2025年高中物理新教材同步 必修第三冊 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.了解麥克斯韋電磁場理論，知道電磁場的概念。2.知道電磁波的特點(diǎn)，掌握電磁波波長、頻率、波速之間的關(guān)系(重點(diǎn))。3.知道電磁波譜中各種電磁波的排列順序，了解各種電磁波的應(yīng)用，了解電磁波的能量(重點(diǎn))。一、電磁場1．麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場①在變化的磁場中放入一個(gè)閉合電路，由于穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了電場。②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣會(huì)在空間產(chǎn)生電場。(2)變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會(huì)在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場產(chǎn)生磁場。2．電磁場：變化的電場和磁場互相聯(lián)系，所形成的不可分割的統(tǒng)一體。例1(多選)下列關(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．變化的電場和穩(wěn)定的磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)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答案AB解析變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時(shí)，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，A正確；周期性變化的磁場產(chǎn)生的電場一定也是周期性變化的，且頻率相同，B正確；周期性變化的電場和變化的磁場相互關(guān)聯(lián)，形成電磁場，C錯(cuò)誤；只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，只有變化的磁場才能產(chǎn)生電場，D錯(cuò)誤。對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的磁場不產(chǎn)生電場恒定的電場不產(chǎn)生磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場二、電磁波1．(1)麥克斯韋的偉大預(yù)言：周期性變化的電場引起周期性變化的磁場，這個(gè)變化的磁場又引起新的變化的電場，這樣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，因?yàn)殡姶挪ǖ膫鞑タ康氖请妶龊痛艌龅南嗷ァ凹ぐl(fā)”，不需要傳播介質(zhì)。說明：電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但它也可以在其他介質(zhì)如光纖中傳播，且速度都比在真空中的小。(3)光的電磁理論：光是以波動(dòng)形式傳播的一種電磁振動(dòng)，電磁波在真空中的傳播速度等于光速，即c＝3×108m/s。(4)赫茲的貢獻(xiàn)：1886年，德國科學(xué)家赫茲通過實(shí)驗(yàn)捕捉到了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋的電磁場理論。(5)電磁場中儲(chǔ)存著能量，電磁波的發(fā)射過程就是輻射電磁能的過程。2．波長、頻率與波速之間的關(guān)系(1)波速＝波長×頻率，即c＝λf。(2)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，而波長、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(shí)，頻率不變，波速、波長發(fā)生改變。(3)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度不同。(1)麥克斯韋首先預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。(√)(2)電磁波依賴于介質(zhì)才能傳播。(×)例2(2023·山東省鄄城一中高二期末)交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成，紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示，紅燈發(fā)出的紅光頻率為5×1014Hz，從12m外的交通信號燈傳到你的眼睛，需要時(shí)間為t，這個(gè)距離為波長的n倍，光速c＝3×108m/s，則()A．t＝4×10－8s，n＝4×107B．t＝4×10－8s，n＝2×107C．t＝8×10－8s，n＝4×107D．t＝8×10－8s，n＝2×107答案B解析該紅光的波長為λ＝eq\f(c,f)＝6.0×10－7m，傳到眼睛需要的時(shí)間為t＝eq\f(x,c)＝4×10－8s，在這個(gè)距離中的波長倍數(shù)為n＝eq\f(x,λ)＝2×107，故選B。三、電磁波譜1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜。(2)各種電磁波按波長由大到小排列順序?yàn)椋簾o線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。2．不同電磁波的特性和用途種類波長范圍特性應(yīng)用無線電波大于1mm波動(dòng)能力強(qiáng)通信、廣播、射電望遠(yuǎn)鏡紅外線760～106nm熱作用強(qiáng)烘干、紅外遙感、測溫、夜視儀可見光400～760nm感光性強(qiáng)照明、照相紫外線10～400nm化學(xué)作用、熒光作用消毒、熒光效應(yīng)、促使人體合成維生素DX射線0.001～10nm較強(qiáng)的穿透能力透視人體、檢查金屬零件的質(zhì)量γ射線小于10－3nm穿透能力最強(qiáng)醫(yī)學(xué)上的γ刀技術(shù)、探測金屬內(nèi)部的缺陷(1)過強(qiáng)的紫外線照射有利于人的皮膚健康。(×)(2)電磁波頻率最大的是γ射線，醫(yī)學(xué)上常用它進(jìn)行人體透視檢查。(×)(3)紫外線和X射線都可以使感光底片感光。(√)例3某廣播電臺(tái)發(fā)射“中波”段某套節(jié)目的訊號，家用微波爐中的微波，VCD機(jī)中的激光(可見光)，人體透視用的X光，都是電磁波，它們的頻率分別為f1、f2、f3、f4，則()A．f1＞f2＞f3＞f4 B．f1＜f2＜f3＜f4C．f1＜f3＜f2＜f4 D．f1＞f3＞f2＞f4答案B解析由電磁波譜排列知廣播電臺(tái)發(fā)射的“中波”段某套節(jié)目的訊號頻率最低，其次是家用微波爐中的微波，頻率較高的是VCD機(jī)中的激光(可見光)，頻率最高的是人體透視用的X光，即f1＜f2＜f3＜f4，B正確。例4關(guān)于電磁波譜及對一些應(yīng)用的解釋，下列說法中不正確的是()A．X射線對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變B．紫外驗(yàn)鈔機(jī)是利用紫外線的化學(xué)作用C．紅外遙感技術(shù)利用了一切物體都在不停地輻射紅外線的特點(diǎn)D．γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高答案B解析X射線具有較強(qiáng)的穿透能力，對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變，故A正確；紫外驗(yàn)鈔機(jī)是利用紫外線的熒光效應(yīng)，故B錯(cuò)誤；紅外遙感技術(shù)利用了一切物體都不停地輻射紅外線的現(xiàn)象，從而通過接收到的紅外線來感知物體，故C正確；γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高，故D正確。四、電磁波的能量電磁波通信1．電磁波的能量(1)電磁波是物質(zhì)存在的一種特殊形式電磁波和我們學(xué)過的電場、磁場一樣，是一種特殊的物質(zhì)，不是由分子、原子所組成的，與通常的實(shí)物不同，但它是客觀存在的。(2)電磁波具有能量從場的觀點(diǎn)來看，電場具有電場能，磁場具有磁場能，電磁場具有電磁能，電磁波發(fā)射的過程就是輻射能量的過程，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播。2．電磁波通信(1)傳播途徑電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以無線傳播。有線傳播利用金屬導(dǎo)線、光纖等有形媒介傳送信息，如臺(tái)式電腦、電話等。無線傳播僅利用電磁波而不通過線纜傳遞信息，如收音機(jī)、手機(jī)、GPS、無線鼠標(biāo)等。(2)傳輸特點(diǎn)電磁波的頻率越高，相同時(shí)間傳遞的信息量越大，由于光的頻率比無線電波的頻率高得多，因此光纜可以傳遞大量的信息。例5(2023·江西省銅鼓中學(xué)高二階段測試)5G，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，采用3300～5000MHz頻段，相比于現(xiàn)有的4G(即第四代移動(dòng)通信技術(shù)，1880～2635MHz頻段)技術(shù)而言，具有極大的帶寬、極大的容量和極低的時(shí)延。5G信號與4G信號相比，下列說法正確的是()A．5G信號比4G信號在真空中的傳播速度更快B．5G信號比4G信號更容易被障礙物阻擋C．5G信號比4G信號需要更少的通信基站D．5G信號比4G信號更適合長距離傳輸答案B解析5G信號和4G信號都是電磁波，在真空中傳播速度等于光速，A錯(cuò)誤；根據(jù)λ＝eq\f(c,f)，可知5G信號頻率更高，波長更短，即5G信號比4G信號更容易被障礙物阻擋，需要建設(shè)更密集的基站，不適合長距離傳輸，B正確，C、D錯(cuò)誤。課時(shí)對點(diǎn)練[分值：60分]1～8題每題4分，共32分考點(diǎn)一電磁場1．(多選)在電磁學(xué)發(fā)展的過程中，許多科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)，下列說法正確的是()A．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)B．法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象C．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，楞次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在D．庫侖發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)測定了元電荷的數(shù)值答案ABD解析奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，A、B正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，C錯(cuò)誤；庫侖發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)測定了元電荷的數(shù)值，D正確。2．關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場B．非均勻變化的電場產(chǎn)生的磁場一定是均勻變化的C．均勻變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場D．均勻變化的電場一定產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場答案D解析穩(wěn)定的電場不能產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定的磁場不能產(chǎn)生電場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，非均勻變化的電場產(chǎn)生非均勻變化的磁場，故D正確。3．下列四個(gè)選項(xiàng)中的四種磁場變化情況，能產(chǎn)生如圖所示電場的是()答案B解析由題圖可知，產(chǎn)生的電場為穩(wěn)定的電場，由麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的磁場才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，故選B?？键c(diǎn)二電磁波及電磁波譜4．(多選)關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)中，頻率不變B．周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，只能在真空中傳播D．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度都是3×108m/s答案AB解析頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，故電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)中，頻率不變，A正確；周期性變化的電場產(chǎn)生周期性變化的磁場，由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波，B正確；電磁波是一種物質(zhì)，可以不依賴介質(zhì)傳播，電磁波在真空中的傳播速度是3×108m/s，在不同介質(zhì)中傳播速度不一樣，C、D錯(cuò)誤。5．(多選)(2024·惠州市調(diào)研)使用藍(lán)牙耳機(jī)接聽手機(jī)來電，信號傳輸示意如圖所示，以下說法正確的是()A．藍(lán)牙通信的電磁波是可見光B．藍(lán)牙通信的電磁波波長比手機(jī)通信的電磁波波長短C．兩種電磁波都能在真空中傳播D．藍(lán)牙通信的電磁波波速小于光速答案BC解析藍(lán)牙通信的電磁波是無線電波，不是可見光，故A錯(cuò)誤；在真空中傳播時(shí)，藍(lán)牙通信與手機(jī)通信的電磁波傳播速度相等，但藍(lán)牙通信的電磁波頻率高于手機(jī)通信的電磁波頻率，所以藍(lán)牙通信的波長比手機(jī)通信的電磁波波長短，故B正確；一切電磁波都能在真空中傳播，且傳播速度等于光速，故C正確，D錯(cuò)誤。6．(2023·常州市高二月考)關(guān)于電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波跟聲波一樣，只能在介質(zhì)中傳播B．電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量C．遙控器發(fā)出的紅外線的頻率比醫(yī)院CT中的X射線的頻率高D．各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度不同答案B解析電磁波可以在真空中傳播，故A錯(cuò)誤；電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量，故B正確；根據(jù)電磁波譜可知，遙控器發(fā)出的紅外線的頻率比醫(yī)院CT中的X射線的頻率低，故C錯(cuò)誤；各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度都等于真空中的光速，故D錯(cuò)誤。7．(2024·沈陽市高二學(xué)業(yè)考試)英國物理學(xué)家麥克斯韋推算出一個(gè)出人意料的答案：電磁波的速度等于光速！電磁波在空氣中的傳播速度近似等于3×108m/s，某無線電波的頻率是0.998×108Hz，該電磁波在空氣中的波長約為()A．1.52m B．3.01mC．2.56m D．1.09m答案B解析由c＝λf，代入已知數(shù)據(jù)，解得λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,0.998×108)m≈3.01m，故選B。8．(多選)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．紅外線、X射線、γ射線中紅外線的波長最短B．銀行的驗(yàn)鈔機(jī)和家用電器的遙控器發(fā)出的光都是紫外線C．微波可用于廣播及其他信號的傳播D．X射線可以用于診斷病情，γ射線可以摧毀病變的細(xì)胞答案CD解析紅外線、X射線、γ射線中紅外線的頻率最低，波長最長，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；銀行的驗(yàn)鈔機(jī)發(fā)出的光是紫外線，家用電器的遙控器發(fā)出的光是紅外線，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；微波不但能加熱物體，而且能傳播信息，故可以用于通信、廣播及其他信號傳輸，故C正確；X射線有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體，γ射線有極強(qiáng)的穿透本領(lǐng)和很高的能量，可以摧毀病變的細(xì)胞，故D正確。9、10題每題8分，共16分9．(多選)目前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內(nèi)。下列關(guān)于雷達(dá)和電磁波的說法正確的是()A．真空中上述雷達(dá)發(fā)射的電磁波的傳播速度為3×108m/sB．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的C．測出從發(fā)射電磁波到接收到反射波的時(shí)間間隔可以確定雷達(dá)和目標(biāo)的距離D．雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段答案ACD解析真空中電磁波的傳播速度為3×108m/s，A正確；電磁波是由周期性變化的電場和磁場產(chǎn)生的，B錯(cuò)誤；由雷達(dá)的工作原理可知，C正確；雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段，D正確。10．(2024·武漢市高二期末)有四種磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是()A．這四種磁場都能產(chǎn)生電場B．除了圖甲中的磁場，其他三種磁場都可以產(chǎn)生電場C．只有圖丙中的磁場可以產(chǎn)生電磁波D．除了圖甲中的磁場，其他三種磁場都可以產(chǎn)生電磁波答案B解析根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，變化的磁場產(chǎn)生電場，故題圖乙、丙、丁中的磁場都可以產(chǎn)生電場，A錯(cuò)誤，B正確；均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場，周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性變化的電場，從而產(chǎn)生電磁波，故題圖丙、丁中的磁場可以產(chǎn)生電磁波，C、D錯(cuò)誤。11．(12分)若你用通過靜止衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的無線電話與朋友通話，則在你講話后，至少要等多長時(shí)間才能聽到對方的回話？(