一定存在变化的电场
【答案】D
【详解】A．变化的磁场可以激发电场，恒定的磁场不会产生电场，故A错误；
B．变化的电场可以激发磁场，恒定的电场不会产生磁场，故B错误；
C．运动的电荷可以产生磁场，故C错误；
D．变化的磁场周围不一定存在变化的电场，只有非均匀变化的磁场才能产生变化的电场，故D正确。
故选D。
3．（2022上·江苏盐城·高二盐城市伍佑中学校考阶段练习）有一个广播电台的频率f=90.0MHz，这个电台发射的电磁波的波长λ为（ ）
A．2.70mB．270mC．3.00mD．3.33m
【答案】D
【详解】这个电台发射的电磁波的波长
λ=cf=3×10890×106m=3.33m
故选D。
4．（2022上·山东枣庄·高二统考期中）“中国天眼”位于贵州的大山深处，是500m口径球面射电望远镜（FAST）。它通过接收来自宇宙深处的电磁波，探索宇宙。下列关于电磁波的说法正确的是（ ）
A．电磁波在任何介质中传播速度均为3×108m/s
B．红外线的波长比紫外线大
C．麦克斯韦认为均匀变化的电场能激发出变化的磁场，空间将产生电磁波
D．赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁理论
【答案】BD
【详解】A．电磁波在不同介质中的传播速度不同，其在真空中传播的速度为3×108m/s，A错误；
B．红外线的波长比紫外线大，B正确；
C．麦克斯韦认为周期性变化的电场激发出周期性变化的磁场，空间将产生电磁波，C错误；
D．赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁理论，D正确。
故选BD。
5．（2022下·浙江杭州·高二学军中学期中）目前，我国正在开展5G网络试点工作，并将于2020年进入全面5G时代。届时，将开启万物互联时代：车联网、物联网、智慧城市、无人机网络、自动驾驶技术等将一一变为现实。5G，即第五代移动通信技术，采用3300−5000MHz频段，相比于现有的4G（即第四代移动通信技术，1880−2635MHz频段）技术而言，具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。5G信号与4G信号相比下列说法正确的是（ ）
A．5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快B．5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡
C．5G信号比4G信号需要更少的通信基站D．5G信号比4G信号更适合长距离传输
【答案】B
【详解】A．5G信号和4G信号都是电磁波，在真空中传播速度等于光速，A错误；
BC．根据
λ=cν
可知5G信号频率更高，波长更短，4G信号频率更低，波长更长，更容易发生明显衍射，即5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡，需要建设更密集的基站，B正确，C错误；
D．近距离数据传输技术也是未来5G移动通信网络构建过程中所研究的关键技术之一。近距离数据传输也就是指移动网络数据信号可以不经过移动信号基站，而是直接实现设备与设备之间的通信传输，D错误。
故选B。
6．（2021上·湖南·高二校联考期中）2021年7月4日，我们在电视中看到湖南湘潭籍航天员汤洪波走出离地面高约为400km的中国空间站，标志着我国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。航天员出舱的画面是通过电磁波传输到地面接收站，下列关于电磁波的说法不正确的是（ ）
A．生活中用微波炉来加热食物，可见电磁波具有能量
B．汤洪波出舱活动的画面从空间站传到地面接收站最少需要约0.014s
C．1886年，赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路
D．英国物理学家麦克斯韦系统总结了人类直至19世纪中叶对电磁规律的研究成果，在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论
【答案】B
【详解】A．生活中用微波炉来加热食物，可见电磁波具有能量，故A正确，不符合题意；
B．电磁波在真空中或空气中传播的速度v=3.0×108m/s，空间站到地球表面的距离s=4×105m，电磁波从空间站传播到地面的时间
t=sv≈0.0013s
故B错误，符合题意；
C．1886年，赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路，故C正确，不符合题意；
D．英国物理学家麦克斯韦系统总结了人类直至19世纪中叶对电磁规律的研究成果，在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论，故D正确，不符合题意。
故选B。
【学后反思】
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