高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第四节 电磁波及其应用优秀课件ppt

第四节　电磁波及其应用

[学习目标]　1.了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场、电磁波的概念.2.知道电磁场的物质性和电磁波的特点.3.了解无线电波的应用．

一、电磁场与电磁波

1．麦克斯韦电磁场理论

(1)变化的电场产生磁场．

(2)变化的磁场产生电场

2．电磁场：变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场．

3．电磁波

变化的电磁场在空间中的传播形成电磁波．

二、电磁场的物质性

1．微波炉利用电磁波加热食物，说明电磁场具有能量．

2．彗星尾是太阳光的光压压迫彗星尘埃物质形成的，表明电磁场具有与其他物质相互作用的属性．

3．电磁场具有能量、具有运动质量．光压现象说明电磁场具有质量．

4．电磁场和电荷系统相互作用时遵守动量守恒定律和能量守恒定律．

5．电磁场具有质量、能量，物质间可以相互作用，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，所以电磁场是一种物质．

三、电视广播、雷达、移动电话

1．电视信号

(1)电视图像和声音信号是通过电磁波传播的．

(2)电视广播使用微波传送电视信号．

2．雷达

(1)雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器．雷达主要由发射机、接收机和显示器组成．

(2)雷达工作时使用的是微波．

3．移动电话

无线电话、无线对讲机、移动电话均是通过电磁波实现信号的发射与接收的．

判断下列说法的正误．

(1)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场．(　×　)

(2)电磁场是一种物质，具有能量、质量．(　√　)

(3)电视广播是利用电磁波传递图像信号和声音信号的．(　√　)

(4)无线电通信是利用声波实现信号的发射和接收的．(　×　)

一、麦克斯韦电磁场理论

1．对麦克斯韦电磁场理论的理解

2.电磁场的产生

如果在空间某处有周期性的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场．

(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是(　　)

A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关

B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场

C．变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场

D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场

答案　AB

解析　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A正确；周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B正确；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，C错误；只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D错误．

针对训练　关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　)

A．在电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场

B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场

C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场

D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

答案　D

解析　根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，A、B、C错误，D正确．

二、电磁波　电磁场的物质性

1．电磁波的形成

周期性变化的电场和磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波．

2．电磁波的特点

(1)在传播方向上，任意一点的E和B都随时间周期性变化，E和B相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直．如图1.

图1

(2)电磁波可以在真空中传播．在真空中传播速度等于光速c＝3×108 m/s.

(3)电磁场储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程．

(4)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．

(5)电磁波是电磁场在空间中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质．

3．电磁波的波速

对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf.

(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是(　　)

A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波

B．电磁波的传播需要介质

C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在

D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的

答案　CD

解析　要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；电磁波是物质波，电磁波的传播不需要介质，B错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C正确；电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量的传播过程，D正确．

电磁波在真空中传播的速度c＝3×108 m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0 MHz，这个电台发射的电磁波的波长λ为(　　)

A．2.70 m   B．270 m

C．3.00 m   D．3.33 m

答案　D

解析　根据c＝λf可得，λ＝ m≈3.33 m.

三、电视广播、雷达、移动电话、电磁波谱

1．电视广播是通过电磁波传递图像信号和声音信号的，电视广播通常是利用微波传送信号的．

2．雷达是利用电磁波中的微波进行测距、定位的仪器．

3．移动通话是通过手机中的发射装置将用户的声音或数字信息转变为高频信号发射到空中，通过手机中的接收装置接收对方发射来的信息．

4．电磁波谱

(1)电磁波谱：电磁波按频率由小到大顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．它们共同构成了范围广阔的电磁波谱．

(2)不同频率的电磁波的比较

雷达向远处发射无线电波，每次发射的时间是1 μs，两次发射的时间间隔为100 μs，在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图2所示，已知图中ab＝bc，则障碍物与雷达之间的距离是多大？

图2

答案　7.5×103 m

解析　题图中a和c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的，b处的尖形波是雷达收到障碍物反射回来的无线电波时出现的，由ab＝bc可知，无线电波由发射到返回所用时间为t＝50 μs.设障碍物与雷达之间的距离为s，由2s＝ct，得s＝＝m＝7.5×103 m.

1．(麦克斯韦电磁场理论)下列说法正确的是(　　)

A．在电场周围一定存在着磁场

B．任何变化的电场周围一定存在着变化的磁场

C．均匀变化的磁场周围一定存在着变化的电场

D．电磁波是一种物质

答案　D

解析　在变化的电场周围才存在磁场，周期性变化的电场会产生同频率周期性变化的磁场，均匀变化的磁场周围存在着稳定的电场，故A、B、C错误．电磁波在空间存在，具有能量，是一种物质，故D正确．

2．(麦克斯韦电磁场理论)(多选)某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，能产生磁场的电场是(　　 )

答案　ABC

解析　根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，选项A、B、C正确．

3．(电磁波谱)根据电磁波谱，从下列选项中选出电磁波的频率顺序由高到低排列且中间没有间断的是(　　)

A．X射线、紫外线、可见光

B．X射线、紫外线、红外线

C．紫外线、红外线、可见光

D．无线电波、红外线、紫外线

答案　A

4．(电磁波的应用)(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内．下列关于雷达和电磁波的说法正确的是(　　)

A．真空中上述雷达发射的电磁波的传播速度为3×108 m/s

B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的

C．测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离

D．雷达使用的是无线电波的微波波段

答案　ACD

解析　真空中电磁波的传播速度为3×108 m/s，A正确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B错误；由雷达的工作原理可知，C正确；雷达使用的是无线电波的微波波段，D正确．

考点一　麦克斯韦电磁场理论

1．(多选)在电磁学发展的过程中，许多科学家做出了贡献．下列说法正确的是(　　)

A．奥斯特发现了电流的磁效应

B．法拉第发现了电磁感应现象

C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，楞次用实验证实了电磁波的存在

D．库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值

答案　ABD

解析　由物理学史可知，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，A、B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，C错误；库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值，D正确．

2．(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　)

A．电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场

B．变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场

C．变化的电场周围一定产生变化的磁场

D．电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s

答案　BD

解析　根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场，但变化的电场周围不一定产生变化的磁场，如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场，电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s.根据以上分析，选项B、D正确．

考点二　电磁波谱及电磁波的应用

3．(多选)关于光波和无线电波，下列说法正确的是(　　)

A．都是电磁波

B．都可以在真空中传播

C．在真空中的传播速度都是3×108 m/s

D．二者的波长、频率均相同

答案　ABC

解析　光波和无线电波本质上都是电磁波，都可以在真空中传播，在真空中传播的速度都是3×108 m/s，A、B、C对；光波和无线电波波长、频率不同，D错．

4．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是(　　)

A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限

B．γ射线的频率一定大于X射线的频率

C．X射线的波长有可能等于紫外线波长

D．可见光波长一定比无线电波波长短

答案　CD

解析　X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确．

5．(多选)关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　　)

A．电磁波可以传递信息

B．声波不能传递信息

C．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

D．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度不相同

答案　ACD

解析　声波、电磁波都能传递能量和信息，A项正确，B项错误；手机在通话时，既涉及电磁波又涉及声波，C项正确；可见光属于电磁波，“B超”中的超声波是声波，两者波速不同，D项正确．

6．(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波

B．电磁波在真空和介质中传播速度不相同

C．均匀变化的磁场能够在空间形成电磁波

D．电磁波可用于无线电通信和雷达测距

答案　BD

解析　若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场均匀变化，都不能产生电磁波，A、C错误；光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，B正确；电磁波可用于无线电通信和雷达测距，D正确．

7．以下关于电磁波的说法不正确的是(　　)

A．无线电通信利用的是电磁波

B．医院B超发出的超声波是电磁波

C．遥控器发出的红外线是电磁波

D．透视使用的X射线是电磁波

答案　B

解析　无线电通信用的是频率为数百千赫至数百兆赫的无线电波，它是电磁波；超声波是声波，不是电磁波；遥控器发出的红外线是电磁波；X射线也是电磁波．所以A、C、D正确，B错误．

8．某雷达正在跟踪一架正对雷达匀速飞来的飞机．设某一时刻从该雷达发出电磁波后到再接收到反射波历时200 μs；经4 s后又发出一个电磁波，雷达从发出电磁波到再接收到反射波历时186 μs，则该飞机的飞行速度多大？

答案　525 m/s

解析　由电磁波发射至接收到反射波历时200 μs，可算出此时飞机距雷达的距离为：

L1＝ m＝3.0×104 m.

经4 s后，飞机距雷达的距离为：

L2＝ m＝2.79×104 m.

故飞机的速度为：

v＝＝ m/s＝525 m/s.

9．频率为5×1014 Hz的红光，从10 m外的交通信号灯直接传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？

答案　3.3×10－8 s　1.7×107个

解析　传到眼睛需要的时间是t＝＝ s≈3.3×10－8 s，由c＝λf得，该红光的波长λ＝＝ m＝6×10－7 m．在这个距离中的波长数有n＝＝≈1.7×107(个)．

10．波长为50～100 m的无线电波可通过电离层的反射向远处传播，这些无线电波的频率范围是多大？若传到相隔1 500 km的远处至少需要多长时间？

答案　3×106～6×106 Hz　5×10－3 s

解析　由c＝λf得，f1＝＝ Hz＝6×106 Hz，

f2＝＝ Hz＝3×106 Hz，

所以频率范围为3×106～6×106 Hz

由x＝ct可得t＝＝ s＝5×10－3 s.