2020版高中物理（新教材）人教必修第3冊：第13章 4 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用

4．電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.理解麥克斯韋的電磁場理論。(重點)2.知道電磁波是如何形成的。(難點)3.知道赫茲在物理學(xué)發(fā)展史中的貢獻(xiàn)。4.知道電磁波在真空中的傳播速度及波長、頻率和波速的關(guān)系。(重點)5.知道電磁波譜的組成及各波段的特點、應(yīng)用(重點)一、電磁場1．變化的磁場產(chǎn)生電場。2．變化的電場產(chǎn)生磁場。3．變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場。二、電磁波1．麥克斯韋的預(yù)言(1)電磁波的預(yù)言：變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播形成電磁波。(2)電磁波可以在真空中傳播。(3)光的電磁理論：光是以波動形式傳播的一種電磁振動，電磁波的速度等于光速。2．赫茲的貢獻(xiàn)：赫茲證實了電磁波的存在，證實了麥克斯韋的電磁場理論。三、電磁波譜1．電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系：c＝λf。2．電磁波在真空中的速度：c＝3×108m/s。3．電磁波譜的概念：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，形成電磁波譜。4．電磁波譜組成5．各種電磁波的應(yīng)用(1)無線電波中的長波、中波、短波用于廣播及其他信號的傳播。(2)微波用于衛(wèi)星通信、電視等信號傳輸。(3)紅外線用來加熱理療。(4)可見光讓我們看見這個世界，也可用于通信。(5)紫外線可以消毒。(6)X射線用于診斷病情。(7)γ射線可以摧毀病變的細(xì)胞。四、電磁波的能量1．電磁波具有能量，電磁波是物質(zhì)存在的一種形式。2．微波爐加熱食物應(yīng)用了一種電磁波——微波，食物中的水分子在微波的作用下熱運(yùn)動加劇，內(nèi)能增加，溫度升高。3．光是一種電磁波——傳播著的電磁場，光具有能量。五、電磁波通信1．電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相互滲透、相互兼容，逐步整合成為統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。2．以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息服務(wù)都是通過電磁波來傳遞的。1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)變化的電場可以產(chǎn)生磁場。 (√)(2)穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場。 (×)(3)電磁波的傳播不需要介質(zhì)。 (√)(4)赫茲用實驗證實了電磁波的存在。 (√)(5)紫外線可以用來滅菌消毒。 (√)2．(多選)關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是()A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān)B．周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場C．變化的電場和變化的磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場D．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場AB[變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時，回路中有電流．若無閉合回路，電場仍然存在，A對；若形成電磁場必須有周期性變化的電場和磁場，B對，C、D錯。]3．電磁波在真空中傳播的速度v是3.00×108m/s，有一個廣播電臺的頻率f＝90.0MHz，這個臺發(fā)射的電磁波的波長λ為()A．2.70m B．270mC．333m D．3.33mD[根據(jù)λ＝eq\f(c,f)得，λ＝eq\f(3.00×108,90.0×106)m≈3.33m。]對麥克斯韋電磁場理論的理解1．對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場2．電磁場的產(chǎn)生：如果在空間某處有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。【例1】下列有關(guān)電磁場理論的說法正確的是()A．任何變化的磁場都要在空間產(chǎn)生變化的電場B．任何電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場C．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場D．電場和磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，即電磁場C[根據(jù)麥克斯韋理論，均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生的電場是穩(wěn)定的，故A錯。同理，并不是任何電場都會在周圍空間產(chǎn)生磁場，故B錯。電場和磁場并不總是相互聯(lián)系著的，例如，靜止電荷周圍只有靜電場，靜止磁體周圍只有穩(wěn)定的磁場。只有變化的電場和變化的磁場才能形成一個不可分離的統(tǒng)一體，即電磁場，故D錯。]1．某閉合電路的電流或電壓隨時間變化的規(guī)律如圖所示，能發(fā)射電磁波的是()ABCDC[非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，非均勻變化的磁場再產(chǎn)生變化的電場，從而形成電磁場，電磁場由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波，故要求電流或電壓是變化的，但不能是均勻變化的，C項正確。]電磁波的特點1．電磁場中儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程。2．只有周期性變化的電場和磁場相互激發(fā)才能形成電磁波。3．電磁波可以在真空中傳播，因為電磁波本身就是一種物質(zhì)——場物質(zhì)，所以傳播時不再需要其他介質(zhì)。任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小。4．電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。(1)麥克斯韋不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一。(2)赫茲用實驗證明了電磁波的存在，并研究了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，證明了電磁波與光具有相同的性質(zhì)，測出了電磁波在真空中的傳播速度與光速c相同?！纠?】關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法不正確的是()A．變化的電場周圍產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生變化的電場，兩者互相聯(lián)系，統(tǒng)稱為電磁場B．電磁場從發(fā)生區(qū)域由近及遠(yuǎn)地傳播形成電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，可在真空中傳播。所以，平時說真空沒有實物粒子，但不等于什么都沒有，還有“場”這種特殊物質(zhì)D．電磁波可在真空中傳播，也可在介質(zhì)中傳播A[根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，非均勻變化的電場周圍產(chǎn)生變化的磁場，均勻變化的電場周圍產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場，所以A項錯誤。]2．(多選)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．只要電場和磁場發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波B．電磁波的傳播需要介質(zhì)C．停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨立存在D．電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的CD[要想產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)必須是非均勻變化的，所以A選項錯誤；電磁波是物質(zhì)波，電磁波的傳播可以不需要介質(zhì)而在真空中傳播，B選項錯誤；電磁波可以脫離“波源”而獨立存在，C選項正確；電磁波可以使電荷移動，說明電磁波具有能量，電磁波傳播的過程，也就是能量傳播的過程，所以D選項正確。]對波長、波速、頻率的理解1．描述波的物理量波長(λ)、頻率(f)、波速(v)。2．波長、頻率與波速之間的關(guān)系波速＝波長×頻率，即v＝λf。(1)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，波長、波速的大小與介質(zhì)有關(guān)。所以同一電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，波速、波長發(fā)生改變，在介質(zhì)中的速度都比在真空中速度小。(2)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同。(3)在真空中傳播時，不同頻率的電磁波的速度都相同：v＝c?！纠?】波長為0.6μm的紅光，從10m外的交通信號燈傳到你的眼睛，大約需要多長時間？它的頻率是多少？思路點撥：波速公式c＝λf，c為光速，λ為光波的波長，f為光波的頻率。[解析]由速度公式v＝eq\f(x,t)可求得時間，可根據(jù)電磁波波長、頻率和波速關(guān)系式c＝λf可得頻率，其中t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.33×10－8s由c＝λf得f＝eq\f(c,λ)＝eq\f(3×108,6×10－7)Hz＝5×1014Hz。[答案]3.33×10－8s5×1014Hz3．英國物理學(xué)家麥克斯韋認(rèn)為：變化的磁場________(選填“能”或“不能”)產(chǎn)生電場；德國物理學(xué)家________用實驗成功證實了電磁波的存在；已知電磁波在真空中的傳播速度為3.0×108m/s，頻率為1.0×108Hz的電磁波，在真空中的波長為________m。[解析]根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的磁場能產(chǎn)生電場；赫茲用實驗證實了電磁波的存在；由公式v＝λf，可得波長λ＝eq\f(v,f)＝eq\f(3.0×108,1.0×108)m＝3.0m。[答案]能赫茲3.0電磁波譜的理解及應(yīng)用1．電磁波譜是把電磁波按波長或頻率大小由大到小的順序排列起來的圖表。順序為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。它們共同構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜。2．電磁波譜中各種波段的特征用途比較如下表電磁波譜無線電波紅外線可見光紫外線倫琴射線γ射線特性波動性強(qiáng)熱作用強(qiáng)感光性強(qiáng)化學(xué)作用熒光效應(yīng)穿透力大穿透力最強(qiáng)用途通信廣播、導(dǎo)航加熱、遙測遙感、紅外攝像、紅外制導(dǎo)照明、照相等殺菌消毒、治療皮膚病等檢查、探測、透視、治療探測、治療產(chǎn)生機(jī)理振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動原子外層電子受到激發(fā)原子內(nèi)層電子受到激發(fā)原子核受激發(fā)說明振蕩電路中產(chǎn)生一切物體都能輻射由七種色光組成一切高溫物體都能輻射倫琴射線管中高速電子流射至陽極產(chǎn)生放射性元素衰變時產(chǎn)生遞變規(guī)律→頻率變大，衍射能力減弱【例4】下面列出一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械運(yùn)用的物理現(xiàn)象。請將相應(yīng)的字母填寫在運(yùn)用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的空格上。(1)X光機(jī)，________。(2)紫外線燈，________。(3)理療醫(yī)用“神燈”照射傷口，可使傷口愈合得較好。這里的“神燈”是利用________。A．光的全反射B．紫外線具有很強(qiáng)的熒光作用C．紫外線具有殺菌消毒作用D．X射線的很強(qiáng)的穿透力E．紅外線具有顯著的熱作用[解析](1)X光機(jī)是用來透視人的體內(nèi)器官的，因此需要具有較強(qiáng)穿透力的電磁波，但又不能對人體造成太大的傷害，因此采用了穿透能力比較強(qiáng)又不會給人體造成太大的傷害的X射線，故選D。(2)紫外線燈主要是用來殺菌的，因此它應(yīng)用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用，故選C。(3)“神燈”又稱紅外線燈，主要是用于促進(jìn)局部血液循環(huán)，它利用的是紅外線的熱效應(yīng)，使人體局部受熱，血液循環(huán)加快，故選E。[答案](1)D(2)C(3)E4．紅外線、紫外線、無線電波、可見光、γ射線、倫琴射線按波長由大到小的排列順序是()A．無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、γ射線B．紅外線、可見光、紫外線、無線電波、γ射線、倫琴射線C．γ射線、倫琴射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波D．紫外線、紅外線、γ射線、倫琴射線、無線電波、可見光A[在電磁波譜中以無線電波波長最大，γ射線波長最小，所以正確的順序為A。]課堂小結(jié)知識脈絡(luò)1.麥克斯韋的電磁場理論的理解。2．電磁波的預(yù)言及實驗驗證。3．電磁波譜的組成及各類電磁波的應(yīng)用。4．波速、波長和頻率關(guān)系及應(yīng)用。1．第一個用實驗驗證電磁波客觀存在的科學(xué)家是()A．法拉第B．奧斯特C.赫茲D.麥克斯韋C[麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實驗驗證了電磁波的存在，故C正確。]2．關(guān)于電磁場，下列說法不正確的是()A．在一個磁鐵旁放一帶電體，則兩者周圍空間就形成了電磁場B．電磁場既不同于靜電場，也不同于靜磁場C．電磁場中的電場和磁場是不可分割的一個統(tǒng)一體D．電磁場中的電場的變化頻率和磁場的變化頻率是相同的A[電磁場是變化的電場和變化的磁場形成的不可分割的統(tǒng)一場，而不是靜電場和靜磁場簡單的復(fù)合。所以選項A錯。]3．在下圖所示的四種磁場情況中能產(chǎn)生恒定的感生電場的是()ABCDC[由電磁場理論，結(jié)合圖像，則有：A中磁場不變，則不會產(chǎn)生電場，故A錯誤；B中磁場方向變化，而大小不變，則不會產(chǎn)生恒定的電場，故B錯誤；C中磁場隨著時間均勻變化，則會產(chǎn)生恒定的電場，故C正確；D中磁場隨著時間非均勻