2024年高考物理复习第一轮：第 3讲　电磁场与电磁波

第3讲　电磁场与电磁波

[主干知识·填一填]

一、电磁场和电磁波

1．麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．

2．电磁场

变化的电场和变化的磁场总是相互联系成为一个完整的整体，这就是电磁场．

3．电磁波

电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波．

(1)电磁波是横波，在空间传播不需要介质．

(2)真空中电磁波的速度为3.0×108 m/s.

(3)v＝λf对电磁波同样适用．

(4)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．

二、电磁波的发射和接收

1．发射电磁波的条件

(1)要有足够高的振荡频率．

(2)电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间．

2．调制

调制有调幅和调频两种方式．

3．电磁波的接收

(1)原理：电磁波在传播过程中如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，因此，空中的导体可以用来接收电磁波．

(2)电谐振与调谐

①电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这个现象叫作电谐振．

②调谐：使接收电路产生电谐振的过程．

(3)解调：使声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程，它是调制的逆过程．检波：调幅波的解调．

三、电磁波谱

1．定义：按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱；递变规律：直线传播能力增强，衍射能力减弱．

2．电磁波谱的特性及应用

[规律结论·记一记]

1．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)”．

2．掌握“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”

3．电磁波与机械波在产生方式、传播途径、波的形成及波速上有显著的不同，但它们都是波，都具有波动性．

4．不同的电磁波有不同的特性，产生机理也不同，但可能具有相同的频率．

5．电磁波的特性与光相似，可以类比光的特性理解电磁波．

[必刷小题·测一测]

一、易混易错判断

1．变化的电场一定产生变化的磁场．(×)

2．电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s.(√)

3．频率越高，振荡电路发射电磁波本领越大．(√)

4．当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时，出现电谐振现象．(√)

5．无线电波不能发生干涉和衍射现象．(×)

6．波长不同的电磁波在本质上完全不同．(×)

二、经典小题速练

1．(粤教版选择性必修第二册P102T1改编)下列是一些磁场的磁感应强度B随时间变化的图像，其中能在磁场周围产生稳定电场的是(　　)

解析：B　只有随时间均匀变化的磁场，在其周围才能产生稳定的电场，故选B.

2．(鲁科版选择性必修第二册P98T5)(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B．周期性变化的电场和磁场可相互激发，形成电磁波

C．利用电磁波传递信号可实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

D．电磁波可由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

解析：AB　电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关，均为3.0×108 m/s，A正确；周期性变化的电场和磁场相互激发，形成电磁波，B正确；电磁波可以在电缆和光缆中传输，C错误；电磁振荡停止后，不能再产生新的电磁波，已经发出的电磁波还会在空间继续传播，D错误．

3．(鲁科版选择性必修第二册P91T4)某调谐电路的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出，仍接收不到某较高频率电台发出的信号．要收到该电台的信号，应采用的方法是(　　)

A．增加调谐电路中线圈的匝数

B．加大电源电压

C．减少调谐电路中线圈的匝数

D．减小电源电压

解析：C　某调谐电路改变电容器电容的过程中仍收不到某较高频率的电台信号，说明调谐电路的固有频率较低，由f＝可知，在无法调节C的前提下，可减小自感系数L，故只有C正确．

命题点一　电磁波的产生、发射和接收(自主学习)

[核心整合]

1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2．对电磁波的理解

(1)电磁波是横波．电磁波的电场E、磁场B、传播方向v三者两两垂直，如图所示．

(2)电磁波与机械波不同，机械波的传播依赖于介质，且传播的速度与介质有关，电磁波的传播不需要介质，在介质中传播的速度与介质和频率均有关．

3．“调幅”和“调频”的区别

(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波．如图所示是调幅的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调幅的高频振荡电流的波形．

(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号，采用调频波．如图所示调频的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调频的高频振荡电流的波形．

4．调制和解调

声音、图像等信号频率相对较低，转化为电信号不能直接发射出去，而要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去．将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制．而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调．

 [题组突破]

1．(麦克斯韦电磁理论的理解)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，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，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．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

解析：D　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能产生变化的磁场，周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场，故D正确．

2．(理论的应用)(多选)如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于玻璃圆环内径的带正电的小球，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，设运动过程中小球所带电荷量不变，那么(　　)

A．小球对玻璃圆环的压力不断增大

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

解析：CD　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，对带正电的小球做功．由楞次定律，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．小球在水平面内沿玻璃圆环半径方向受两个力作用；环的弹力FN和磁场的洛伦兹力F＝Bqv，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力．考虑小球速度大小、方向以及磁场强弱的变化，弹力FN和洛伦兹力F不一定始终在增大．磁场力始终与小球做圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功．

3．(电磁波与机械波的比较)(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是(　　)

A．机械波与电磁波本质上是一致的

B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，还与电磁波的频率有关

C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波

D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象

解析：BCD　机械波由波源振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波传播需要介质，波速由介质决定；电磁波的传播不需要介质，波速由介质和本身频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，任何波都能产生反射、折射、干涉和衍射现象．可见，A错误，B、C、D正确．

4．(电磁波的发射和接收)(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是(　　)

A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是闭合电路

B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波

C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强

D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程

解析：BCD　为了使振荡电路有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射，故A错误；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波，故B正确；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似，故C正确；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频信号中取出来，否则就不能显示，故D正确．

命题点二　电磁波谱(自主学习)

[核心整合]

1．电磁波谱分析及应用

2.电磁波的能量

各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波，所有这些都表明电磁波能够传递能量．

3．对电磁波的两点说明

(1)不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长，越容易产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透能力越强．

(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同．不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越大，折射率越大，速度越小．

[题组突破]

1．(电磁波谱)根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是(　　)

A．微波、红外线、紫外线

B．γ射线、X射线、紫外线

C．紫外线、可见光、红外线

D．紫外线、X射线、γ射线

解析：B　红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误．紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误．在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，故B正确，D错误．

2．(电磁波的特性)关于各种电磁波的性质比较，下列说法中正确的有(　　)

A．由于红外线的波长比可见光长，所以比可见光更难发生干涉、衍射

B．由于γ射线的波长太短了，所以根本无法发生干涉、衍射

C．无论哪一种电磁波，在真空中的传播速度都相同

D．γ射线的穿透能力最强，所以最适于用来透视人体，检查骨骼和其他病变情况

解析：C　波长越长，越容易发生干涉、衍射，故A错误；干涉、衍射是波特有的现象，故B错误；电磁波在真空中的传播速度等于光速，C正确；X射线用来透视人体，检查骨骼等，D错误．

3．(电磁波的应用)(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．北斗导航系统是利用电磁波进行定位和导航的

B．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应

C．常用的电视机遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机

D．遥感技术中利用了红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征

解析：AD　北斗导航系统是利用电磁波工作的，A正确；食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，温度升高，内能增加，B错误；常用的电视机遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，C错误；遥感技术中利用红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征，D正确．

限时规范训练

[基础巩固]

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．教室中点亮的日光灯周围空间必有磁场和电场

B．工作中的打点计时器必产生磁场和电场

C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场产生恒定的电场

D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直

解析：ABD　教室中点亮的日光灯、工作中的打点计时器用的都是振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；恒定的电场不会产生磁场，恒定的磁场也不会产生电场，故选项C错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确．

2．(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直

D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

解析：ABC　电磁波在真空中的传播速度均为光速，与电磁波的频率无关，故A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故B正确；电磁波为横波，它在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直；故C正确；电磁波可以在介质中传播，所以可以通过电缆、光缆进行有线传播，也可以不需要介质进行传播，即无线传播．故D错误．

3．(多选)关于无线电波的接收，下列说法中正确的是(　　)

A．当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时，该电磁波在接收电路中激起的感应电流最大

B．使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐

C．收音机的接收电路是LC振荡回路

D．从接收到的高频率振荡中“检”出所携带的信号，叫作调谐

解析：ABC　接收电路与电磁波发生电谐振时，即接收电路的固有频率等于电磁波的频率时，电路中激起的感应电流最大，选项A正确；根据调谐概念可知，选项B正确，D错误；收音机的接收电路是LC回路，选项C正确．

4．(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)

A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变

B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高

C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射

D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线

解析：AB　紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，选项C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，选项D错误．

5．我国进行的大熊猫普查使用了全球卫星定位系统和RS卫星红外遥感技术，详细调查了珍稀动物大熊猫的种群、数量、栖息地周边情况等，红外遥感主要利用了红外线的(　　)

A．热效应　　　　　　 B．相干性

C．反射性能好  D．波长长，易衍射

解析：D　红外遥感主要是利用了红外线波长长，易衍射的特点，故只有D正确．

6．某空警预警机上装备有多功能三坐标多普勒脉冲雷达，可进行全向探测，主要用于发现和跟踪空中与水面目标，工作频率为1.2×109～1.4×109 Hz.对空中目标的最远探测距离为470 km，该机的雷达系统可同时跟踪60～100个空中目标，并对战术空军的10架飞机实施引导．下列关于该脉冲雷达的说法正确的是(　　)

A．脉冲雷达采用的是X射线

B．脉冲雷达采用的是微波

C．预警机高速飞行时，发射的脉冲信号传播速率可能大于光在真空中的传播速率

D．增大它的振荡电路的电容，可增大雷达的工作频率

解析：B　脉冲雷达是利用微波测速、测距的，其传播速率等于光速，故A、C选项错误，B选项正确；由T＝2π可知，增大振荡电路的电容，其周期变大，工作频率减小，故D选项错误．

[能力提升]

7．(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1000 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1.5 m至0.3 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反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离

D．波长越短的电磁波，反射性能越强

解析：ACD　据λ＝知，电磁波频率在200 MHz至1000 MHz的范围的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间，故A正确．雷达是利用电磁波的反射原理，波长越短，其反射性能越强，雷达和目标的距离s＝c·Δt，故C、D正确；电磁波的产生是依据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，故B错误．

8．实际发射无线电波的过程如图所示．高频振荡器产生高频等幅振荡电流如图(甲)所示，人对着话筒说话时产生低频信号如图(乙)所示．根据以上图像，发射出去的电磁波图像应是选项中哪一个(　　)

解析：B　高频振荡器产生高频等幅振荡，话筒结构是里边有碳膜电阻，它的阻值随压力变化而变化．当我们对着它说话时，空气对它的压力随着声音而变化，那么它的电阻也就随声音信号而变化，振荡电流的振幅也就随着声音信号而变化，这就是调制．它不但影响了正半周，也影响了负半周，故选B.

9．一台收音机可接收中波、短波两个波段的无线电波，打开收音机后盖，在磁棒上能看到两组线圈，其中一组是细线密绕匝数多的线圈，另一组是粗线疏绕匝数少的线圈，由此可以判断(　　)

A．匝数多的电感大，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收中波

B．匝数多的电感小，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收短波

C．匝数少的电感小，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收短波

D．匝数少的电感大，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收中波

解析：A　根据密绕匝数多的线圈电感大，疏绕匝数少的线圈电感小，可排除B、D选项；根据f＝，电感越大，回路固有频率越小，可排除C选项；根据c＝fλ，频率越小，波长越大，可知A选项是正确的．