高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 电磁波的发现及应用学案

电磁波的发现及应用

[核心素养·明目标]

知识点一　电磁场

1．麦克斯韦电磁场理论

(1)变化的磁场产生电场。

(2)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。

(1)电场和磁场在空间形成不可分割的统一体。

(2)电磁场具有运动质量、能量以及与其他物质相互作用的属性，电磁场具有物质性，是物质存在的基本形态之一。

(3)有单独存在的静电场，也有单独存在的静磁场，但不存在静止的电磁场。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)任何电场周围都要产生磁场。 (×)

(2)任何变化的电场都要在周围空间产生变化的磁场。 (×)

(3)周期性变化的电场要在周围空间产生周期性变化的磁场。 (√)

知识点二　电磁波

1．电磁波的产生：周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场，这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。

2．电磁波的传播：电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质。

3．光也是电磁波

(1)电磁波的传播速度恰好与真空中的光速相同。

(2)麦克斯韦指出：光是以波动形式传播的一种电磁振动。

4．科学研究：德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，从而证实了麦克斯韦电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电磁波的传播不需要介质。 (√)

(2)赫兹用实验证实了电磁波的存在。 (√)

(3)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。 (√)

知识点三　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．电磁波谱的概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，形成电磁波谱。

4．电磁波谱组成

5．各种电磁波的应用

(1)无线电波中的长波、中波、短波用于广播及其他信号的传播。

(2)微波用于卫星通信、电视等信号传输。

(3)红外线用来加热理疗。

(4)可见光让我们看见这个世界，也可用于通信。

(5)紫外线可以消毒。

(6)X射线用于诊断病情。

(7)γ射线可以摧毁病变的细胞。

从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波，遵循共同的规律，但因波长(或频率)不同又表现出不同的特点。

3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)可见光只是电磁波中的一小部分，可见光不能用来通讯。 (×)

(2)无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播信号的传输。 (√)

(3)微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。 (√)

知识点四　电磁波的能量及电磁波通信

1．电磁波是一种物质，而且具有能量。

2．应用：生活中常用微波炉来加热食物，食物增加的能量是微波给它的。

3．人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物等，这些信息都是通过电磁波来传递的。

4．电磁波的传输：可以通过有线传播，也可实现无线传播。

4：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电磁波不具有能量。 (×)

(2)放在红外线区域的温度计升温很慢。 (×)

(3)电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流。 (√)

1．麦克斯韦电磁场理论要点

(1)变化的磁场产生电场

在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路同样也可以产生电场，如图所示。

(2)变化的电场产生磁场

既然变化的磁场能够产生电场，麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美，大胆地假设：变化的电场会产生磁场。根据麦克斯韦电磁场理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场，如图所示。

2．对麦克斯韦电磁场理论中“变化”的理解

【典例1】　关于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．稳定的电场周围产生稳定的磁场，稳定的磁场周围产生稳定的电场

C．均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场

D．周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场

D　[稳定的电场不能产生磁场，稳定的磁场不能产生电场，A、B错误；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，C错误；根据麦克斯韦电磁场理论，可知周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场，D正确。]

[跟进训练]

1．下列选项图中所示的四种磁场变化情况，能产生如图所示的电场的是(　　)

A　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

C　[由题图可知，产生的电场为匀强电场，根据麦克斯韦的电磁场理论可知，只有磁场随着时间均匀变化，才会产生恒定的电场，故C正确，A、B、D错误。]

考点2　电磁波的特性及应用

1．电磁波的共性

(1)它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义。

(2)都遵守公式c＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s。

(3)它们的传播都不需要介质。

2．不同电磁波的个性及其应用

【典例2】　(多选)下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是(　　)

A．红外线和X射线都有很强的穿透本领，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

D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光

CD　[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γ射线波长最短，其频率最大，C正确；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。]

[跟进训练]

2．下列说法正确的是(　　)

A．只有物体温度较高时才能向外辐射红外线

B．紫外线的主要作用是热作用

C．可见光比红外线的频率大

D．X射线穿透力强，可用来摧毁病变的细胞

C　[任何物体在任何温度下均会向外辐射红外线，A错误；紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用，B错误；可见光的波长小于红外线的波长，故其频率比红外线大，C正确；X射线穿透力强，医学上常用于透视人体，γ射线可以摧毁病变的细胞，D错误。]

考点3　电磁波的能量及通信

1．电磁波的能量

(1)电磁波是物质存在的一种特殊形式

电磁波和我们学过的电场、磁场一样，是一种特殊的物质，不是由分子、原子所组成的，与通常的实物不同，但它是客观存在的，具有通常物质所具有的能量等客观属性。

(2)电磁波具有能量

从场的观点来看，电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波发射的过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播。

(3)电磁波具有的能量跟频率有关

电磁波的能量与传播速度无关，其能量由电磁波的频率决定，频率越高，能量越高。

2．电磁波通信

(1)传播途径

电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以实现无线传播。

有线传播利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息。如台式电脑、电话等，具体的媒介有：光纤、电缆、电话线、网线等。

无线传播仅利用电磁波而不通过线缆传递信息，如收音机、手机、GPS、无线鼠标等。

(2)传输特点

电磁波的频率越高，相同时间传递的信息量越大。由于光的频率比无线电波的频率高得多，因此光缆可以传递大量的信息。

【典例3】　(2021·华中师大一附中期中)5G是“第五代移动通信技术”的简称，目前世界各国正大力发展5G网络。5G网络使用的无线电波通信频率在3.0 GHz以上的超高频段和极高频段，比目前4G及以下网络(通信频率在0.3～3.0 GHz的特高频段)拥有更大的带宽和更快的传输速率。未来5G网络的传输速率(指单位时间传输的数据量大小)可达10 Gbps(bps为bits per second的英文缩写，即比特/秒)，是4G网络的50～100倍。关于5G网络使用的无线电波，下列说法正确的是(　　)

A．在真空中的传播速度更快

B．在真空中的波长更长

C．与4G网络使用的无线电波具有相等的能量

D．频率更高，相同时间传递的信息量更大

D　[无线电波在真空中的传播速度与光速相同，保持不变，其速度与频率没有关系，A错误；由c＝λf，知频率变大，波长变短，B错误；电磁波的频率越高，能量越高，C错误；无线电波频率越高，相同时间内传递的信息量越大，D正确。]

[跟进训练]

3．关于现代通信和电磁波，下列叙述正确的是(　　)

A．光纤通信传输的信息量很大，主要用于无线电广播

B．卫星通信利用人造卫星作为中继站进行通信

C．电磁波的应用对人类有利无害

D．电磁波不能在真空中传播

B　[光纤通信是以光通信，需要用到光导纤维，不是无线传播，A错误；由于微波的性质更接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕行，同时在传输过程中信号存在衰减等，因此人类用通信卫星作中继站，B正确；电磁波的种类很多，长期被一些射线或微波照射会对人体产生危害，C错误；电磁波的传播不需要介质，能在真空中传播，D错误。]

1．第一个用实验验证电磁波客观存在的科学家是(　　)

A．法拉第　　B．奥斯特　　C．赫兹　　D．麦克斯韦

C　[麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C正确。]

2．关于电磁场，下列说法不正确的是(　　)

A．在一个磁铁旁放一带电体，则两者周围空间就形成了电磁场

B．电磁场既不同于静电场，也不同于静磁场

C．电磁场中的电场和磁场是不可分割的一个统一体

D．电磁场中的电场的变化频率和磁场的变化频率是相同的

A　[电磁场是变化的电场和变化的磁场形成的不可分割的统一场，而不是静电场和静磁场简单的复合。所以选项A错。A符合题意。]

3．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，声波不能传递信息

B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同

D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同

B　[声波、电磁波都能传递能量和信息，A错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B正确；可见光属于电磁波，“B超”中的超声波是声波，波速不同，C错误；红外线波长较X射线波长长，D错误。]

4．(多选)电磁波按波长大小的顺序把它们排列成电磁波谱，如图所示，由电磁波谱可知(　　)

A．微波是不可见光

B．红外线可以灭菌消毒

C．紫外线的波长比红外线长

D．X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构

AD　[微波是不可见光，选项A正确；红外线有热作用，紫外线可以灭菌消毒，选项B错误；紫外线的波长比红外线短，选项C错误；X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构，选项D正确。]

5．情境：赫兹的实验：如图所示。

实验现象：当感应线圈的两个金属球间有电火花跳过时，导线环的两个金属小球间也跳过电火花。

问题：(1)当感应线圈的两个金属球间有电火花跳过时，为什么导线环的两个金属小球间也跳过电火花？

(2)该实验在真空中效果更明显，为什么？

[解析]　(1)当感应线圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场，这种电磁场以电磁波的形式在空间传播，在电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙处也产生了火花。

(2)电磁波不需要介质可在真空中传播，电磁波是带有能量的，电磁波在介质中传播时把部分能量传递给了介质，在真空中传播时，没有转移能量的载体，所以不会损耗。

[答案]　见解析

回归本节知识，自我完成以下问题：

实验装置如图所示：

1．线圈中产生了感应电流说明了什么？

提示：麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生了电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流。

2．如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？

提示：有电场、无电流。

3．声波与水波的传播均需要介质，为什么电磁波可以在真空中传播？

提示：电磁波的传播不需要介质，依靠的是电场与磁场的相互“激发”。

4．白光经三棱镜后发生色散，形成光谱，各种色光按波长大小是如何排列的？

提示：各种色光按波长由大到小排列为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

5．电磁波在真空中的传播速度是多少？无线电波的波长比可见光的波长长还是短？除了无线电波和可见光之外，还有其他哪些电磁波？

提示：电磁波在真空中的传播速度等于光速，无线电波的波长比可见光的波长长，电磁波还包括红外线、紫外线、X射线、γ射线。