高中4 电磁波的发现及应用学案设计

这是一份高中4 电磁波的发现及应用学案设计，共14页。


知识点一 电磁场及电磁波
[观图助学]
电磁波在日常生活中的应用越来越多，思考电磁波是怎样形成的？
1.麦克斯韦的电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场
麦克斯韦认为，磁场随时间变化快，产生的电场强；磁场随时间的变化不均匀时，产生变化的电场；稳定的磁场周围不产生电场。
(2)变化的电场产生磁场
麦克斯韦认为，若电场随时间变化快，则产生的磁场强；若电场随时间的变化不均匀，则会产生变化的磁场。稳定的电场周围不产生磁场。
2.电磁场
如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场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新的周期性变化的电场…变化的电场和磁场相互联系，形成了不可分割的统一体，这就是电磁场。
3.电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。麦克斯韦预言电磁波的速度等于光速。
[思考判断]
(1)在电场周围，一定存在着和它联系着的磁场。(×)
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。(×)
(3)恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场。(×)
(4)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(×)
知识点二 电磁波谱、电磁波的能量及电磁波通信
[观图助学]
思考生活中除了电视、雷达、移动电话外，还有哪些现象应用了电磁波？
1.电磁波谱
电磁波的频率范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，把这些电磁波按波长或频率顺序排列起来，就构成了电磁波谱。电磁波谱中的各种波在真空中的传播速度均等于光速。不同电磁波具有不同的特性，例如，无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。红外线可以用来加热理疗，可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信。紫外线可以消毒，X射线片可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞。
2.电磁波的能量——红外线和紫外线的应用
赫兹通过实验证实了电磁波的存在，这意味着，电磁场是真正的物质存在。电磁波具有能量，电磁波是一种物质。
3.电磁波通信
电信网、广播电视网和互联网逐步整合成为统一的信息通信网络，这些信息都是通过电磁波来传递的。电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。
[思考判断]
(1)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长。(√)
(2)红外线属于可见光。(×)
(3)紫外线有明显的热效应。(×)
麦克斯韦电磁场理论把电磁学发展成为完整的、优美的理论体系，统一了人们对电磁和光现象的认识，为电和磁的利用开辟了理论前景，为深入研究物质的电磁结构及客观性提供理论基础。
不均匀变化的磁场和电场相互耦连，形成不可分离的统一的电磁场。变化的电场与变化的磁场相互激发，由近及远地向周围空间传播，就形成了电磁波。麦克斯韦在理论上预言了电磁波的存在。
生活链接
微波炉
紫外线消毒柜
核心要点 对麦克斯韦电磁场理论的理解
[观察探究]
如图所示，在变化的磁场中放置一个闭合线圈。
(1)你能观察到什么现象？
(2)这种现象说明了什么？
答案 (1)灵敏电流计的指针发生偏转，有电流产生。
(2)变化的磁场产生了电场，使闭合线圈的自由电荷发生了定向运动而形成了电流。
[探究归纳]
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
2.电场、磁场的变化关系可用下面的框图表示
[试题案例]
[例1] 关于电磁场理论，下列说法正确的是( )
A.在电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，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.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
思路点拨 要注意电场或磁场是如何变化的，变化规律不同，产生的场的特点也不相同。
解析 根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，A、B、C错误，D正确。
答案 D
方法总结
麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场，而产生的电场或磁场如何变化，与原磁场或电场的变化规律有关。
[针对训练1] (多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是( )
A.教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场
C.稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场
D.只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波
解析 教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中流的电流是交变电流，在其周围产生交变磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；只有周期性变化的电场和磁场才能交替产生，由发生区域向外传播形成电磁波，选项D错误。
答案 AB
核心要点 电磁波、电磁波谱及电磁波的应用
[观察探究]
1.如图所示，中国女航天员王亚平在“天宫一号”为中小学生授课。思考一下，王亚平授课的视频是怎样传到地面上的？
答案 通过电磁波来传递。
2.红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温，如图所示，你知道它的工作原理吗？
答案 根据体温越高，辐射红外线越强的原理。
[探究归纳]
1.不同电磁波的比较
2.电磁波的波速、波长与频率的关系：c＝λf，λ＝eq \f(c,f)
同一种电磁波在不同介质中传播时，频率不变(频率由波源决定)，波速、波长发生改变。在介质中的速度都比真空中的速度小。不同电磁波在同一种介质中传播时，传播速度不同，频率越高波速越小，频率越低波速越大。
[试题案例]
[例2] (多选)电磁波与声波比较，下列叙述中正确的是( )
A.电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B.由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大
C.由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大
D.电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关
解析 选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝eq \f(v,f)，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误。
答案 ABC
方法总结 对电磁波的理解
(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。
(2)不同频率的电磁波，在同一种介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。
[例3] 下面列出一些医疗器械的名称和这些器械应用的物理现象，请将相应的字母填写在应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)用理疗“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好，这里的“神灯”是利用________。
A.紫外线具有很强的荧光作用
B.紫外线具有杀菌消毒作用
C.X射线的很强的贯穿力
D.红外线具有显著的热效应
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，因此应用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线，选择C。
(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，因此选择B。
(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，因此选择D。
答案 (1)C (2)B (3)D
[针对训练2] (多选)下列关于电磁波的说法中，正确的是( )
A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108 m/s
C.电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D.只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波
解析 电磁波在真空中的传播速度为光速c＝3.0×108 m/s，且c＝λf，从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变化。电磁波仍具有波的特征，电磁波只有在真空中的传播速度才为3.0×108 m/s，在其他介质中的传播速度小于3.0×108 m/s，波长变短，只有交变的电场和磁场才能产生电磁波，A、C正确，B、D错误。
答案 AC
[针对训练3] 无线电波的中波波长范围为200～3 000 m。求该波段的频率范围。
解析 根据频率公式f＝eq \f(c,λ)得f1＝eq \f(c,λ1)＝eq \f(3×108,200) Hz＝1.5×106 Hz，f2＝eq \f(c,λ2)＝eq \f(3×108,3 000) Hz＝1.0×105 Hz，即该波段的频率范围为1.0×105～1.5×106 Hz。
答案 1.0×105～1.5×106 Hz
1.(关于麦克斯韦电磁场理论的理解)(多选)关于麦克斯韦的电磁场理论及其成就，下列说法正确的是( )
A.变化的电场可以产生磁场
B.变化的磁场可以产生电场
C.证实了电磁波的存在
D.预见了真空中电磁波的传播速度大于光速
解析 选项A和B是电磁场理论的两大支柱，所以A和B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹最早证实了电磁波的存在，C错误；麦克斯韦预见了真空中电磁波的传播速度等于光速，D错误。
答案 AB
2.(对电磁波谱的认识)电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等，按波长由长到短的排列顺序是( )
A.无线电波、红外线、紫外线、γ射线
B.红外线、无线电波、γ射线、紫外线
C.γ射线、红外线、紫外线、无线电波
D.紫外线、无线电波、γ射线、红外线
解析 在电磁波家族中，按波长由长到短分别为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，所以A项正确。
答案 A
3.(麦克斯韦电磁场理论的应用)(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.向上方向的磁场减弱，然后反向增强
解析 向上方向的磁场增强时，感应电场的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则知感应电场方向如图中E的方向，选项A正确，B错误；同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如图中E的方向，选项C正确，D错误。
答案 AC
4.(电磁波的利用)(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到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离
D.雷达使用的无线电波的微波波段
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；雷达使用的无线电波的微波波段，D正确。
答案 ACD

基础过关
1.(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是( )
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磁场，变化的磁场周围产生电场
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稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
解析 麦克斯韦电磁场理论的核心内容是：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场，对此理论全面正确理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场可以产生变化的磁场，也可产生不变化的磁场；均匀变化的电场产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场，由变化的磁场产生电场的规律与上相似，由此可知，选项B、D正确，A、C错误。
答案 BD
2.在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是( )
解析 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中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。
答案 C
3.(多选)下列说法中正确的是( )
A.夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最弱的
B.医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的
C.科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化
D.在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
解析 热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，A错误，D正确；穿透本领最强的是γ射线，B错误；臭氧层可吸收、阻挡过强的紫外线，使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害，另外臭氧层空洞可引起气候恶化，C正确。
答案 CD
4.(多选)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
B.声波不能传递信息
C.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
D.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度不相同
解析 声波、电磁波都能传递能量和信息，A项正确，B项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，C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，D项正确。
答案 ACD
5.如图所示是某一固定面积的磁通量的变化图线，它在周围空间某一点激发的电场的场强E应是( )
A.逐渐增强 B.逐渐减弱
C.不变 D.无法确定
解析 由题图知，磁通量均匀变化，而面积一定，故磁感应强度B均匀变化，故在其周围产生稳定的电场，故C正确。
答案 C
6.关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C.电磁波由真空进入某种介质传播时，波长将变长
D.电磁波只能在真空中传播
解析 电磁波是交替变化的电磁场由发生区域向远处的传播，在真空中的传播速度是3×108 m/s。在其他介质中的传播速度小于3×108 m/s。电磁波在传播的过程中，频率f不变，由v＝λf可知传播速度变小时，波长变短，故B、C、D均错误。
答案 A
7.(多选)关于电磁波，下列说法正确的是( )
A.只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B.电磁波在真空和介质中传播速度不相同
C.均匀变化的磁场能够在空间形成电磁波
D.赫兹证实了电磁波的存在
解析 若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，A、C错误；光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断B正确；赫兹证实了电磁波的存在，D正确。
答案 BD
8.以下关于电磁波的说法不正确的是( )
A.无线通信是用电磁波进行传播的
B.医院B超发出的超声波是电磁波
C.遥控器发出的红外线是电磁波
D.透视使用的X射线是电磁波
解析 无线通信用的是频率为数百千赫至数百兆赫的无线电波，它是电磁波；超声波是声波(机械波)，不是电磁波；遥控器发出的红外线是电磁波；X射线也是电磁波。所以A、C、D正确，B不正确。
答案 B
9.电磁波由真空中进入介质中时，其波速变为原来的一半，则波长将变为原来的多少倍？
解析 电磁波由真空进入介质中时，周期不变。
由λ＝vT可知，eq \f(λ,λ0)＝eq \f(v,v0)＝eq \f(1,2)
即λ＝eq \f(1,2)λ0＝0.5λ0。
答案 0.5倍
能力提升
10.(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)，正确的是( )
解析 A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以B图正确；C图中的上图是周期性变化的磁场，它能产生同频率的周期性变化的电场，C图是正确的；D图的上图是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，故D图错误。
答案 BC
11.如图所示是一水平放置的绝缘环形管，管内壁光滑，内有一直径略小于管内径的带正电的小球，开始时小球静止。有一变化的磁场竖直向下穿过管所在的平面，磁感应强度B随时间成正比例增大，设小球的带电量不变，则( )
A.顺着磁场方向看，小球受顺时针方向的力，沿顺时针方向运动
B.顺着磁场方向看，小球受逆时针方向的力，沿逆时针方向运动
C.顺着磁场方向看，小球受顺时针方向的力，沿逆时针方向运动
D.小球不受力，不运动
解析 因为绝缘环形管面内有均匀增大的磁场，在其周围会产生稳定的涡旋电场，对带电小球做功。由楞次定律判断电场方向为逆时针方向。在电场力作用下，带正电小球沿逆时针方向运动，故B正确。
答案 B
12.在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。(已知地球的质量为6.0×1024 kg，地球半径为6.4×106 m，引力常量为6.67×10－11 N·m2·kg－2)
解析 主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传递信息是需要时间的，设同步卫星高度为H，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即eq \f(GMm,（R＋H）2)＝meq \f(4π2,T2)(R＋H)，H＝eq \r(3,\f(GMT2,4π2))－R＝3.6×107 m，则一方讲话，另一方听到对方的讲话所需的最少时间是
t＝eq \f(2H,c)＝0.24 s。
答案 电磁波传递信息需要时间 0.24 s核心素养
物理观念
科学思维
科学探究
1.知道麦克斯韦电磁场理论，理解麦克斯韦电磁理论的两个要点。
2.了解电磁波的形成。掌握波长、频率和波速的关系。
3.了解电磁波的特点，知道电磁场的物质性。
4.知道电磁波与机械波的区别。
1.了解电磁波的发现对人类文明的影响，体会科学家研究物理问题的思维方法。
2.了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义。
3.了解麦克斯韦和赫兹在物理学发展中的贡献。
4.通过实例认识电磁波谱，了解电磁波的组成，知道它们各自的特点及重要应用。
1.探究电磁波产生的条件。
2.电磁波的特性及应用。
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
电磁波名称
波长、频率
特点
应用
许多自然过程也辐射无线电波
广播和通讯，天体卫星研究
无线电波
所有物体都会发射红外线，热物体的红外线辐射比冷物体强
红外线摄影
红外线遥感
红外线
复色光(红)eq \(――→,\s\up7(大 波长 小),\s\d5(小 频率 大))(紫)
eq \b\lc\ \rc\}(\a\vs4\al\c1(太空黑暗，,天空明亮))eq \(――→,\s\up7(原因))没有大气，天空蓝色eq \(――→,\s\up7(原因))短波散射，傍晚阳光红色eq \(――→,\s\up7(原因))短波吸收
可见光
能量较高
灭菌消毒
促进人体对钙的吸收，利用荧光效应防伪
紫外线
对生命物质有较强作用，过量会引起病变，穿透本领强
检查人体内部器官、零件内部缺陷
X射线
能量很高，破坏生命物质
治疗疾病
探测金属部件内部缺陷
γ射线