高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第六章 电磁现象与电磁波第四节 电磁波及其应用导学案

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知识点一 电磁场与电磁波
1．电磁场
(1)麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设
①变化的磁场能够在周围空间产生电场。
②变化的电场能够在周围空间产生磁场。
(2)电磁场：变化的电场和变化的磁场构成不可分割的统一场，称为电磁场。
2．电磁波
(1)电磁波的产生：变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。
(2)电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质。
知识点二 电磁场的物质性
1．电磁场的特点：看不见摸不着，没有固定的形状和体积，几个电磁场可以同时占有同一空间。
2．电磁场的物质性的验证
(1)微波炉利用电磁波来加热食物，说明电磁场具有能量。
(2)光压现象说明电磁场具有质量。
(3)美国物理学家康普顿通过实验验证了电磁场和电荷系统相互作用时遵守动量守恒定律和能量守恒定律。
知识点三 电磁波的应用
1．电视广播
(1)电视通过电磁波传播视频信号，其原理与传播音频信号相似。
(2)通常电视广播使用微波(选填“长波”“中波”或“微波”)传送电视信号。
(3)人们利用电磁波将电视信号先传递给地球同步通信卫星，然后由通信卫星将信号传回大地。
2．雷达
(1)雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器。
(2)组成：雷达主要由发射机、接收机和显示器等部分组成。
(3)雷达工作时使用的是微波(选填“长波”“中波”或“微波”)。
3．移动电话
(1)现代通信技术是电磁波最辉煌的应用成果之一。
(2)无线电话、无线对讲机、移动电话均是通过电磁波实现信号的发射与接收的。
知识点四 光是一种电磁波
1．19世纪60年代，麦克斯韦建立了电磁场理论。
2．1888年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，并证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉和衍射等性质。
3．电磁波的速度等于光速。
知识点五 能量子假说
1．热辐射
(1)热辐射：①定义：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。
②特点：物体在热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越大。
(2)黑体：①定义：某种物体能够全部吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。
②黑体辐射的特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。
2．能量子
(1)普朗克的假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.63×10-34J·s。
(3)能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。这种现象叫能量的量子化。
知识点六 光子假说
1．光电效应
(1)概念：当光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出，这种现象被称为光电效应，逸出的电子称为光电子。
(2)实验规律
①用不同频率的光去照射阴极时，光的频率越大，光电子动能越大；
②频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生光电子。
2．光子
(1)概念：爱因斯坦1905年指出，当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份光量子，这些光量子称为光子。
(2)光子的能量：ε＝hν。
知识点七 光的波粒二象性
1．粒子性：爱因斯坦的光子假说成功地解释了光电效应，说明了光具有粒子性。
2．波动性：光的干涉、衍射等实验事实说明了光具有波动性。
3．光的波粒二象性：光的这种既具有波动性，又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。
知识点八 原子结构的玻尔理论
1．定义：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。
2．能级跃迁：
(1)通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。
(2)把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。
(3)处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时放出光子，原子从高能级向低能级跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。
3．原子光谱：由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
能量子：不可再分割的最小能量值。
1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场。(×)
(2)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)
(3)在微观世界中能量不能连续变化。(√)
2．填空
光是一种电磁波，则波长为400nm的光子的能量是4.97×10-19J。
试探究：(1)观察上面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？
(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？
[提示] (1)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的。
(2)不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。
麦克斯韦电磁场理论
1．变化的磁场产生电场
麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关。导体环的作用只是用来显示电流的存在。
2．变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。
3．变化的磁场产生电场的几种形式
(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周期性变化的电场。
4．变化的电场产生磁场的几种形式
(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周期性变化的磁场。
【典例1】 关于电磁场理论的叙述，不正确的是( )
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周期性变化的电场
C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的整体，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场
思路点拨：(1)相互激发的变化的电场与磁场的频率相等。
(2)交替变化的电磁场是一个整体。
D [
故D符合题意。]
在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，静磁场也不产生电场，还要注意根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场(或电场)。
[跟进训练]
1．磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的磁场和能产生持续电磁波的磁场分别为( )
A．②③④、③④ B．①③④、③④
C．②③④、②④D．①③④、②④
C [根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故②③④都可以产生电场；周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，从而产生电磁波，故只有②④可以产生电磁波。]
光的量子化与量子世界
1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。
2．在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。
【典例2】 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( )
A．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收
B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射和吸收的能量是量子化的
思路点拨：(1)微观粒子吸收和辐射能量只能是一份一份的。
(2)能量是量子化的，不连续的。
ABD [带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误。]
(1)带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
(2)当辐射或吸收能量时，也是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。
(3)在微观世界中能量是量子化的。
[跟进训练]
2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是( )
A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C．能量子与电磁波的频率成正比
D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
BC [由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确；普朗克能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，D错误。]
1．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波由电磁场发生区域向远处传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为c
C．电磁波在真空中传播时，传播速度为c
D．光是一种电磁波
ACD [电磁波由电磁场发生区域向远处传播，电磁波在真空中的传播速度为c，故选项A、C、D正确。]
2．(多选)下列说法正确的是( )
A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化
B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差
D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的光谱只有一些分立的亮线
CD [原子的能量是量子化的，原子从高能级会自发地向低能级跃迁，向外放出光子。光子的能量hν＝E初－E末，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的。]
3．在日常生活中，广泛使用了红外体温计测量体温，下列说法正确的是( )
A．当体温超过37.3℃时人体才辐射红外线
B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
D [人体在任何温度下都会辐射红外线，故A、B选项错误。人体温度越高，辐射红外线的强度越大，红外体温计正是根据这一特点来测体温的，而不是利用红外体温计发射红外线来测体温的，故C选项错误，D选项正确。]
4．(新情境题，以“人眼感光”为背景，考查光子的能量)人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10-34J·s，光速为3.0×108m/s，已知c＝λν，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是多少？
[解析] 因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝Et，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h cλ，可解得P＝6×6.63×10-34×3×108530×10-9W≈2.3×10-18W。
[答案] 2.3×10-18W
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是电磁场？什么是电磁波？
[提示] 变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。
2．哪位科学家提出了电磁场理论？哪位科学家证实了电磁波的存在？
[提示] 麦克斯韦、赫兹。
3．哪位科学家提出了量子假说？光量子的公式是什么？
[提示] 德国物理学家普朗克，ε＝hν，h＝6.63×10-34J·s。
课时分层作业(二十) 电磁波及其应用 量子化现象
1．关于电磁理论，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
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，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，C错误。]
2．近年来军事行动中，士兵都使用“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为( )
A．“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体
B．一切物体均在不停地辐射红外线
C．一切高温物体均在不停地辐射红外线
D．“红外夜视仪”发射出X射线，被射物体受到激发而发出红外线
B [一切物体均在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出的红外线不同，采用“红外夜视仪”可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，即可确认出目标，从而采取有效的行动。“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体，与结论不相符，选项A错误；一切物体均在不停地辐射红外线，与结论相符，选项B正确；一切高温物体均在不停地辐射红外线，与结论不相符，选项C错误；“红外夜视仪”发射出X射线，被射物体受到激发而发出红外线，与结论不相符，选项D错误。]
3．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是( )
A．电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波
B．在电场的周围总能产生磁场，在磁场的周围总能产生电场
C．电磁波是一种物质，只能在真空中传播
D．电磁波传播的速度总是3.0×108m/s
A [变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，电磁场逐渐向外传播形成电磁波，A正确；根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，只要电场发生变化就可以产生磁场，只要磁场发生变化就可以产生电场，如果电场(磁场)不变化，则不能产生磁场(电场)，B错误；电磁波的传播不依赖介质，可在真空中传播，也可在介质中传播，在真空中的传播速度才等于光速，C、D错误。]
4．已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为( )
A．hcλ B．hλ
C．chλD．以上均不正确
A [由波速公式c＝λν可得：ν＝cλ，由光的能量子公式得ε＝hν＝h cλ，故选项A正确。]
5．雷达是一种利用电磁波来测定物体位置和速度的设备，某防空雷达发现一架飞机正在以水平速度朝雷达正上方匀速飞来，已知该雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10-4s，某时刻在雷达监视屏上显示的波形如图甲所示，经过t＝173s后雷达向正上方发射和接收到的波形如图乙所示，已知雷达屏上相邻刻度线间表示的时间间隔为1×10-4s，则该飞机的飞行速度大小约为(电磁波的波速为c＝3×108m/s)( )
甲 乙
A．12000m/sB．900m/s
C．500m/sD．300m/s
D [已知雷达监视屏上相邻刻度线间表示的时间间隔为10-4s，由题图甲可知，雷达第一次发现飞机时，飞机与雷达的距离s1＝12ct1＝12×3×108×4×10-4m＝6×104m。由题图乙可知，雷达第二次发现飞机时，飞机和雷达的竖直距离h＝12ct2＝12×3×108×2×10-4m＝3×104m。设该段时间内飞机水平飞行的距离为s2，则s1、s2、h在空间构成一个直角三角形，由几何关系得s2＝s12-h2，则飞机的飞行速度大小v＝s2t≈300m/s，选项D正确。]
6．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来监控地面物体的状况。地球大气中的水蒸气(H2O)，二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。如图甲、乙所示分别为水蒸气和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感卫星大致能够接收到的波长范围为( )
甲
乙
A．2.5～3.5μm
B．4～4.5μm
C．5～7μm
D．8～13μm
D [由题图可知，8μm～13μm波段的红外线，水蒸气和二氧化碳几乎都不吸收。故选D。]
7．“神光Ⅱ”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10-34J·s，(c为真空中的光速)，则该紫外激光所含光子数为多少个？(结果保留两位有效数字)
[解析] 每个激光光子的能量为ε＝hcλ，该紫外激光中所含光子数为n＝Eε
＝24006.63×10-34×3.0×1080.35×10-6个≈4.2×1021个。
[答案] 4.2×1021个
学习任务
1．知道电磁场、电磁波的概念及电磁波的产生原理，知道光是一种电磁波，光的能量是不连续的，能解释相关的自然现象。
2．理解电磁波的产生原理，了解电磁波的应用和电磁污染及防护，具有与光的量子化有关的能量观念。
3．体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，能理性讨论电磁污染及其防护问题。通过对场的认识，体验人类对自然界的认识是不断发展的。