高中人教版 (2019)4 电磁波的发现及应用学案

4．电磁波的发现及应用

目标体系构建

明确目标·梳理脉络　

【学习目标】

1．了解麦克斯韦电磁场理论的内容。

2．知道电磁波的形成及赫兹的实验结论。

3．知道电磁波在真空中传播速度及波长、频率和波速的关系。

4．了解电磁波谱的组成及各种电磁波的特点、应用。

【思维脉络】

课前预习反馈

教材梳理·落实新知　

知识点 1  电磁场

1．麦克斯韦的电磁理论：变化的__磁场__产生电场，变化的__电场__产生磁场。

2．电磁场：变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的__电磁场__。

知识点 2  电磁波

1．麦克斯韦推断：周期性变化的电场在空间引起__周期性__变化的磁场，这个变化的磁场又引起新的__变化__的电场。

2．麦克斯韦预言：__周期性__变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成__电磁波__。

3．机械波的传播离不开__介质__，电磁波可以在__真空__中传播。

4．光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种__电磁__振动，电磁波的速度等于__光速__。

5．赫兹的贡献：1886年德国科学家赫兹通过实验捕捉到了__电磁波__，证实了麦克斯韦的__电磁场__理论。

知识点 3  电磁波谱

1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝__λf__。

2．电磁波在真空中的速度：c＝__3×108__ m/s。

3．电磁波谱：按电磁波的__波长__或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。

4．各种电磁波的应用

(1)无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，__微波__可以用于卫星通信、电视等的信号传播。

(2)红外线可以用于__加热__理疗，可见光可以用于通信。

(3)紫外线可以__消毒__，X射线片可以用于诊断病情，__γ射线__可以摧毁病变的细胞。

知识点 4   电磁波的能量

1．光是一种电磁波——传播着的__电磁场__，光具有能量。

2．电磁波具有能量，电磁波是一种__物质__。

知识点 5  电磁波通信

1．电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为__统一__的信息通信网络。

2．信息通信都是通过__电磁波__来传递的。

3．电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以__无线__传播。

预习自测　　

『判一判』

(1)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(×)

(2)周期性变化的磁场产生周期性变化的电场。(√)

(3)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播。(√)

(4)光是一种电磁波。(√)

(5)电磁波的传播速度一定为3×108 m/s。(×)

(6)电磁波具有能量可用于对物体加热，也可以携带信息，用于信息通信。(√)

『选一选』

(2020·吉林省扶余市第一中学高二下学期期中)某电路中电场随时间变化的图像有如图所示几种情况，能发射电磁波的电场是(　D　)

解析：图A是稳定的电场，不能产生磁场，图B与图C是均匀变化的电场，产生恒定不变的磁场，也不能形成电磁波；图D是按正弦函数规律周期性变化的电场，会产生同频率的周期性变化的磁场，能形成电磁场，向外发射电磁波。故应选D。

『想一想』

“为了您和他人的安全，请您不要在飞机上使用手机和手提电脑。”这句提醒警示语是乘坐飞机的旅客都听过的语言，因为有些空难事故就是由于某位乘客在飞行的飞机中使用手机造成的。如图所示是飞机上的警示标志。1999年广州白云机场飞机降落时，机上有四位旅客同时使用了手机，使飞机降落偏离了8度，险些造成事故；2015年4月27日下午一位旅客在飞往乌鲁木齐的途中使用手机，被处以五百元的治安罚款。请问为什么在飞机上不能使用手机和手提电脑呢(包括游戏机)?

答案：由于手机在使用时要发射电磁波，对飞机产生电磁干扰，而飞机上导航系统是非常复杂的，抗干扰能力不是很强，所以如果飞机上的乘客使用了手机，对飞机产生电磁干扰，那么后果将十分可怕。所以，在飞机上不要使用手机和手提电脑。

课内互动探究

细研深究·破疑解难　

探究

麦克斯韦电磁场理论

┃┃情境导入__■

如图所示，在变化的磁场中放置一个闭合线圈。

(1)你能观察到什么现象？

(2)这种现象说明了什么？

提示：(1)灵敏电流计的指针发生偏转，有电流产生。

(2)变化的磁场产生了电场，使闭合线圈的自由电荷发生了定向运动而形成了电流。

┃┃要点提炼__■

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变化的电场，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。

┃┃典例剖析__■

典例1　根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　D　)

A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场

B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在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．振荡的电场在周围空间一定产生同频率振荡的磁场

思路引导：在理解麦克斯韦电磁场理论时，要注意静电场(恒定磁场)不产生磁场(电场)，还要注意根据电场或磁场的变化情况来确定会产生什么样的磁场或电场。

解析：根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，只有选项D正确。

┃┃对点训练__■

1．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是(　ABD　)

A．教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场

B．工作时打点计时器必有磁场和电场

C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场激发稳定的电场

D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直

解析：教室中开亮的日光灯、工作时打点计时器用的振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确。

探究

对电磁波的理解

┃┃情境导入__■

如图所示，某同学正在回答“神舟十号”航天员王亚平的问题，请问她们的通话是通过机械波进行的还是通过电磁波进行的？为什么？

答案：电磁波。因为机械波的传播离不开介质，而电磁波可以在真空中传播。

┃┃要点提炼__■

　　    1.电磁波的特点

(1)电磁场中储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。

(2)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。

(3)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质。

(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。

2.波长、频率与波速之间的关系

波速＝波长×频率，即v＝λf。

(1)频率由波源决定，与介质无关，波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变，在介质中的速度都比在真空中速度小。

(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。

(3)在真空中传播时，不同频率的电磁波的速度都相同：v＝c。

┃┃典例剖析__■

典例2 (多选)电磁波与声波比较，下列叙述中正确的是(　ABC　)

A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质

B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大

C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大

D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关

思路引导：(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。

(2)不同频率的电磁波，在同一种介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。

解析：选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误。

┃┃对点训练__■

2．(多选)下列关于电磁波的说法中，正确的是(　AC　)

A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播

B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108 m/s

C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短

D．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波

解析：电磁场向外部空间的传播形成了电磁波，电磁波只有在真空中的传播速度才为3.0×108 m/s，在其他介质中的传播速度小于3.0×108 m/s，波长变短，只有交变的电场和磁场才能产生电磁波，A、C正确，B、D错误。

探究 　

电磁波谱及其应用

┃┃情境导入__■

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来便构成了范围非常广阔的电磁波谱。如图所示是按波长由大到小(频率由小到大)顺序排列的电磁波谱。

电磁波谱中的各部分有没有严格的分界线？

提示：没有。

┃┃要点提炼__■

1．电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线等合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱。

2．各种不同的电磁波既有共性，又有个性：

(1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都满足公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间的区别并没有绝对的意义。

(2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。

3．电磁波谱及其应用：

┃┃典例剖析__■

典例3 (多选)下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是    (　CD　)

A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体

B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康

C．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞

D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光

思路引导：按照各种不同的电磁波的特性解答。

解析：X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞，C正确；紫外线和Χ射线都可以使感光底片感光，D正确。

┃┃对点训练__■

3．间谍卫星上装有某种遥感照相机，可用来探测军用和民用目标。这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车，即使车队离开也瞒不过它。这种遥感照相机敏感的电磁波属于(　B　)

A．可见光波段

B．红外波段

C．紫外波段

D．X射线波段

解析：任何物体都在向外辐射红外线，温度越高辐射越强，导弹发射、汽车行驶时发动机温度很高，会辐射出强烈的红外线。车队离开后，空气中的热还没有马上散发掉，遥感照相机还能探测到车队刚刚走过的轨迹。

核心素养提升

以题说法·启智培优　

电磁波的应用实例——雷达

1．雷达的工作原理：利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性工作。

2．确定位置的方法：雷达通过转动的天线发射微波信号，这种信号传播的直线性好，遇到障碍物要发生反射，反射信号又被雷达天线接收。测出从发射信号到接收到目标反射信号的时间t，就可以知道目标到雷达的距离s＝。再根据发射无线电波的方向和倾角，便可以确定障碍物的位置了。

案例 某高速公路自动测速仪装置如图1所示，雷达向汽车驶来方向发射不连续的电磁波，每次发射时间约为百万分之一秒，两次发射时间间隔为t。当雷达向汽车发射无线电波时，在指示器荧光屏上呈现出一个尖波形；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形波。根据两个波的距离，可以计算出汽车距雷达的距离，根据自动打下的纸带如图2所示，可求出该汽车的车速，请根据给出的t1、t2、t、c求出汽车车速表达式。

解析：根据图2所示第一次测量时汽车距雷达距离s1＝；第二次测量时汽车距雷达距离s2＝。两次发射时间间隔为t，则汽车的速度v＝＝＝。

注：这里边有一个微小的误差，即t不是两个位置的时间差，准确值应是t－＋但与相差不大，对v的计算结果影响很小可略去不计，所以采用上式已经够精确的了。

答案：v＝