【講與練】高中物理人教版(2019)選擇性必修2：4.2 電磁場(chǎng)與電磁波學(xué)案

2．電磁場(chǎng)與電磁波課程標(biāo)準(zhǔn)1．初步了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想，知道電磁場(chǎng)的概念。2．知道電磁波的概念，初步了解場(chǎng)的統(tǒng)一性和多樣性。3．體驗(yàn)赫茲證明電磁波存在的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方法，領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重要作用。核心素養(yǎng)1．物理觀念：理解電磁場(chǎng)、電磁波及麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，了解變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播的“能量觀”及電磁場(chǎng)客觀存在的“物質(zhì)觀”。2．科學(xué)探究：探究電磁場(chǎng)與電磁波的存在。3．科學(xué)思維：通過(guò)了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論以及赫茲實(shí)驗(yàn)，體會(huì)兩位科學(xué)家研究物理問(wèn)題的思想方法。4．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過(guò)電磁波發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，領(lǐng)會(huì)人類認(rèn)識(shí)世界的認(rèn)知規(guī)律，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。知識(shí)點(diǎn)1電磁場(chǎng)1．變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)(1)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：如圖所示，在變化的磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合電路，電路里就會(huì)產(chǎn)生_感應(yīng)電流__。(2)麥克斯韋對(duì)該問(wèn)題的見解：回路里有_感應(yīng)電流__產(chǎn)生，一定是變化的_磁場(chǎng)__產(chǎn)生了電場(chǎng)，自由電荷在電場(chǎng)的作用下發(fā)生了_定向__移動(dòng)。(3)該現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：變化的_磁場(chǎng)__產(chǎn)生了電場(chǎng)。2．變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)從場(chǎng)的觀點(diǎn)出發(fā)，麥克斯韋假設(shè)：變化的電場(chǎng)就像運(yùn)動(dòng)的電荷，也會(huì)在空間產(chǎn)生_磁場(chǎng)__。即_變化__的電場(chǎng)產(chǎn)生_磁場(chǎng)__。3．電磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)_不可分割__的統(tǒng)一的電磁場(chǎng)?！号幸慌小?1)電場(chǎng)一定能產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)一定能產(chǎn)生電場(chǎng)。(×)(2)穩(wěn)定的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，穩(wěn)定的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)。(×)(3)周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)。(√)(4)均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng)。(×)知識(shí)點(diǎn)2電磁波1．電磁波的形成如果在空間某區(qū)域有_周期性__變化的電場(chǎng)，就會(huì)在周圍引起變化的磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)又會(huì)在_較遠(yuǎn)__的空間引起新的變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這樣，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，形成了_電磁波__。2．電磁波的特點(diǎn)(1)電磁波中的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度互相_垂直__，而且二者均與波的傳播方向_垂直__，因此電磁波是_橫波__。(2)電磁波的速度等于_光速__，光的本質(zhì)是_電磁波__?！号幸慌小?5)電磁波也能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象。(√)(6)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。(√)『選一選』(2023·北京通州高二期中)某閉合電路的電流或電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖所示，能發(fā)射電磁波的是(C)ABCD解析：非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，非均勻變化的磁場(chǎng)再產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，從而形成電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)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正確?！合胍幌搿淮蜷_收音機(jī)的開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)選臺(tái)旋鈕，使收音機(jī)收不到電臺(tái)的廣播，然后開大音量。在收音機(jī)附近，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰觸，你會(huì)聽到收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”的響聲。為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機(jī)，看看又會(huì)怎樣。解析：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機(jī)附近，將電池盒兩引線反復(fù)碰觸，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣會(huì)發(fā)出電磁波，從而導(dǎo)致收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”聲。若將轉(zhuǎn)動(dòng)的電扇靠近收音機(jī)，因?yàn)殡娚戎须妱?dòng)機(jī)內(nèi)通有交變電流，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行同樣會(huì)引起收音機(jī)發(fā)出“喀喀”聲。知識(shí)點(diǎn)3赫茲的實(shí)驗(yàn)1．赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示2．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)感應(yīng)圈兩個(gè)金屬球間有_火花__跳過(guò)時(shí)，導(dǎo)線環(huán)兩個(gè)小球間也跳過(guò)_火花__。3．現(xiàn)象分析當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，空間出現(xiàn)了迅速變化的_電磁場(chǎng)__。這種電磁場(chǎng)以_電磁波__的形式在空間傳播。當(dāng)_電磁波__到達(dá)導(dǎo)線環(huán)時(shí)，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出_感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)__，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花。探究對(duì)電磁場(chǎng)理論的理解情境導(dǎo)入(1)電子感應(yīng)加速器就是用來(lái)獲得高速電子的裝置，其基本原理如圖所示，上、下為電磁鐵的兩個(gè)磁極，磁極之間有一個(gè)環(huán)形真空室，電磁鐵線圈中通入變化的電流，真空室中的帶電粒子就會(huì)被加速，其速率會(huì)越來(lái)越大。請(qǐng)思考：帶電粒子受到什么力的作用而被加速？如果線圈中通以恒定電流會(huì)使粒子加速嗎？這個(gè)現(xiàn)象告訴我們什么道理？(2)用導(dǎo)線將手搖發(fā)電機(jī)與水平放置的平行板電容器兩極相連，平行板電容器兩極板間的距離為4cm左右，在下極板邊緣放上幾個(gè)帶絕緣底座的可轉(zhuǎn)動(dòng)小磁針，當(dāng)搖動(dòng)發(fā)電機(jī)給電容器充電或電容器放電時(shí)，小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，充電結(jié)束或放電結(jié)束后，小磁針靜止不動(dòng)。請(qǐng)思考：小磁針受到什么力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)？這個(gè)現(xiàn)象告訴我們什么道理？提示：(1)帶電粒子受到電場(chǎng)力作用做加速運(yùn)動(dòng)。線圈中通入恒定電流時(shí)，帶電粒子不會(huì)被加速。因?yàn)樽兓拇艌?chǎng)才能產(chǎn)生電場(chǎng)。(2)小磁針受到磁場(chǎng)力的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。要點(diǎn)提煉1．電磁場(chǎng)的產(chǎn)生如果在空間某處有周期性變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng)——變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)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(chǎng)。2．對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解典例剖析典例1(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線如圖所示時(shí)，可能是(AC)A．向上方向的磁場(chǎng)在增強(qiáng)B．向上方向的磁場(chǎng)在減弱C．向上方向的磁場(chǎng)先增強(qiáng)，然后反向減弱D．向上方的磁場(chǎng)先減弱，然后反向增強(qiáng)思路引導(dǎo)：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，產(chǎn)生的電場(chǎng)為渦旋狀電場(chǎng)，與磁場(chǎng)周圍是否有閉合電路無(wú)關(guān)，由楞次定律判斷其方向。解析：向上方向的磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙原磁場(chǎng)的增強(qiáng)而方向向下，根據(jù)安培定則感應(yīng)電流方向如圖中E的方向所示，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；同理，當(dāng)磁場(chǎng)反向即向下的磁場(chǎng)減少時(shí)，也會(huì)得到如圖中E的方向，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。(1)變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無(wú)關(guān)。(2)在變化的磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的，而靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線是不閉合的。(3)有單獨(dú)存在的靜電場(chǎng)，也有單獨(dú)存在的靜磁場(chǎng)，但沒有靜止的電磁場(chǎng)。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2023·北京豐臺(tái)高二期中)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是(D)A．在電場(chǎng)周圍空間一定能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)B．在變化的磁場(chǎng)周圍空間一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)C．均勻變化的電場(chǎng)周圍空間一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)D．周期性變化的磁場(chǎng)周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)解析：均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，而非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生非均勻變化的磁場(chǎng)，恒定的電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，故A、C錯(cuò)誤；均勻變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，而周期性變化的磁場(chǎng)將產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)，恒定的磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，故B錯(cuò)誤，D正確。探究電磁波情境導(dǎo)入如圖所示是赫茲實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖，請(qǐng)問(wèn)赫茲通過(guò)此實(shí)驗(yàn)裝置證實(shí)了什么問(wèn)題？提示：實(shí)驗(yàn)演示了電磁波的發(fā)射和接收，驗(yàn)證了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論。要點(diǎn)提煉1．電磁波的特點(diǎn)(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點(diǎn)E和B隨時(shí)間做正弦規(guī)律變化，E與B彼此垂直且與傳播方向垂直。(2)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中的電磁波的傳播速度跟光速相同，即c＝3.0×108m/s。(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能發(fā)生反射、吸收、折射等現(xiàn)象。2．電磁波的波速、波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系c＝λfλ＝eq\f(c,f)說(shuō)明：①同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率不變(頻率由波源決定)，波速、波長(zhǎng)發(fā)生改變。在介質(zhì)中的速度都比真空中速度小。②不同電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大。典例剖析典例2(2023·山東菏澤高二期末)有“中國(guó)天眼”美譽(yù)的FAST是目前世界最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，它是一種用于接收和研究天體發(fā)射的電磁波的特殊裝置。下列有關(guān)電磁波的說(shuō)法，正確的是(C)A．恒定電場(chǎng)可以在其周圍產(chǎn)生電磁波B．麥克斯韋用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在C．電磁波的傳播不需要介質(zhì)D．電磁波具有能量，但沒有質(zhì)量解析：由電磁場(chǎng)理論可知，周期性變化的電場(chǎng)在空間引起周期性變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又引起變化的電場(chǎng)，于是變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，產(chǎn)生電磁波，因此恒定電場(chǎng)不可以在其周圍產(chǎn)生電磁波，A錯(cuò)誤；麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論，赫茲用電火花實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，B錯(cuò)誤；電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，C正確；電場(chǎng)和磁場(chǎng)本身就是一種物質(zhì)，因此電磁波是一種物質(zhì)，具有能量，由質(zhì)能方程可知，電磁波也有質(zhì)量，D錯(cuò)誤。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2022·湖北荊州高二期中)關(guān)于電磁波，下列說(shuō)法不正確的是(D)A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無(wú)關(guān)B．周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁波C．電磁波在真空中自由傳播時(shí)，其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直D．電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，若波源的電磁振蕩停止，空間的電磁波隨即消失解析：電磁波在真空中的傳播速度都相等，等于光速c，與電磁波的頻率無(wú)關(guān)，故A正確；周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，形成電磁波，故B正確；電磁場(chǎng)本身就是一種物質(zhì)，電磁波可以在真空中自由傳播。電磁波是橫波，其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直，故C正確；電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，當(dāng)電磁振蕩停止時(shí)，不能產(chǎn)生新的電磁波，但已發(fā)出的電磁波不會(huì)消失，還要繼續(xù)傳播，故D錯(cuò)誤。本題選擇不正確的，故選D。電磁波與機(jī)械波的比較機(jī)械波電磁波研究對(duì)象力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性位移隨時(shí)間和空間做周期性變化電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間和空間做周期性變化傳播情況傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)傳播無(wú)需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時(shí)，波速與介質(zhì)和頻率都有關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā)是否橫波可以是是是否縱波可以是否干涉現(xiàn)象滿足干涉條件時(shí)均能發(fā)生干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象滿足明顯衍射條件時(shí)均能發(fā)生明顯衍射案例(多選)電磁波與聲波比較，下列說(shuō)法正確的是(ABC)A．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)B．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波波長(zhǎng)變小，聲波波長(zhǎng)變大D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)決定，與頻率無(wú)關(guān)解析：A、B均與事實(shí)相符，所以A、B正確；由空氣進(jìn)入水中時(shí)，根據(jù)λ＝eq\f(v,f)，電磁波波速變小，頻率不變，波長(zhǎng)變??；聲波速度變大，頻率不變，波長(zhǎng)變大，所以C正確；電磁波在介質(zhì)中的速度與介質(zhì)有關(guān)，也與頻率有關(guān)，在同一介質(zhì)中，頻率越大，波速越小，所以D錯(cuò)誤。一、電磁場(chǎng)1．關(guān)于電磁場(chǎng)理論，以下說(shuō)法正確的是(D)A．在電場(chǎng)周圍一定會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)B．任何變化的電場(chǎng)周圍空間一定會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)C．均勻變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)D．周期性變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)解析：變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，但若電場(chǎng)不發(fā)生變化，則不能在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，A錯(cuò)誤。均勻變化的電場(chǎng)只能在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，只有不均勻變化的電場(chǎng)才能在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，B、C錯(cuò)誤。周期性變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，D正確。2．(多選)如圖所示，有一水平放置、內(nèi)壁光滑、絕緣的真空?qǐng)A形管，半徑為R，有一帶正電的粒子靜止在管內(nèi)，整個(gè)裝置處于豎直向上的磁場(chǎng)中，要使帶電粒子由靜止開始沿管做圓周運(yùn)動(dòng)，所加磁場(chǎng)可能是(BC)A．勻強(qiáng)磁場(chǎng)B．均勻增加的磁場(chǎng)C．均勻減少的磁場(chǎng)D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場(chǎng)都不能使帶電粒子沿管運(yùn)動(dòng)解析：磁場(chǎng)對(duì)靜止的電荷不產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)可產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)帶電粒子產(chǎn)生電場(chǎng)力的作用，帶電粒子在電場(chǎng)力作用下可以產(chǎn)生加速度，選項(xiàng)B、C正確。二、電磁波3．下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法，正確的是(C)A．只要有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，就能產(chǎn)生電磁波B．電場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，一定產(chǎn)生電磁波C．振蕩電流會(huì)產(chǎn)生電磁波D．麥克斯韋第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在解析：只有變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)才能激發(fā)電磁波，而穩(wěn)定的電磁場(chǎng)不能產(chǎn)生電磁波，A錯(cuò)誤。均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，但是穩(wěn)定的磁場(chǎng)不能產(chǎn)生電場(chǎng)，故不能產(chǎn)生電磁波，B錯(cuò)誤。振蕩電流會(huì)在空間產(chǎn)生周期性變化的電磁場(chǎng)，形成電磁波，C正確。赫茲第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，D錯(cuò)誤。4．(2023·山東省淄博市高二期中)關(guān)于電磁場(chǎng)和電磁波，下列說(shuō)法中不正確的是(A)A．變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者相互聯(lián)系，統(tǒng)稱為電磁場(chǎng)B．電磁場(chǎng)從發(fā)生區(qū)域由近及遠(yuǎn)的傳播稱為電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，可在真空中傳播。所以平日說(shuō)真空是沒有實(shí)物粒子，但不等于什么都沒有，有“場(chǎng)”這種特殊物質(zhì)D．電磁波在真空中的傳播速度總是3×108m/s解析：只有非均勻變化的電場(chǎng)才能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，非均勻變化的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，故A錯(cuò)誤；非均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，非均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的電場(chǎng)且由近及遠(yuǎn)的傳播出去就形成了電磁波，故B正確；電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替激發(fā)在真空中傳播，所以電磁波是一種物質(zhì)，即真空不空，有“場(chǎng)”這種物質(zhì)，故C正確；電磁波在真空中的傳播速度等于光速，即v＝3.0×108m/s，故D正確。三、赫茲的實(shí)驗(yàn)5.(2023·信陽(yáng)高中高二期末)下列選項(xiàng)關(guān)于甲、乙、丙、丁四幅圖的