人教版 (新课标)选修3第十章 热力学定律综合与测试学案

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专题18  电磁波（教师版）一、目标要求目标要求重、难点LC振荡电路 电磁波的产生与特点重点电磁波的应用重点二、知识点解析1．电磁波的发现19世纪中叶，英国物理学家麦克斯韦总结前人对电磁波规律的研究，建立了经典电磁场理论．他提出：变化的磁场周围存在电场，变化的电场周围存在磁场，如图1所示．麦克斯韦预言：若空间中存在周期性变化的磁场，它就会激发出周期性变化的电场；而这个周期性变化的电场又会激发出新的周期性变化的磁场……于是变化的磁场和变化的电场交替出现，由近及远地向周围传播，这样就形成了电磁波．如图2所示，这个预言由德国物理学家赫兹用实验证实．从图2还可以看出，电场与磁场相互垂直，且均与传播方向垂直，因此电磁波是横波；经赫兹测量证明，电磁波的传播速度为光速c．2．电磁振荡(1)LC振荡电路要产生持续的电磁波，则需要变化的电磁场；要产生变化的电磁场，需要变化的电流；这里介绍一种激发电磁波的装置——LC振荡电路．如图3所示，单刀双掷开关S先接通1，使电容器充电，之后再接通2．回路中电流、极板所带电荷量以及能量转变如下表所示． 放电过程充电过程放电过程充电过程原理线圈的自感现象回路电流方向逆时针逆时针顺时针顺时针电流大小变化逐渐增至最大逐渐减小至零逐渐增至最大逐渐减小至零极板电性上正下负上负下正上负下正上正下负电量大小变化逐渐减小至零逐渐增至最大逐渐减小至零逐渐增至最大能量转变电场能逐渐减小至零，磁场能逐渐增至最大电场能逐渐增至最大，磁场能逐渐减小至零电场能逐渐减小至零，磁场能逐渐增至最大电场能逐渐增至最大，磁场能逐渐减小至零电容器上所带电荷量（上极板）和回路中电流变化（顺时针为正）如图4所示．因为电容器和线圈的反复充放电，使得回路中出现了周期性变化的交变电流，我们将这种频率很高的交变电流称为振荡电流，因回路中出现了振荡电流，因此LC振荡电路激发了电磁波．若能持续地为振荡电路补充能量，则可以形成稳定的电磁波．(2)振荡电路的周期和频率①定义：振荡电路完成一次周期性变化所需时间称为一个周期，1 s内完成周期性变化的振荡次数称为频率，若不计能量损失，也无外界影响，这时的周期和频率也称振荡电路的固有周期和固有频率．②表达式：，3．电磁波的应用(1)电磁波谱电磁波的波速、频率和波长满足，其中c是真空中的光速．电磁波变化范围很广，按波长或频率大小顺序将电磁波排列成谱，称为电磁波谱，如图5所示．(2)电磁波的应用①无线电波：即图5中的长波、中波、短波和微波，长波、中波和短波主要用于通信、广播及其他信号传输；微波可以引起食物中水分子的共振，从而使水分子热运动加剧，食物的温度升高．②红外线：所有物体都向外辐射红外线，温度越高的物体，红外辐射越强；红外线可以应用于遥感技术，如家庭中电视和空调遥控器等．③可见光：人眼可以感知的电磁波称为可见光．④紫外线：太阳光中有许多紫外线，适当地照射太阳光可以促进人体钙的吸收，但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤；紫外线的能量较高，能够破坏细胞核中的物质，因此可以利用紫外线消毒杀菌；某些物质在紫外线照射下会发出荧光，根据这一点可以设计防伪标志．⑤X射线：X射线对生命物质有较强的作用，长时间照射X射线会引起生物体的病变；X射线能够穿透物质，可以用来检验人体内部器官；工业生产也利用X射线检测金属元件内部缺陷；机场等地安检时利用X射线可以轻易检测出箱内的物品．⑥γ射线：具有极高的能量，可以破坏生命物质，因此医学上利用γ射线杀伤癌变细胞；γ射线穿透能力极强，也可以检验金属元件内部的缺陷．三、考查方向题型1：电磁波的产生和特点典例一：（多选）关于电磁波，下列叙述中正确的是(　　)A．电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速B．电磁波和机械波一样依赖于媒质传播C．电磁波中每一处电场强度方向和磁感应强度方向总是相互垂直，并且与波的传播方向也垂直D．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波题型2：机械波和电磁波的区别典例二：（多选）关于对机械波和电磁波的认识，以下说法正确的是(　　)A．机械波和电磁波的传播都需要介质B．机械波和电磁波在同一种介质中传播的速度是相同的C．机械波和电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，都具有波的特性D．机械波可能是横波也可能是纵波，而电磁波都是横波题型3：电磁振荡和LC振荡电路典例三：（2020年1月浙江选考）如图所示，单刀双掷开关 S 先打到 a 端电容器充满电。 t  0 时开关 S 打到 b 端，t  0.02s 时， LC 回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则（   ）A. LC 回路中的周期为0.02sB. LC 回路中电流最大时电容器中电场能最大C. t  1.01s 时线圈中磁场能最大D．t  1.01s 时回路中的电流沿顺时针方向题型4：电磁波的应用典例四：（2020高考北京卷）随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（   ）A.光子能量更大   B.衍射更明显      C.传播速度更大   D.波长更长四、模拟训练一、基础练习1.（多选）关于电磁场和电磁波，正确说法是(　　)A．电磁波传播速度总是 3×108 m/sB．电磁波是一种物质，可以在真空中传播C．电场和磁场总是相互联系，它们统称为电磁场D．光是一种电磁波2.（多选）关于电磁波，下列说法中正确的是(　　)A．电磁波是由不均匀变化的电场和磁场产生的B．电磁波是横波C．电磁波不能在真空中传播D．电磁波在不同介质中传播时的速度大小不变3.（多选）关于电磁波，下列说法正确的是(　　)A．电磁波和机械波都可以在真空中传播B．电磁波和机械波都能产生多普勒效应C．电磁波中电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性的变化D．以下三种电磁波按频率由高到低排序为：无线电波、紫外线、γ射线4.（多选）如图所示的LC振荡电路中，某瞬间电流如箭头所示，且正在增大，则(　　)A．这时电容器A极板带负电荷，B板带正电荷B．电容器中电场能正在增加C．线圈中磁场能正在增加D．线圈中感应电动势正在减少5.在LC振荡电路中，用以下的哪种办法可以使振荡频率增大一倍(　　)A．自感L和电容C都增大一倍B．自感L增大一倍，电容C减小一半C．自感L减小一半，电容C增大一倍D．自感L和电容C都减小一半6.（多选）图1为LC振荡电路．若规定如图1所示方向为电流的正方向，振荡电路中产生的振荡电流的图象如图2所示．由图象可知(　　)A．在t1时刻，电容器所带的电荷量最大B．在t2时刻，电容器内的电场能最大C．在t3时刻，电感线圈的磁场能最大D．在t4时刻，电容器两个极板间的电压最大7.如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻(　　)A．振荡电流i在增大 B．电容器正在放电C．磁场能正在向电场能转化 D．电场能正在向磁场能转化8.（多选）LC电路中电容两端的电压u随时刻t变化的关系如图所示，由图可知(　　)A．在t1时刻，电路中的电流最大B．在t2时刻，电路的磁场能最大C．从t2时刻至t3时刻，电路的电场能不断增大D．从t3时刻至t4时刻，电容器的带电荷量不断增大9.（多选）对于红外线的产生和作用，下列叙述正确的是(　　)A．物体都在不停地辐射红外线B．红外线有很强荧光作用C．红外线最显著的作用是热作用D．红外线比紫外线更易穿过烟尘10.电磁波无处不在，我们身边的广播、电视、移动通信都与电磁波有着密不可分的联系，Wi﹣Fi、非接触式公交卡、导航、雷达、微波加热、射电天文学、遥感遥测也都与电磁波有关．频率是电磁波的一个重要参量，不同频率的电磁波在空中互不干扰，保证了各项无线电应用的顺利开展．例如，我国自主建立的北斗导航系统所使用的电磁波频率约为1561 MHz；家用微波炉加热食物所使用的电磁波频率约为2450 MHz；家用5GWi﹣Fi所使用的电磁波频率约为5725 MHz．对于家用5GWi﹣Fi的信号，下列说法中正确的是(　　)A．一定不会产生偏振现象B．从一个房间穿越墙壁进入另一个房间后，频率保持不变C．与北斗导航信号叠加时，将产生明显的干涉现象D．与微波炉所使用的微波相比，更容易产生明显衍的射现象11.利用所学物理知识，可以初步了解常用的公交一卡通(IC卡)的工作原理及相关问题． IC卡内部有一个由电感线圈L和电容C构成的LC振荡电路．公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”的响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波．刷卡时，IC卡内的线圈L中产生感应电流，给电容C充电，达到一定的电压后，驱动卡内芯片进行数据处理和传输．下列说法正确的是(　　)A．IC卡工作所需要的能量来源于卡内的电池B．仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时，IC卡才能有效工作C．若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率，则线圈L中不会产生感应电流D．IC卡只能接收读卡机发射的电磁波，而不能向读卡机传输自身的数据信息12.麦克斯韦的电磁场理论指出：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场．电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波．从1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在至今，电磁波已经与我们的生活紧密相关：机场安检门使用频率为7 kHz的电磁波，GPS定位系统使用频率为10.23 MHz(1 MHz=106 Hz)的电磁波，手机工作时使用频率为800﹣1900 MHz的电磁波，无线WiFi使用频率为2.4 GHz(1 GHz=109 Hz)的电磁波，地铁行李安检时使用频率为1018 Hz的电磁波．根据图中给出的电磁波谱和相关信息，下列说法正确的是(　　)A．手机工作时使用的电磁波是纵波B．机场安检门使用的电磁波只能在空气中传播C．地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领D．无线WiFi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波更容易发生衍射现象13.微波炉是用微波来加热食品的工具．微波是一种电磁波，它一碰到金属就会发生反射，金属不吸收也不传导微波；微波穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料时几乎不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被食物吸收．微波炉正是利用微波的这些特性来工作的．微波炉的外壳用不锈钢金属材料制成，可以阻挡微波丛炉内逸出，以免影响人们的身体健康．装食物的容器则用绝缘材料制成．微波炉的磁控管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为2450 MHz的微波，这种微波能穿透食物达5 cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物“煮”熟了．根据上述信息，下列说法正确的是(　　)A．微波炉利用的是电流的热效应加热食品B．微波炉利用的是电磁感应现象C．微波炉加热时，不能使用金属容器D．微波可能是纵波二、提升练习1.（2020高考天津卷）新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（  ）A．红外线的光子能量比紫外线的大B．真空中红外线的波长比紫外线的长C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能2.（2020年7月浙江选考）在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图所示。下列说法正确的是（    ）A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的3.（2020高考江苏物理·多选）电磁波广泛应用在现代医疗中.下列属于电磁波应用的医用器械有（  ）A.杀菌用的紫外灯                        B.拍胸片的X光机C.治疗咽喉炎的超声波雾化器              D.检查血流情况的“彩超”机4.（2018江苏物理·多选）梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波，该电磁波（   ）A．是横波B．不能在真空中传播C．只能沿着梳子摇动的方向传播D．在空气中的传播速度约为3×108m/s5.（全国理综·多选）关于电磁波，下列说法正确的是_____。A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失6.（北京高考理综）下列说法正确的是（   ）A.电磁波在真空中以光速c传播                  B.在空气中传播的声波是横波C.声波只能在空气中传播                        D.光需要介质才能传播7.（天津理综）我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1~10m范围内，则对该无线电波的判断正确的是（  ）A. 米波的频率比厘米波频率高B. 和机械波一样须靠介质传播C. 同光波一样会发生反射现象D. 不可能产生干涉和衍射现象8.（上海物理）各种不同频率范围的电磁波按频率由大到小的排列顺序是（   ）A. γ射线、紫外线、可见光、红外线B. γ射线、红外线、紫外线、可见光C. 紫外线、可见光、红外线、γ射线D. 红外线、可见光、紫外线、γ射线典例一【答案】AC【解析】A、电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A正确；B、电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于媒质传播，故B错误；C、电磁波的变化电场与变化磁场是相互垂直，则是横波，故C正确；D、电磁波是变化电磁场产生的，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，逐渐向外传播，形成电磁波，故D错误．典例二【答案】CD【解析】A、机械波传播时需要介质，而电磁波的传播不需要介质，故A错误；B、机械波和电磁波在同一种介质中传播的速度是不相同的，故B错误；C、机械波和电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，都具有波的特性；故C正确；D、机械波可能是横波也可能是纵波，而电磁波都是横波；故D正确．典例三【答案】C【解析】 LC 振荡电路工作过程：电容器充满电，将开关拨向线圈，电容器放电，由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，直到放电完毕，电流达到最大值，电场能转化为磁场能； 由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向继续流动，并逐渐减小．电容器反方向充电，到反方向充电完毕，电流减小为零，电容器极板上的电荷量达到最大值，磁场能又全部转化为电场能；此后电容器再放电、再充电。电流－时间图像、电容器带电量－时间图像：所以周期为T  0.04s ，故选 C。典例四【答案】A【解析】5G使用的电磁波频率更高，光子能量E=hv更大，选项A正确；5G使用的电磁波频率更高，波长更短，衍射不明显，选项BD错误；电磁波在真空中速度都是光速c，选项C错误。五、模拟训练一、基础练习1.【答案】BCD【解析】A、电磁波在真空中传播速度是3×108 m/s，故A错误；B、电磁场本身就是一种物质，可以不依赖物质传播．故B正确；C、电场和磁场是相互联系的，它们统称为电磁场．故C正确；D、光是一种电磁波．故D正确．2.【答案】AB【解析】A、变化的电场能产生磁场，变化的磁场能产电场，但非均匀变化电场能生非均匀变化磁场，从而形成电磁波，故A正确；B、变化的电场与变化磁场相互垂直，因此电磁波是横波，故B正确；C、电磁波能在真空中传播，故C错误；D、根据v=，电磁波在不同介质中传播时的速度大小不同，故D错误．3.【答案】BC【解析】A、电磁波可以在真空中传播；但机械波只能在介质中传播；故A错误；B、两种波均可以产生多普勒效应；故B正确；C、电磁波由交变电磁场相互激发而形成，电磁波中电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性的变化；故C正确；D、频率最大的γ射线，其次为紫外线，最小的为无线电波；故D错误；4.【答案】ACD【解析】A、根据图示电路知，电流在增大，则该LC振荡电路正在放电，电流方向是顺时针，因此A板带负电荷，B板带正电荷．故A正确．B、因电流正在增大，电场能在减小，故B错误．C、电流增加，电场能减少，磁场能增加，故C正确； D、由A可知，处于放电的过程，则电场能转化为磁场能，电流在增大，电容器的两极的电压在减小，所以线圈中电流产生的感应电动势正在减小．故D正确．5.【答案】D【解析】A、根据f=，知自感L和电容C都增大一倍，则振荡频率变为原来的一半．故A错误；B、根据f=，知自感L增大一倍，电容C减小一半，则振荡频率不变．故B错误；C、根据f=，知自感L减小一半，电容C增大一倍，则振荡频率不变．故C错误；D、根据f=，知自感L和电容C都减小一半，则振荡频率增大一倍．故D正确．6.【答案】BCD【解析】A、在t1时刻，电路中的电流最大，则q最小，说明放电完毕，电容器所带电荷量最小．故A错误；B、在t2时刻，电路中的电流最小，则q最大，说明刚开始放电，所以电场能最大，故B正确；C、在t3时刻电路中的电流最大，则q等于0，说明电容器放电完毕，则电场能最小，磁场能量大；故C正确；D、在t4时刻，电容器上电量最大；故两个极板间的电压最大；故D正确．7.【答案】C【解析】通过图示电流方向，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，磁场能正在向电场能转化．故C正确，A、B、D错误．8.【答案】BC【解析】A、在时t1时电路中电容器两端的电压最大，故两极板之间的电场最强，电场能最大，根据能量守恒可知此时磁场能量最小，故在时t1时电路中的电流为0，故A错误；B、在t2时电路中电容器两端的电压为0，两极板之间的电场强度为0，故电场能为0，根据能量守恒可知此时磁场能量最大，故B正确；C、从t2至t3电容器两端的电压逐渐增大，故两极板之间的电场逐渐增强，则电路的电场能不断增大，故C正确；D、从时t3至t4，电容器两端的电压逐渐减小，根据Q=CU可知电容器带的电荷量不断减小，故D错误．9.【答案】AC【解析】A、一切物体都在不停地辐射红外线，故A正确；B、紫外线有很强的荧光作用，不是红外线，故B错误；C、红外线最显著的作用就是热作用，故C正确；D、红外线和紫外线的波长都比烟尘微粒小很多，波长对散射的影响程度很小，故D错误．10.【答案】B【解析】A、电磁波是横波，可以发生偏振现象，故A错误；B、电磁波的频率由振源决定，从一个房间穿越墙壁进入另一个房间后，频率保持不变，故B正确；C、只有频率相同的两列光才能发生干涉，Wi﹣Fi信号不会在北斗导航信号叠加时，产生明显的干涉现象，故C错误；D、家用5GWi﹣Fi所使用的电磁波频率高于微波炉的频率，因此其波长较短，不易发生明显的衍射现象，故D错误．11.【答案】B【解析】A、由题意可知，该能量来自于电磁感应，即人刷卡的机械能转化为电能；故A错误；B、为了使IC卡中的感应电流达最大，应使LC电路产生电谐振，故只有发射特定频率的电磁波时，IC卡才能有效工作；故B正确；C、若电磁波的频率偏离该频率，L中仍可出现感应电流，但不会达到电谐振；故C错误；D、IC卡接收到读卡机发射的电磁波，同时将自身数据信息发送给读卡机进行处理；故D错误．12.【答案】C【解析】A、手机工作时使用的电磁波均为横波；故A错误；B、电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播；故B错误；C、地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领；故C正确；D、无线WiFi用到的电磁波频率较大，所以其波长较小，故GPS定位系统使用的电磁波比无线WiFi使用的电磁波容易发生衍射现象，故D错误．13.【答案】C【解析】微波加热利用的是食物中的水份与微波的频率相接近，从而在微波中发生振动而产生大量的热量使食物发热；故它不是利用电流的热效应以及电磁感应现象工作的；所有的电磁波均为横波；由于金属不传导微波，碰到金属后会发射，因此不能使用金属容器加热食物，故ABD错误，C正确．二、提升练习1.【答案】B   【解析】根据电磁波谱，红外线的频率小于紫外线的频率，真空中红外线的波长大于紫外线的波长，由光子能量公式可知，红外线光子能量小于紫外线光子能量，选项A错误B正确；真空中任何光的传播速度都相等，所以真空中红外线的传播速度等于紫外线的传播速度，选项C错误；由于光是横波，都能够发生偏振现象，所以红外线和紫外线都能够发生偏振现象，选项D错误。2.【答案】D【解析】由于一切物体都在不停的辐射红外线，温度越高，辐射的红外线强度越大，所以红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的，选项D正确。3.【答案】AB【解析】杀菌用的紫外灯和拍胸片的X光机都属于电磁波应用的医用器械，选项AB正确；而治疗咽喉炎的超声波雾化器和.检查血流情况的“彩超”机，采用的是超声波，属于超声波应用的医用器械，选项CD错误。4.【答案】AD【解析】电磁波是横波，可以在真空中传播，可以沿任何方向传播，在真空中的传播速度约为3×108m/s，由于空气的折射率约等于1，所以在空气中的传播速度约为3×108m/s，选项AD正确BC错误。5.【答案】ABC【解析】电磁波在真空中传播速度不变，与波长、频率无关，A正确；电磁波的形成即是变化的电场和变化的磁场互相激发得到，B正确；电磁波传播方向与电场方向与磁场方向垂直，C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，E错误。6.【答案】A【解析】电磁波在真空中的传播速度等于光速c，选项A正确；在空气中传播的声波是纵波，选项B错误；声波的传播需要介质，可以在空气，液体，和固体中传播，选项C错误；光属于电磁波，其传播不需要介质，可以在真空中传播，选项D错误7.【答案】C【解析】所谓米波是指波长为米的数量级的电磁波，厘米波是指波长为厘米的数量级的电磁波，显然米波的波长大于厘米波的波长，由波长与频率、波速关系式λ=c/f可知，米波的频率小于厘米波的频率，选项A错误。无线电波是电磁波，可以在真空中传播，选项B错误。无线电波同光波一样会发生反射现象，可以产生干涉和衍射现象，选项C正确D错误。8.【答案】A【解析】各种不同频率范围的电磁波按频率由大到小的排列顺序是：γ射线、紫外线、可见光、红外线，选项A正确。