電磁場(chǎng)與電磁波課件-高二下學(xué)期物理人教版選擇性

4.2電磁場(chǎng)與電磁波人教版（2019）物理（選擇性必修第二冊(cè)）第四章

電磁振蕩與電磁波素養(yǎng)目標(biāo)1.了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想，知道麥克斯韋對(duì)電磁學(xué)的偉大貢獻(xiàn)2.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)實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)意義3.了解電磁波的形成和電磁波的特點(diǎn)

電磁振蕩電路中的能量有一部分要以電磁波的形式輻射到周圍空間中去，那么，這些電磁波是怎樣產(chǎn)生的？通信衛(wèi)星、微波爐、安檢設(shè)備等都要利用電磁波，電磁波已經(jīng)與現(xiàn)代生活密不可分那么電磁波是什么？它是怎樣產(chǎn)生的？它有什么性質(zhì)？新課講解視頻：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)電流電磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)將小燈泡連接到電源上，構(gòu)成閉合回路當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，小燈泡會(huì)發(fā)光將金屬環(huán)與小燈泡連接，構(gòu)成閉合回路當(dāng)金屬環(huán)穿過(guò)螺線管的磁場(chǎng)時(shí)，金屬環(huán)連接的小燈泡會(huì)發(fā)光變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)①如果用不到點(diǎn)的塑料線繞制線圈，線圈中還有電流和電場(chǎng)嗎？②線圈不存在時(shí)，線圈所處的空間，還有電場(chǎng)嗎？③若改成恒定的直流電，還有電場(chǎng)嗎？閉合回路（金屬環(huán)）電場(chǎng)↑閉合回路EB電流思考用塑料線圈或線圈不存在時(shí)，有電場(chǎng)，無(wú)電流若改成直流電，線圈中的磁場(chǎng)不發(fā)生變化，不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)麥克斯韋認(rèn)為：電路里能產(chǎn)生感應(yīng)電流，是因?yàn)樽兓拇艌?chǎng)產(chǎn)生了電場(chǎng)，電場(chǎng)促使導(dǎo)體中的自由電荷做定向運(yùn)動(dòng)。他將這種用場(chǎng)描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的觀點(diǎn)，推廣到不存在閉合電路的情形。1.麥克斯韋假設(shè)的觀點(diǎn)（1）變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)這是一個(gè)普遍規(guī)律，跟閉合電路是否存在無(wú)關(guān)。變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)電場(chǎng)B①均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)EtOBtO②非均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)BtOEtO靜止的電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)電荷從靜止到運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)

變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)現(xiàn)象：閉合回路中有電流通過(guò)時(shí)，小磁針會(huì)發(fā)生擺動(dòng)說(shuō)明：小磁針?biāo)幍奈恢卯a(chǎn)生了另一個(gè)磁場(chǎng)，使小磁針發(fā)生擺動(dòng)，這個(gè)磁場(chǎng)是由電荷在周圍空間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變化的電場(chǎng)引起的靜電荷靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的電荷變化的電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)是由變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的（2）變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)這個(gè)假設(shè)沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)做基礎(chǔ)，它出于對(duì)自然規(guī)律的洞察力，是很大膽的，但卻更具有創(chuàng)造性。注意：恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)BEii在電容器充、放電的過(guò)程中在電容器兩極板間周期性變化的電場(chǎng)也產(chǎn)生同頻率的周期性變化磁場(chǎng)。

1.變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)非均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)

2.變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場(chǎng)周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場(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)。知識(shí)小結(jié)假設(shè)一：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)假設(shè)二：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)1.如圖甲所示，在變化的磁場(chǎng)中放置一個(gè)閉合電路，電路里產(chǎn)生了感應(yīng)電流。如圖乙所示，空間存在變化的磁場(chǎng)，其周圍產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，下列說(shuō)法正確的是()A.甲、乙兩圖一定能持續(xù)產(chǎn)生電磁波B.對(duì)甲圖，從上向下看，電子在回路中沿順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)C.閉合電路只是檢驗(yàn)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，即使沒(méi)有閉合電路，空間仍能產(chǎn)生電場(chǎng)D.變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，與閉合電路是否存在有關(guān)C答案：C解析：若甲、乙兩圖的磁場(chǎng)均勻變化，就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定不變的電場(chǎng)，穩(wěn)定不變的電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，就不會(huì)持續(xù)產(chǎn)生電磁波，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；對(duì)甲圖，從上向下看，感應(yīng)電流沿順時(shí)針?lè)较颍娮釉诨芈分醒啬鏁r(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)是一種普遍存在的現(xiàn)象與閉合電路是否存在無(wú)關(guān)，甲圖的閉合電路只是檢驗(yàn)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，乙圖即使沒(méi)有閉合電路，空間仍能產(chǎn)生電場(chǎng)，故選項(xiàng)C正確；同理，變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)也是一種普遍存在的現(xiàn)象，與閉合電路是否存在無(wú)關(guān)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。電磁波視頻：電磁波的形成非均勻變化的磁場(chǎng)變化電場(chǎng)若是均勻變化穩(wěn)定磁場(chǎng)不再激發(fā)若非均勻變化變化磁場(chǎng)若是均勻變化穩(wěn)定電場(chǎng)若非均勻變化激發(fā)激發(fā)激發(fā)激發(fā)1.電磁波的產(chǎn)生變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成了電磁波

電磁波的傳播靠的是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互“激發(fā)”，所以不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播2.電磁波的特點(diǎn)（1）電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，電磁波在與二者均垂直的方向傳播，所以電磁波是橫波。（2）電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度，c=3×108m/s。（3）電磁波的傳播不需要介質(zhì)。（4）電磁波也會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉、衍射、和偏振等現(xiàn)象。（光是電磁波）（5）電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程。電磁波的發(fā)現(xiàn)過(guò)程“磁生電”赫茲?rùn)z測(cè)到了電磁波，測(cè)出電磁波波速等于光速。麥克斯韋猜想與假設(shè)：1.變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)“電生磁”2.變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在預(yù)言光是一種電磁波赫茲證實(shí)電磁波的存在實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)器材拋光的金屬小球、感應(yīng)圈、彎成環(huán)狀的導(dǎo)線赫茲自制的實(shí)驗(yàn)裝置感應(yīng)圈發(fā)射振子

諧振器接收BA赫茲赫茲的電火花這種變化的電磁場(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，說(shuō)明這個(gè)導(dǎo)線環(huán)接收到了電磁波。

當(dāng)與感應(yīng)圈相連的兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，周圍空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場(chǎng)。模擬赫茲的實(shí)驗(yàn)（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)了火花。（3）現(xiàn)象解釋：

當(dāng)感應(yīng)圈兩個(gè)金屬球間有火花跳過(guò)時(shí)，立刻產(chǎn)生了一個(gè)交變電磁場(chǎng)，形成電磁波在空間傳播，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線環(huán)時(shí)激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得導(dǎo)線環(huán)中也產(chǎn)生了火花。模擬赫茲的實(shí)驗(yàn)（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。（5）實(shí)驗(yàn)意義：證明了麥克斯韋的預(yù)言，為麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。（6）赫茲的其他實(shí)驗(yàn)成果：赫茲通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，并通過(guò)測(cè)量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證實(shí)了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。模擬赫茲的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)與感應(yīng)圈相連的兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，周圍空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場(chǎng)。這種變化的電磁場(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，說(shuō)明這個(gè)導(dǎo)線環(huán)接收到了電磁波。

思考討論：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)了火花，這個(gè)過(guò)程是怎樣發(fā)生的呢？4.電磁場(chǎng)的物質(zhì)性

電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換就是電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換，因而電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程，傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程。5.物質(zhì)存在的兩種形式

當(dāng)麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論并被赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)以后，電磁場(chǎng)就像光一樣真實(shí)了。①一種是由原子和分子構(gòu)成的實(shí)物。②另一種則是以電磁場(chǎng)為代表的場(chǎng)。

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)象滿足衍射條件時(shí)均能發(fā)生明顯衍射麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（JamesClerkMaxwell），英國(guó)著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。除了奠定電磁理論、開(kāi)創(chuàng)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)之外，他還是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。因?yàn)楣教珡?fù)雜，人們更多地選擇記住了牛頓和愛(ài)因斯坦與牛爵爺、愛(ài)神平起平坐的麥克斯韋光是按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振蕩——光是一種電磁波2.在物理學(xué)理論建立的過(guò)程中，有許多科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)。下列說(shuō)法正確的是()A.安培首先引入電場(chǎng)線和磁感線B.庫(kù)侖提出了庫(kù)侖定律，并最早用實(shí)驗(yàn)測(cè)得元電荷e的數(shù)值C.法拉第提出了分子電流假說(shuō)，并在磁場(chǎng)與電流的相互作用方面做出了杰出的貢獻(xiàn)D.麥克斯韋建立了經(jīng)典電磁場(chǎng)理論D經(jīng)典例題答案：D解析：法拉第首先引入電場(chǎng)線和磁感線，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；庫(kù)侖提出了庫(kù)侖定律，密立根最早用實(shí)驗(yàn)測(cè)得元電荷e的數(shù)值，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；安培提出了分子電流假說(shuō)，并在磁場(chǎng)與電流的相互作用方面做出了杰出的貢獻(xiàn)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；麥克斯韋建立了經(jīng)典電磁場(chǎng)理論，選項(xiàng)D正確。3.關(guān)于電磁波和機(jī)械波，下列說(shuō)法正確的是()A.電磁波是縱波，而機(jī)械波既有橫波又有縱波B.機(jī)械波和電磁波在傳播時(shí)都需要介質(zhì)C.機(jī)械波的能量由振幅決定，而電磁波的能量由頻率決定D.當(dāng)機(jī)械波或電磁波從空氣中進(jìn)入水中時(shí)，頻率不變，波長(zhǎng)和波速都變小C經(jīng)典例題答案：C解析：電磁波是橫波，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；機(jī)械波的能量由振幅決定，而電磁波的能量由頻率決定，選項(xiàng)C正確；當(dāng)電磁波從空氣中進(jìn)入水中時(shí)，頻率不變，而介質(zhì)的折射率變大，所以波速變小，則波長(zhǎng)也變小，而機(jī)械波從空氣中進(jìn)入水中時(shí)，頻率不變，但波速變大，所以波長(zhǎng)也變大，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。4.陳敬熊是我國(guó)電磁場(chǎng)理論與天線技術(shù)專家，我國(guó)天線理論和制導(dǎo)雷達(dá)天線設(shè)計(jì)的主要開(kāi)拓者之一，開(kāi)創(chuàng)性地提出了麥克斯韋方程直接求解法，解決了我國(guó)第一代地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)天線關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為我國(guó)電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。關(guān)于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是()A.變化的電場(chǎng)一定會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，同樣，變化的磁場(chǎng)一定會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)B.光是一種電磁波，在任何介質(zhì)中光速都為C.赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在D.麥克斯韋觀測(cè)到了電磁波的反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象C答案：C解析：均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，同樣，均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；光是一種電磁波，只有在真空中光速為

，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在，故選項(xiàng)C正確；赫茲觀測(cè)到了電磁波的反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。5.北京時(shí)間2022年5月12日晚9點(diǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織正式發(fā)布了銀河系中心黑洞人馬座

的首張照片。如圖所示，該照片利用了射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)電磁波的捕捉。下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法正確的是()A.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B.電磁波是縱波，不能發(fā)生偏振現(xiàn)象C.電磁波和機(jī)械波都依賴于介質(zhì)才能傳播D.電磁波在任何介質(zhì)中傳播的速度都相等A答案：A解析：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，故選項(xiàng)A正確；電磁波是橫波，可以發(fā)生偏振現(xiàn)象，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電磁波的傳播不依賴于介質(zhì)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電磁波在不同介質(zhì)中傳播的速度不相等，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2.電磁波的特點(diǎn)

（1）電磁波是橫波，在空間中傳播不需要介質(zhì)；（2）真空中電磁波的傳播速度為3×108m/s；（3）電磁波能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象；（4）1.電磁波的產(chǎn)生：

變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。穩(wěn)定的電場(chǎng)周圍不產(chǎn)生磁場(chǎng)相互垂直，隨時(shí)間和空間做周期性變化1.已知的單端天線的長(zhǎng)度為載波波長(zhǎng)的時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在天線中將達(dá)到最大值。如果某種的天線應(yīng)設(shè)計(jì)為7.5cm，接?信號(hào)的載波頻率為()A. B. C. D.C答案：C解析：由波速公式，解得，選項(xiàng)C正確。2.2022年3月8日，航天員王亞平從空間站送來(lái)的“國(guó)際婦女節(jié)”節(jié)日祝福通過(guò)電磁波傳播到祖國(guó)各地，下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法正確的是()A.麥克斯韋用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在B.只要有電場(chǎng)就能產(chǎn)生電磁波C.電磁波傳播需要介質(zhì)，機(jī)械波傳播不需要介質(zhì)D.電磁波中每一處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度總是互相垂直的，且都與波的傳播方向垂直D答案：D解析：麥克斯韋預(yù)言了電磁波，赫茲證實(shí)了電磁波的存在，A錯(cuò)誤；若只有電場(chǎng)，而電場(chǎng)是穩(wěn)定的或電場(chǎng)均勻變化，則都不能產(chǎn)生電磁波，B錯(cuò)誤；電磁波傳播不需要介質(zhì)，機(jī)械波傳播需要介質(zhì)，C錯(cuò)誤；因電磁波是橫波，所以電磁波中每一處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度總是互相垂直的，且與波的傳播方向垂直，D正確。故選D。3.下列