高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 电磁场与电磁波学案

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1．了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点，知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。
2．体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及方法，领会物理实验对物理学发展的基础意义。
知识点一 电磁场
[情境导学]
如图所示，磁铁相对闭合线圈向下运动时，闭合线圈中的自由电荷做定向移动，是受到什么力的作用？这能否说明变化的磁场产生了电场？如果没有导体，情况会怎样？
提示：(1)说明电荷受到电场力的作用。
(2)能说明变化的磁场产生了电场。
(3)没有导体，该处仍会产生电场。
[知识梳理]
1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设
(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着，形成一个不可分割的统一的电磁场。
[初试小题]
1．判断正误。
(1)在电场周围，一定存在着和它联系着的磁场。(×)
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。(×)
(3)在电容器充、放电的过程中，电容器两极板间周期性变化的电场会产生磁场。(√)
(4)变化的电场和磁场是相互联系的。(√)
2．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，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，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．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
解析：选D 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恒定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场。
知识点二 电磁波
[情境导学]
变化的磁场和变化的电场形成不可分离的统一体——电磁场，它会由近及远地向外传播，它的传播需要介质吗？它传播的速度是多大？
提示：它是通过变化的磁场与变化的电场之间的相互“感应”而传播到远处，所以电磁场的传播不需要介质，它在真空中传播的速度等于光速。
[知识梳理]
1．电磁波的产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。
2．电磁波的特点
(1)电磁波的传播靠的是电和磁的相互“感应”，而不是靠介质的机械传递。
(2)电磁波在真空中的传播速度等于光速c，光是电磁波。
(3)电磁波的电场强度E与磁感应强度B互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直。
(4)电磁波能发生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
(5)电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，电磁波传播过程就是能量传播过程。
[初试小题]
1．判断正误。
(1)电磁波不能在真空中传播。(×)
(2)电磁波是横波。(√)
(3)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。(√)
(4)电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换。(√)
2．[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3×108 m/s
解析：选AD 电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，既能在真空中传播，也能在介质中传播。电磁波产生后，可以在任意方向传播。电磁波在空气中的传播速度约为3× 108 m/s。综上所述选项A、D正确。
[问题探究]
电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？
提示：电磁振荡电路中周期性变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，就形成了电磁波。
[要点归纳]
对麦克斯韦电磁场理论的理解
[例题1] [多选]如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R；有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中。要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是( )
A．匀强磁场
B．均匀增加的磁场
C．均匀减少的磁场
D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子运动
[解析] 恒定的磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，使其沿管做圆周运动，选项B、C正确。
[答案] BC
(1)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的。
(2)①振荡电场(即周期性变化的电场)产生同频率的振荡磁场。
②振荡磁场(即周期性变化的磁场)产生同频率的振荡电场。
[针对训练]
1．某一固定面的磁通量随时间的变化图像如图所示，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是( )
A．逐渐增强 B．逐渐减弱
C．不变D．无法确定
解析：选C 由图像可知磁通量Φ随时间t均匀变化，而Φ＝BS，所以磁场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知C正确。
2．如图所示的四种变化电场，能发射电磁波的是( )
解析：选D 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，产生恒定的磁场，也不能形成电磁波；图D是周期性变化的电场，会产生同频率周期性变化的磁场，能形成电磁场，向外发射电磁波，选项D正确，A、B、C错误。
[问题探究]
赫兹实验所用的感应圈是一种利用电磁感应产生数千伏高电压的实验装置，当电火花在感应圈两个金属球间跳动时，旁边导线环两个小球间也有电火花跳动，请你解释这种现象。
提示：当火花在感应圈两个金属球间跳动时，必定建立一个快速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间快速传播，当电磁波经过导线环时，迅速变化的电磁场在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的两个小球间也产生了火花。
[要点归纳]
1．对电磁波的理解
(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，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。
2．电磁波与机械波的比较

[例题2] [多选]以下关于机械波与电磁波的说法正确的是( )
A．机械波和电磁波，本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关
C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
[解析] 机械波由机械振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波传播需要介质，速度由介质决定，电磁波在介质中传播时其波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波；它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象。故选项B、C、D正确。
[答案] BCD
机械波与电磁波都属于波，在波的特性上是相同的，但在产生机理上是不同的。
[针对训练]
1．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远小于真空中的光速
B．电磁波可以发生衍射现象
C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播
D．随着科技的发展，可以实现利用机械波从太空向地球传递信息
解析：选B 电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波的一种，能够发生衍射现象等波特有的现象，故B正确；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，不能在真空中传播，故C、D错误。
2．电磁波与机械波相比较，下列说法不正确的是( )
A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需在介质中
B．电磁波与机械波的波动频率都由波源确定
C．电磁波、机械波都能发生衍射和干涉现象
D．电磁波、机械波都包括横波和纵波
解析：选D 电磁波是横波，而机械波有横波(例如绳波)有纵波(例如声波)，所以D符合题意，A、B、C不符合题意。
1．[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．周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，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
解析：选ABC 恒定的电场周围不存在磁场，恒定的磁场周围不存在电场，所以D错误。
2．[多选]根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述中正确的是( )
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．打点计时器工作时周围必有磁场和电场
C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场激发恒定的电场
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：选ABD 日光灯、打点计时器都通有交流电，交流电周围存在周期性变化的磁场，周期性变化的磁场会激发电场，所以A、B正确。恒定的电场不激发磁场，恒定的磁场不激发电场，所以C错误。根据麦克斯韦电磁场理论，选项D正确。
3．有关电磁波和声波，下列说法错误的是( )
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
C．电磁波是横波，声波也是横波
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长
解析：选C 电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故选项A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故选项B正确；电磁波的传播方向与电场、磁场的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故选项D正确。
4．[多选]下列关于电磁波的说法中，正确的是( )
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：选AC 电磁场以电磁波的形式向远处传播。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。从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变化。由真空进入介质传播时，波长将变短。只有周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波。故选A、C。
5．[多选]应用麦克斯韦电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)正确的是( )
解析：选BC A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，故A错误；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，故B正确；C图中的上图是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，当磁感应强度的变化率最大时，感应电场最强。，故C正确；D图的上图是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，当电场强度的变化率最大时，则感应磁场应最强，故D错误。
电磁场
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场
振荡磁场产生同频率的振荡电场
电磁波
机械波
电磁波
研究对象
力学现象
电磁现象
周期性
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况
传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关
传播无需介质，在真空中波速等于光速c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关
产生机理
由质点(波源)的振动产生
由电磁振荡激发(下节内容)
是横波还是纵波
可能是横波，也可能是纵波
横波
干涉和衍射
可以发生干涉和衍射