高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第四章 电磁振荡与电磁波4 电磁波谱学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第四章 电磁振荡与电磁波4 电磁波谱学案，共9页。学案主要包含了加固训练，拓展例题，解题指南等内容，欢迎下载使用。

电磁波谱
在我们身边到处都有电磁波的影子，它的应用更是比比皆是。下面列出的设备中工作时所发出的波，哪些属于电磁波？
（1）微波炉加热食物时发出的波。
（2）电视发射塔发出的波。
（3）互联网光缆中传播的波。
（4）电视机遥控器发出的波。
提示：均属于电磁波。
1.概念：
按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱。
2.电磁波谱的排列：
按波长由长到短依次为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
3.不同电磁波的特点及应用：
4.电磁波的能量：
各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波，说明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。
5.太阳辐射的特点：
太阳辐射的能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，在眼睛最敏感的黄绿光附近，辐射的能量最强。
（1）电磁波按照频率由高到低依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。（×）
（2）电磁波的波长越长，相同时间传递的信息量越大。（×）
（3）太阳辐射的能量集中在红外线、可见光、紫外线三个区域。（√）
（4）各种电磁波在本质上是一样的，都能够发生反射、折射、衍射和干涉。（√）
（5）X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变。（√）
关键能力·合作学习
知识点一 各种电磁波的特性
1.电磁波谱及其特性：
2.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v＝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。
（4）它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。
3.电磁波的个性：
（1）不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长越容易产生干涉、衍射现象，波长越短穿透能力越强。
（2）同频率的电磁波，在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，传播速度越小。
（1）为了避免敌军的雷达发现我们战机的行踪，人们研制了隐形战机。我们用肉眼能不能看到隐形战机？为什么？
提示：能看到。隐形战机不反射敌方雷达的探测波，对雷达“隐形”。但可以反射可见光，肉眼能直接看到。
（2）红外线的频率比可见光的频率高还是低？根据电磁波谱上的位置说说它为什么叫红外线？用肉眼能不能观察到红外线？
提示：红外线的频率低于可见光。在电磁波谱上红外线处在可见光红光的外侧，所以叫红外线。红外线不属于可见光，用肉眼不能观察到红外线。
【典例】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，最容易发生衍射现象
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
【解析】选D。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，其波长最短，最不容易发生衍射，C错误；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。
电磁波的特点和应用
牢记电磁波谱中不同的电磁波（如红外线、紫外线、X射线、γ射线）的特点和应用，以及电磁波谱中波长、频率的变化规律，如频率越高，波长越短，穿透性越强，波动性越弱；频率越低，波长越长，衍射现象越明显，波动性越强，穿透性越弱。
1.（多选）关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）
A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波
B．红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的
C．伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的
D．红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线
【解析】选A、B。波长越长的无线电波波动性越显著，干涉、衍射现象易发生；从电磁波产生的机理可知γ射线是原子核受激发后产生的，红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的；不论物体温度高低如何，都能辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强。选项A、B正确。
2.（2021·辽阳高二检测）关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是（ ）
A．发射无线电波时需要对电磁波进行调制和解调
B．电视机的遥控器发射紫外线
C．电磁波中频率最大的为γ射线，用它最容易观察到衍射现象
D．雷达使用微波是因为微波波长较短能沿直线传播
【解析】选D。发射无线电波时，需要对电磁波进行调制，而解调是接收电磁波的过程，故A错误；电视机的遥控器发射红外线，故B错误；γ射线波长最小，所以不容易观察到衍射现象，故C错误；雷达使用微波是因为微波波长较短能沿直线传播，D正确。
【加固训练】
关于电磁波下列说法正确的是（ ）
A．麦克斯韦通过实验验证了“变化的电场产生磁场”和“变化的磁场产生电场”，并证实了电磁波的存在
B．医院里常用X射线照射病房和手术室进行消毒
C．一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关
D．电磁波的传播需要介质，其在介质中的传播速度等于光速
【解析】选C。麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证明了电磁波的存在且测得了波速，A错误；X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，对人体有辐射，故不能用来消毒，B错误；我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，C正确；电磁波本身就是一种物质，传播不需要介质，电磁波在真空中的传播速度等于光速， D错误；故选C。
【拓展例题】考查内容：电磁波与机械波的比较
【典例】（多选）关于机械波与电磁波，下列说法正确的是（ ）
A．电磁波传递信号可以实现无线通信，但不能通过电缆、光缆传输
B．电磁波可以发生衍射现象和偏振现象
C．简谐机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高，则波传播速度越大
D．紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度
【解析】选B、D。光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，故A错误；衍射是一切波都具有的现象，电磁波是横波，只要是横波就能发生偏振现象，故B正确；简谐机械波的传播速度取决于介质与振动的频率无关，故C错误；对同一介质紫外线比红外线的折射率大，故紫外线比红外线在水中的传播速度小，故D正确；故选B、D。
情境·模型·素养
在电视节目中，我们经常看到主持人与被派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”。
探究：
（1）为什么会慢“半拍”？
（2）如果地面上有两个手持卫星电话的人通过同步卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话？（已知地球的质量为6.0×1024 kg，地球半径为6.4×106 m，引力常量为6.67×10－11 N·m2·kg－2）
【解析】（1）主持人与记者之间通话的慢“半拍”是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的。
（2）利用电磁波传递信息是需要时间的，设同步卫星高度为H，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即 eq \f(GMm,（R＋H）2) ＝m eq \f(4π2,T2) （R＋H），H＝ eq \r(3,\f(GMT2,4π2)) －R＝3.6×107 m，则一方讲话另一方听到所需的最少时间是t＝ eq \f(2H,c) ＝0.24 s。
答案：（1）电磁波传递信息也是需要时间的 （2）0.24 s
科学技术是一把双刃剑。电磁波的应用也是这样，它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染。频率超过0.1 MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁。按照有关规定，人体所受到的电磁辐射强度（即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量）不得超过某一规定值Ie。已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P，设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波，且电磁波在传播过程中无能量损失。由数学知识可知，球面的面积S＝4πr2（式中r为球半径），球半径与球面总是垂直的。
探究：
根据上述资料，可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为多少时，人体所受的电磁辐射强度才不会超过规定值？
【解析】设人到发射电磁波处的距离为r，以发射电磁波处为球心，以r为半径作一球面，若球面上电磁波的辐射强度为Ie，则4πr2Ie＝P，所以r＝ eq \r(\f(P,4πIe)) ，即人离波源的距离至少为 eq \r(\f(P,4πIe)) 才是安全区。
答案： eq \r(\f(P,4πIe))
课堂检测·素养达标
1.电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了，下面正确的是（ ）
A．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领
B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线
C．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应
D．手机通话使用的微波，波长比可见光短
【解析】选A。机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领；故A正确；遥控器采用的是红外线不是紫外线；故B错误；微波炉是利用了微波的频率与食物中水的频率相接近，从而使水振动而发热的；故C错误；手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光；故D错误；故选A。
2.现代军事行动中，士兵都配戴“红外夜视仪”，在夜间也能看清目标，主要是因为（ ）
A．“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体
B．一切物体均在不停地辐射红外线
C．一切高温物体均在不停地辐射红外线
D．“红外夜视仪”发射出γ射线，被射物体受到激发而发出红外线
【解析】选B。一切物体都在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出来的红外线不同，采用红外线接收器，可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，确认出目标可以采取有效的行动，故B符合题意。
3.（多选）关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）
A．在真空中各种电磁波的传播速度都相同
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线
【解析】选A、B。电磁波在真空中的速度都为3.0×108 m/s，故A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，而波长越大，波动性越强，越容易发生干涉、衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象，无线电波最容易发生衍射现象，故C、D错误。
【加固训练】
（多选）下列说法中正确的是（ ）
A．新冠肺炎诊断中，要用X光扫描肺部，是因为在电磁波中X光的穿透能力最强
B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以减弱玻璃的反射光
C．泊松亮斑是光通过圆孔发生衍射时形成的
D．一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关
【解析】选B、D 。医院用X光进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力较强的，γ射线穿透能力最强，故A错误；玻璃表面的反射光是偏振光，拍摄玻璃橱窗内的物品时，加偏振片的作用是减弱玻璃表面的反射光的强度，故B正确；泊松亮斑是光通过不透明的小圆盘发生衍射时形成的，故C错误；一切物体都在辐射红外线，红外线属于电磁波，这种辐射与物体的温度有关，故D正确。故选B、D。
4.太阳表面温度约为6 000 K，主要发出可见光； 人体温度约为310 K，主要发出红外线；宇宙间的温度约为3 K，所发出的辐射称为“3 K背景辐射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热。若要进行“3 K背景辐射”的观测，应该选择的波段是（ ）
A．无线电波 B．紫外线 C．X射线 D．γ射线
【解析】选A。电磁波谱按波长由长到短的顺序排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。由题意知物体温度越高，其发出的电磁波的波长越短，宇宙间的温度约为3 K， 则其发出的电磁波的波长应在无线电波波段，A正确。
5.某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4 s，某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图（a）所示，t＝173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图（b）所示，雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10－4 s，电磁波的传播速度为c＝3×108 m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？
【解题指南】解答本题时应注意以下两点
（1）战斗机与雷达的位置关系；
（2）战斗机和雷达的距离与飞机位移的关系。
【解析】由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4 s，（a）图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4 s，（b）图时间间隔t2＝1×10－4 s，所以第一次战斗机位置距雷达的距离为s1＝c× eq \f(t1,2) ＝6.0×104 m，第二次战斗机在雷达正上方，所以战斗机高度h＝c× eq \f(t2,2) ＝1.5×104 m，所以173 s内战斗机飞行的水平距离为s＝ eq \r(s eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) －h2) ＝5.8×104 m，所以v＝ eq \f(s,t) ＝335 m/s。
答案：335 m/s特点
用途
无线
电波
波动性强
广播和通讯，天体卫星研究
红外线
热作用强
红外线摄影
红外线遥感
可见光
感光性强
复色光波长
（红）（紫）
（频率）
没有大气；天空蓝色 eq \(――→,\s\up7(原因)) 短波散射；傍晚阳光红色 eq \(――→,\s\up7(原因)) 短波吸收
紫外线
化学作用
荧光效应
灭菌消毒，促进人体对钙的吸收，利用荧光效应防伪
X射线
穿透力强
检查、探测、透视、治疗
γ射线
穿透力最强
治疗疾病、探测金属部件内部缺陷
电磁
波谱
无线
电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
波长
大于
1 mm
大于
760 nm
760～
400 nm
370～
5 nm
波长更短
波长最短
宏观产
生机理
LC电路
一切物体
都不停地
发射红
外线
太阳或
光源
高温物体
发出的光
含有紫
外线
高速粒子
流撞击固
体物质时
产生
核辐射
微观
产生
机理
振荡电路
中的电子
运动
原子的外层电子受到激发
原子内层
电子受到
激发
原子核
受到激发
主要
特征
波动
性强，
易衍射
热作用强
引起
视觉、
感光作用
化学
作用、
荧光效应
穿透能
力强
穿透能力
最强
主要
用途
通信、广
播、导航
加热、遥
测、遥感、
红外摄
影、夜视
照明、
照相
日光灯、
灭菌消毒
检查、探
测、透视
探测、
医疗