2024-2025學年新教材高中物理第十三章電磁感應與電磁波初步4電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用學案新人教版必修3

PAGE13-4電磁波的發(fā)覺及應用課前自主預習一、麥克斯韋的電磁場理論及對電磁波的預言1．麥克斯韋電磁場理論英國物理學家麥克斯韋在總結前人探討電磁現(xiàn)象成果的基礎上，建立了完整的電磁場理論．可定性表述為：變更的磁場產生電場，變更的電場產生磁場．2．麥克斯韋對電磁波的預言假如在空間某區(qū)域內有周期性變更的電場，那么這個變更的電場就在空間引起周期性變更的磁場；這個變更的磁場又引起新的變更的電場……于是，變更的電場和變更的磁場交替產生，由近及遠向四周傳播，形成了電磁波．3．電磁波的特點電磁波在真空中傳播的速度等于光速c，光的本質是電磁波．4．赫茲的試驗(1)赫茲利用如圖的試驗裝置，證明白電磁波的存在．(2)赫茲的其他試驗成果：赫茲通過一系列的試驗，視察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證明白麥克斯韋關于光的電磁理論．北京時間2011年11月3日凌晨，“神舟”八號飛船與“天宮”一號目標飛行器實現(xiàn)剛性連接，形成組成體，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得勝利．“神舟”八號與“天宮”一號交會對接的勝利意味著我國成為繼美國、俄羅斯后，第三個獨立駕馭航天交會對接技術的國家．因此，“天宮”一號與“神八”這次太空中的密切接觸，不僅奠定了中國載人航天技術在世界上的一席之地，也使中國將來空間站的組裝和建立成為可能．“神八”與“天宮”一號的對接過程是在地面限制中心的科學家們的指揮下完成的，地面限制中心與“神舟”八號和“天宮”一號相距如此之遠，他們是如何完成限制指令的傳輸?shù)?？提示：借助于電磁波．二、電磁波譜1．概念：按電磁波的波長或頻率大小的依次把它們排列成譜．2．電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關系是c＝λf.3．電磁波譜的排列：按波長由長到短依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．4．不同電磁波的特點及應用特性用途無線電波波動性強通信、廣播、導航紅外線熱作用強加熱、遙測、遙感、紅外線制導可見光感光性強照明、照相等紫外線化學作用、熒光效應日光燈、殺菌消毒、治療皮膚病等X射線穿透力強檢查、探測、透視、治療γ射線穿透力最強探測、治療三、電磁波的能量各種各樣的儀器能夠探測到許很多多電磁波，說明電磁波具有能量，電磁波是一種物質．四、電磁波通信1．電磁波的傳輸：可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可實現(xiàn)無線傳輸．電磁波的頻率越高，相同時間內傳遞的信息量越大．2．電磁波的應用實例(1)電視廣播(2)移動電話、互聯(lián)網也是利用電磁波來傳輸信息的．(3)衛(wèi)星寬帶通信網絡．課堂講練互動考點一麥克斯韋電磁場理論1．麥克斯韋電磁場理論(1)變更的磁場產生電場如下圖所示，麥克斯韋認為在變更的磁場四周產生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導體環(huán))是否存在無關．導體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在．eq\a\vs4\al(【方法指導】)變更的磁場產生的電場，稱為感應電場，也叫渦旋場，跟前面學過的靜電場一樣，處于電場中的電荷受力的作用，且F＝qE.但它們也有顯著的區(qū)分，表現(xiàn)為：(1)靜電場的電場線是非閉合曲線，而感應電場的電場線是閉合曲線；(2)靜電場中有電勢的概念，而感應電場中無電勢的概念；(3)在同一靜電場中，電荷運動一周(曲線閉合)，電場力做功肯定為零，而在感應電場中，電荷沿閉合曲線運動一周，電場力做功不肯定為零；(4)靜電場的“源”起于電荷，而感應電場的“源”起于變更的磁場．(2)變更的電場產生磁場依據麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不但導體中的電流要產生磁場，而且在電容器兩極板間變更的電場四周也要產生磁場，如圖所示．2．對電磁場理論的理解變更的電場產生磁場變更的磁場產生電場恒定的電場不產生磁場恒定的磁場不產生電場勻稱變更的電場在四周空間產生恒定的磁場勻稱變更的磁場在四周空間產生恒定的電場不勻稱變更的電場在四周空間產生變更的磁場不勻稱變更的磁場在四周空間產生變更的電場振蕩電場產生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產生同頻率的振蕩電場eq\a\vs4\al(【拓展延長】)麥克斯韋的重大貢獻有哪些？麥克斯韋集電磁學探討成果之大成，不僅預言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質上的統(tǒng)一性，建立了完整的電磁場理論．麥克斯韋電磁場理論的意義足以與牛頓力學體系相媲美，它是物理學發(fā)展中一個劃時代的里程碑．【例1】關于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．在電場四周肯定產生磁場，磁場四周肯定產生電場B．在變更的電場四周肯定產生變更的磁場，變更的磁場四周肯定產生變更的電場C．勻稱變更的電場四周肯定產生勻稱變更的磁場D．周期性變更的電場四周肯定產生周期性變更的磁場【審題指導】1.穩(wěn)定的磁場能產生電場嗎？2．穩(wěn)定的電場能產生磁場嗎？3．勻稱變更的磁場產生什么樣的電場？4．勻稱變更的電場產生什么樣的磁場？5．周期性變更的磁場產生什么樣的電場？6．周期性變更的電場產生什么樣的磁場？【解析】依據麥克斯韋電磁場理論，只有變更的電場才產生磁場，勻稱變更的電場產生恒定的磁場，非勻稱變更的電場產生變更的磁場．【答案】D總結提能在理解麥克斯韋電磁場理論時，要留意靜電場不產生磁場，穩(wěn)定磁場也不產生電場．下列說法正確的是(D)A．穩(wěn)定的電場產生穩(wěn)定的磁場B．勻稱變更的電場產生勻稱變更的磁場，勻稱變更的磁場產生勻稱變更的電場C．變更的電場產生的磁場肯定是變更的D．振蕩的電場四周空間產生的磁場也是振蕩的解析：麥克斯韋電磁場理論的要點是：變更的磁場(電場)要在四周空間產生電場(磁場)，若磁場(電場)的變更是振蕩的，產生的電場(磁場)也是振蕩的，由此可推斷出正確的為D項．考點二電磁場和電磁波1．電磁場：假如在空間某區(qū)域中有周期性變更的電場，那么這個電場就會在它四周空間引起周期性變更的磁場；這個周期性變更的磁場又會在它四周空間引起新的變更的電場……變更的電場和變更的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不行分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場．2．電磁波變更的電場和變更的磁場總是交替產生的，并且由發(fā)生的區(qū)域向四周空間傳播．電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波．3．電磁波的特點(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點，E和B都隨時間做正弦變更，E與B相互垂直且均與傳播方向垂直，如圖所示．(2)電磁波的傳播不須要介質，在真空中，電磁波的傳播速度與光速相同，為3.0×108(3)電磁波具有波的共性，能產生干涉、衍射等現(xiàn)象，與物質相互作用時，能發(fā)生反射、汲取、折射．(4)電磁波的波速、波長與頻率的關系：c＝fλ或λ＝eq\f(c,f).4．赫茲發(fā)覺了電磁波：1886年，赫茲用如圖所示的試驗證明白麥克斯韋預言的正確性，第一次發(fā)覺了電磁波．他還通過試驗視察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象．通過試驗證明白電磁波在真空中具有與光相同的速度c.后人為紀念赫茲的試驗為無線電技術的發(fā)展作出的突出貢獻，把頻率的單位定為赫茲.【例2】(多選)電磁波與聲波比較，下列說法正確的是()A．電磁波的傳播不須要介質，聲波的傳播須要介質B．由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進入水中時，電磁波波長變短，聲波波長變長D．電磁波和聲波在介質中的傳播速度，都是由介質確定的，與頻率無關【審題指導】要知道電磁波與機械波有哪些相同，哪些不同．【解析】電磁波傳播不須要介質，聲波傳播離不開介質，A正確；電磁波在空氣中的速度接近光在真空中的速度，進入水中速度變小，而聲波進入水中速度反而比空氣中大，B正確；由v＝λf，電磁波或聲波由一種介質進入另一種介質時，頻率不變，可見波速v與波長λ成正比，C正確；電磁波的速度不僅與介質有關，還與頻率有關，這點與聲波不相同，D錯誤．【答案】ABC總結提能清晰電磁波與聲波(機械波)的相同點及不同點，就能解答此類問題．(多選)下列關于電磁波的敘述中，正確的是(ACD)A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播B．電磁波在任何介質中的傳播速度均為3.0×108C．電磁波由真空進入介質傳播時，波長將變短D．電磁波也能產生干涉，衍射現(xiàn)象解析：電場、磁場相互激發(fā)并向外傳播，形成電磁波，選項A正確．電磁波只有在真空中波速為3.0×108m/s，在其他介質中均小于3.0×108m/s，選項B錯誤．依據λ＝eq\f(c,f)知，光從真空進入介質，頻率不變，波速減小，所以波長λ考點三電磁波通信1．電磁波的傳輸電磁波可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可實現(xiàn)無線傳輸．電磁波的頻率越高，相同時間內傳遞的信息量越大．2．電磁波的應用實例(1)電視①電視放射系統(tǒng)：攝像管的作用是攝取景物的圖像并將其轉換為電信號．鏡頭把景物的像成在攝像管的屏上，通過電子束的掃描，把圖像各個部位分成一系列小點，稱為像素，每幅圖像至少要有幾十萬個像素，攝像機將畫面上各個部分的光點，依據明暗狀況逐點逐行逐幀地變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏?，隨電磁波放射出去．②接收系統(tǒng)：天線接收到高頻信號后，經調諧、解調，將得到的圖像信號送到顯像管，限制顯像管里電子槍放射電子束的強弱，在熒光屏上掃描，在屏上便出現(xiàn)了與攝像管屏上相同的圖像．③中國電視廣播標準采納每秒傳送25幀畫面，每幀由625條線組成．(2)雷達雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設備．①雷達的工作原理：雷達通過轉動的天線放射微波信號，這種信號傳播的直線性好，遇到障礙物要發(fā)生反射，反射信號又被雷達天線接收，測出從放射信號到接收到目標反射信號的時間t，就可以知道目標到雷達的距離s＝eq\f(ct,2)；再依據放射無線電波的方向和仰角，可精確確定物體的位置．②雷達的用途：可以探測飛機、艦艇、導彈以及其他軍事目標；可以為飛機、船只導航，可以探討行星、衛(wèi)星，還可以用來探測暴風、雷雨、云層等．(3)移動電話①功能：每一部移動電話就是一個無線電臺，它將用戶的聲音轉變?yōu)楦哳l電信號放射到空中；同時它又相當于一臺收音機，捕獲空中的電磁波，運用戶接收到對方送來的信息．②特點：a.體積很小，放射功率不大；b.它的天線也很簡潔，靈敏度不高．因此，它與其他用戶的通話要靠基地臺轉接．(4)互聯(lián)網：人們可以通過互聯(lián)網聽音樂、看電影、閑聊、購物，可以通過互聯(lián)網查閱各種資料，進行遠程教學、遠程醫(yī)療，甚至可以與身處世界各地的人召開電視會議．數(shù)以億計的人們通過信息聯(lián)系起來，通過資源共享和更有效的全球合作，推動人類社會更快向前發(fā)展．(5)衛(wèi)星寬帶通信網絡【例3】在電視放射端，由攝像管攝取景物并將景物反射的光轉換為電信號，這一過程完成了()A．電、光轉化 B．光、電轉化C．光、電、光轉化 D．電、光、電轉化【審題指導】依據攝像原理分析．【解析】1.攝像管的攝像過程把光信號轉化成了電信號，即把一幅圖像依據各個部分的明暗狀況，逐點地變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏?，然后通過天線把帶有信號的電磁波放射出去，B正確，A、C、D錯誤．2．攝像管是把光信號變成電信號，而顯像管是由電信號轉化為光信號．【答案】B總結提能明確攝像的原理就能正確解答此類問題．傳真機原理分析：報紙上印的很多照片都是傳真照片，傳真是利用無線電波傳送圖表、書信、照片的一種方法．無線電傳真的示意圖如下圖所示．簡要說明無線電傳真的過程、器件及其作用．答案：見解析解析：放射機上裝有的光電管，將文字、圖表轉化為電信號，將其附加在高頻無線電波上放射出去，接收機利用電諧振原理將其接收，通過輝光管轉化為原來的文字、圖表在復印紙上復印出來．考點四電磁波譜無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線(X射線)、γ射線都是電磁波，將它們按波長或頻率排列起來，便構成了范圍特別廣袤的電磁波譜．(1)無線電波：波長大于1mm(頻率小于300GHz)的電磁波是無線電波．無線電波主要用于通信和廣播．(2)紅外線：紅外線的波長比紅光的波長還長，它不是可見光，不能引起人的視覺．一切物體(不管大小、也無論是否有生命)，凡是由分子、原子等構成的物體都在不停地輻射紅外線．物體溫度越高，輻射紅外線的本事越強．紅外線有以下作用：①紅外線遙感：勘測地熱、找尋水源、人體檢查等．②紅外線遙控：家用電器配套的遙控器發(fā)出紅外線脈沖信號，受控機器就會按指令變更工作狀態(tài)．③加熱物體：紅外線很簡潔使物體的溫度上升，如市場上的“遠紅外烤箱”．(3)可見光：可見光的波長約在760nm到400nm之間，不同顏色的光是波長(或頻率)范圍不同的電磁波.序號紅橙黃綠青藍紫真空中的波長λ/nm760～630630～600600～570570～500500～450450～430430～400晴朗的天空看起來是藍色的，是由于波長較短的光比波長較長的光更簡潔被散射．傍晚的陽光比較紅，是由于大氣對波長較短的藍光、紫光比對波長較長的紅光、橙光汲取較強的原因．(4)紫外線：紫外線也不是可見光，其波長比紫光還短，波長范圍約為5～370nm.一切高溫物體發(fā)出的光中都含有紫外線．紫外線的顯著特征是化學作用，能殺死多種細菌，具有消毒功能．而且促使人體合成維生素D，但不能過多照耀．(5)X射線和γ射線：X射線和γ射線的波長都比紫外線短．X射線對生命物質有較強的作用，過量的輻射會引起生物體的病變．X射線能夠穿透物質，可以用于人體透視，檢查金屬零件內部的缺陷．γ射線具有很高的能量，在醫(yī)學上可以用來治療某些癌癥，也可用于探測金屬部件內部的缺陷．從無線電波到γ射線都是本質相同的電磁波，其行為聽從共同的規(guī)律，但因波長(或頻率)不同又表現(xiàn)出不同的特點．【例4－1】(多選)關于無線電波和可見光，下列說法中正確的是()A．無線電波的頻率比可見光的頻率高B．無線電波的波長比可見光的波長長C．無線電波的傳播速度比可見光的傳播速度小D．無線電波和可見光都可以傳播信息【審題指導】依據電磁波依據波長大小的排列依次可得出無線電波的波長大于可見光的波長．【解析】1.嫻熟駕馭電磁波譜的排列依次．2．結合波的學問駕馭各種電磁波的特性及主要作用．3．各種不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度都相同，頻率不同的電磁波在同一介質中的傳播速度不相同．【答案】BD總結提能熟記電磁波依據波長大小的排列依次，及波長的大小對電磁波特性的影響就能正確解答此類問題．下列說法正確的是(B)A．只有物體溫度較高時，才能向外輻射紅外線B．紫外線的主要作用是化學作用和熒光作用C．可見光比紅外線簡潔發(fā)生衍射現(xiàn)象D．X射線能在磁場中偏轉，穿透力較強，可用來進行人體透視解析：本題易錯選D，緣由是都知道X射線可以進行人體透視，但是X射線不帶電，在磁場中不偏轉．【例4－2】下面列出了一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械運用的物理規(guī)律和現(xiàn)象，請將相應的字母填寫在運用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的橫線上．(1)X光機，；(2)紫外線燈，；(3)理療醫(yī)用“神燈”照耀傷口，可使傷口愈合得較好．這是利用了．A．光的全反射B．紫外線具有很強的熒光作用C．紫外線具有殺菌消毒作用D．X射線具有很強的貫穿實力E．紅外線具有顯著的熱作用F．紅外線波長較長，易發(fā)生衍射【審題指導】依據各種射線的特點及作用分析．【解析】(1)X光機是用來透視人的體內器官的，因此須要具有強穿透力的電磁波，但又不能對人體造成太大的損害，因此采納穿透實力比較強又不會對人體造成太大損害的X射線，選擇D.(2)紫外線燈主要是用來殺菌的，因此它應用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用，因此選擇C.(3)“神燈”又稱紅外線燈，主要是用于促進局部血液循環(huán)，它利用的是紅外線的熱效應，使人體局部受熱，血液循環(huán)加快，因此選擇E.電磁波在生產、生活和國防中應用廣泛，聯(lián)系實際的試題較多，要提高自己應用學問的實力，在學習過程中要多積累相關素材，并加以分析利用．【答案】(1)D(2)C(3)E總結提能熟記不同波長的電磁波的特點及應用是解答此類問題的關鍵．下列有關電磁波的特性和應用，說法正確的是(D)A．紅外線和X射線都有很強的穿透本事，常用于醫(yī)學上透視人體B．過強的紫外線照耀有利于人的皮膚健康C．電磁波中頻率最大的為γ射線，用它來做衍射試驗現(xiàn)象最明顯D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光解析：紅外線的主要作用是熱作用，也可用于遙測遙感等，緣由是其波長相對較長，簡潔發(fā)生衍射，且一切物體均可自發(fā)輻射紅外線，A錯；紫外線的主要作用是化學作用和熒光作用，常用于殺毒、防偽、使底片感光等，但過量照耀對人體有害，B錯；γ射線波長最短，衍射本事最弱，貫穿本事最強，常用于金屬探傷，C錯；電磁波是一種能量，均可使底片感光．課堂達標演練1．下列關于電磁波的說法正確的是(B)A．電磁波必需依靠介質傳播B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象D．電磁波無法攜帶信息傳播解析：電磁波具有波的共性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)