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设计

电磁波的发现及应用

一、电磁场

1.麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设:

(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场(如图甲所示)。

(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场(如图乙所示)。

2.电磁场:变化的电场和变化的磁场交替产生,形成不可分割的统一体,称为电磁场。

二、电磁波

　如图所示,战争中,天上有卫星,空中有战机,地上有战车,海里有战舰。你知道

是什么把这些战场要素连成一个有机的整体的吗?

提示:是电磁波。战场各个要素通过电磁波互通有无,传递信息,构成一个有机的战场系统。

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.赫兹的电火花:

如图所示,和高压感应线圈相连的抛光金属球间产生电火花时,空间出现了迅速变化的电磁场,这种变化的电磁场以电磁波的形式传到了导线环,导线环中激发出感应电动势,使与导线环相连的金属球间也产生了电火花。这个导线环实际上是电磁波的检测器。

结论:赫兹实验证实了电磁波的存在,检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性。

三、电磁波谱

1.波峰与波谷:在一列水波中,凸起的最高处叫作波峰;凹下的最低处叫作波谷。

2.波长、频率与波速:如图邻近的两个波峰(或波谷)的距离叫作波长,波长用符号λ来表示;波的频率是在1 s内有多少次波峰(或波谷)通过,频率用符号f来表示;波速是用来描述波传播快慢的物理量,波速用符号c来表示。

3.波速、波长、频率三者之间的关系:c=λf,其中c=3×108 m/s。

4.电磁波谱的概念及分类:

(1)概念:按电磁波的波长或频率大小的顺序排列成谱,叫作电磁波谱。

(2)分类:按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

5.电磁波的特点及应用:

(1)无线电波:波长大于1 mm(频率小于300 GHz)的电磁波是无线电波。

①无线电波中的中长短波:广播及其他信号传输。

②无线电波中的微波:卫星通信、电视等。

(2)红外线:

①红外线是一种光波,波长比无线电波短,比可见光长,其主要特点是热效应。

②所有物体都发射红外线,热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。

③红外线主要用于加热理疗、红外遥感和红外高速摄影等。

(3)可见光:可见光的波长在400 nm到760 nm之间,可见光让我们看见这个世界,也可用于通信。

(4)紫外线:

①波长范围在5__nm到370__nm之间,其主要特点是化学效应。 

②具有较高的能量,应用于灭菌消毒,具有较强的荧光效应,用来激发荧光物质发光。

(5)X射线和γ射线:

①X射线频率比紫外线高,穿透力较强,用来检查工业部件有无裂纹或气孔,医学上用于人体透视。

②γ射线频率比X射线还要高,具有很高的能量,穿透力更强,医学上用来治疗癌症,工业上用于探测金属部件内部是否有缺陷。

四、电磁波的应用

1.电磁波具有能量:

(1)可以用仪器探测到电磁波的存在,说明电磁波是一种真实存在的物质。

(2)生活中常常用微波炉来加热食物,说明电磁波具有能量,且电磁波的频率越高,能量越大。

2.电磁波通信:电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输,也可实现无线传输。电磁波的频率越高,相同时间内传递的信息量越大。

3.电视:

(1)摄影机把图像变成电信号。

(2)发射机把电信号加载到频率很高的电磁波上。

(3)发射天线将高频信号发射到空中。

(4)电视机的接收天线把高频信号接收下来。

(5)电视机把图像信号取出并放大。

(6)显像管将图像信号还原为图像。

4.雷达:

(1)雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。

(2)雷达既是电磁波的发射端,又是电磁波的接收端。

(3)原理:雷达用直线性好的微波定位。无线电波的传播速度是c,测出从发射无线电波到接收反射波的时间t,就可以确定障碍物的距离L=。实际上,障碍物的距离等数据由电子电路自动计算并在荧光屏上显示。

5.移动电话:

(1)每一部移动电话都是一个无线电台,同时又相当于一台收音机。

(2)移动电话的体积很小,发射功率不大;它的天线也很简单,灵敏度不高。因此,它与其他用户的通话要靠较大的固定无线电台转接,这种固定的电台叫作基地台或基站。

(1)变化的电场一定产生变化的磁场。 (×)

(2)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。 (×)

(3)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。 (√)

(4)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。 (×)

(5)电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s。 (×)

(6)光也是一种电磁波。

 (√)

知识点一　电磁波的理解

角度1麦克斯韦电磁场理论及其理解

1.麦克斯韦电磁场理论:

(1)变化的磁场周围会产生电场:

麦克斯韦提出,在变化的磁场周围会激发出一种电场,不管有无闭合电路,变化的磁场激发的电场总是存在的,如图所示:

(2)变化的电场周围会产生磁场:麦克斯韦从场的观点得出,即使没有电流存在,只要空间某处的电场发生变化,就会在其周围产生磁场。

2.对麦克斯韦电磁场理论的理解:

(1)观察上面两幅图,变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗?

提示: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)变化的磁场一定能产生电磁波吗?为什么?

提示:不一定,均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场,不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场,如果变化的磁场能产生变化的电场,变化的电场又能产生变化的磁场,才能在周围空间产生电磁波。

【典例1】关于电磁场理论,下列说法正确的是 (　　)

A.在电场周围产生磁场,磁场周围产生电场

B.在变化的电场周围一定产生的磁场,在变化的磁场周围一定产生的电场

C.均匀变化的电场周围一定产生的磁场

D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

【审题关键】

【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。

角度2电磁波的性质

1.电磁波的形成示意图:

2.电磁波的特点:

(1)在传播方向上,任意一点的E和B都随时间周期性变化,E和B彼此垂直,且与电磁波的传播方向垂直。如图

(2)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。

(3)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。

(4)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。

(5)光也是一种电磁波。

空间存在如图所示的电场,那么在空间能不能产生磁场?在空间能不能形成电磁波?

提示:如题图所示的电场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出新的电场,故不会产生电磁波。

【典例2】某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示,能发射电磁波的电场是 (　　)

【解析】选D。图A中电场不随时间变化,不会产生磁场;图B和图C中电场都随时间做均匀的变化,只能在周围产生恒定的磁场,也不会产生和发射电磁波;图D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间产生变化的磁场,而这磁场的变化也是不均匀的,又能产生变化的电场,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,能发射电磁波。

知识点二　电磁波谱的理解

角度1各种电磁波的共性和个性

1.共性:

(1)在本质上都是电磁波,遵循相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。

(2)都遵循公式v=λf,在真空中的传播速度都是c=3×108 m/s。

(3)传播都不需要介质。

2.个性:不同的电磁波由于具有不同的波长(频率),故具有不同的特性。

如图所示为美国最先进的KH—12光学侦察卫星,采用先进的自适应光学成像技术,地面分辨率最高可达0.1米,是美国天基侦查的主力军。那么,你知道它上面携带的相机在夜间进行红外摄像时工作在什么波段吗?该波段有什么特点?

提示:工作在红外线这一波段。该波段的波长大于可见光而小于无线电波,主要效应为热效应,常用于加热理疗、红外遥感摄像等。

【典例1】(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是 (　　)

A.波长不同的电磁波在本质上完全相同

B.电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象

C.电磁波谱的频带很宽

D.电磁波的波长很短,所以电磁波的频带很窄

【解析】选A、C。电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的,只是波长或频率不同而已,其中波长最长的波跟波长最短的波之间的频率相差1020倍,又由波速公式v=λf知,电磁波谱的频带也是很宽的。

角度2不同电磁波的特性及应用

1.电磁波谱图:各电磁波按波长从大到小或频率从低到高可排列成如图电磁波谱。

2.不同电磁波的应用:

　提醒:

(1)波长越长的电磁波频率越低,能量越低,衍射能力越强,穿透力越差。

(2)波长越短的电磁波频率越高,能量越高,衍射能力越弱,穿透力越强。

“光子刀”具有附带损伤小,术后恢复快等特点,被广泛应用于各种恶性肿瘤的治疗中。那么,你知道这种“光子刀”工作在什么波段?该波段有什么特点吗?

提示:这种“光子刀”工作在γ射线波段,该波段频率高 ,能量大,穿透力强,被广泛应用于工业金属探伤、医学肿瘤治疗等领域。

【典例2】关于电磁波的特性和应用,下列说法正确的是 (　　)

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.电磁波频率最大的是γ射线,医学上常用它进行人体透视检查

D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光

【解析】选D。X射线有很强的穿透本领,常用于医学上透视人体,红外线没有,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是γ射线,但其频率太高,辐射太强,不适于进行人体透视检查,C错误,D正确。

1.(多选)关于电磁波的应用,下列说法正确的是 (　　)

A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒

B.工业上利用γ射线检查金属部件内有无砂眼或裂缝

C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线波长短,分辨率高

D.卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,因为红外线穿透能力较强

【解析】选B、C。医院里用紫外线杀菌消毒,A错误;卫星用红外遥感技术拍摄云图照片是利用了一切温度不同的物体都有频率不同的红外辐射的特点,再说红外线穿透能力并不强,故D错误,B、C正确。

2.雷达在搜寻目标时,接收到回波所用时间为1.2×10-4 s,则此目标距雷达 (　　)

A.36 km　　　B.72 km　　　C.18 km　　　D.9 km

【解析】选C。s=c·t=3×105××1.2×10-4 km=18 km,故C正确。

3.(多选)在电磁波中,波长按从长到短排列的是 (　　)

A.无线电波、可见光、红外线

B.无线电波、可见光、γ射线

C.红光、黄光、绿光

D.紫外线、X射线、γ射线

【解析】选B、C、D。电磁波谱按波长从长到短排列顺序依次是无线电波→红外

线→可见光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)→紫外线→X射线→γ射线,由此可

知B、C、D选项正确。

【拓展例题】考查内容:电磁波在生活中的应用

【典例】一雷达站探测敌机时荧光屏上出现的记录图像如图,A是发射时的雷达探索波的脉冲波形,B是敌机反射回来的脉冲波形,则敌机与雷达站的距离是              (　　)

A.9×105 m　　　　　　　    　B. 4.5×105 m

C.3×105 m        D.无法确定

【解析】选B。由题图知两波形相差3×10-3 s ,即敌机与雷达站距离为s=vt=3×108××3×10-3 m=4.5×105 m,故B正确。

如图所示,手机已成为人们普遍使用的通信和娱乐工具。

探究:(1)它是利用________(选填“电磁波”或“超声波”)进行通信的。 

(2)这种波________(选填“能”或“不能”)在真空中传播。 

【解析】(1)手机既是电磁波的发射台,也是电磁波的接收台,它是利用电磁波来传递信息的。

(2)电磁波本身就是物质,故能在真空中传播。

答案:(1)电磁波　(2)能

如图所示,某雷达站正在跟踪一架飞机,此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来。某一时刻雷达发射出一个雷达脉冲波,经过2×10-4 s后收到反射波;隔0.8 s后再发出一个脉冲波,经过1.98×10-4 s收到反射波。

探究:(1)雷达波是超声波还是电磁波?波速为多少?

(2)若雷达波的频率为1.5×1010 Hz,此波的波长为多少?

【解析】(1)雷达波是电磁波,波速为3.0×108 m/s。

(2)根据波长、波速、频率的关系可得: λ== m=2×10-2 m。

答案:(1)电磁波　3.0×108 m/s　(2)2×10-2 m

1.高原上的人皮肤黝黑的原因是 (　　)

A.与高原上人的生活习惯有关

B.与高原上的风力过大有关

C.与高原上紫外线辐射过强有关

D.由遗传基因本身决定的

【解析】选C。高原上的紫外线辐射比平原高很多,而紫外线对皮肤有生理作用,可使皮肤变黑且粗糙。

2.下列说法中正确的是 (　　)

A.各种电磁波中穿透能力最弱的是γ射线

B.红外线有显著的热效应,紫外线有显著的化学作用

C.X射线的穿透本领比γ射线更强

D.低温物体不能辐射红外线

【解析】选B。在各种电磁波中,γ射线的频率最高,穿透能力最强,故A选项错误;频率越高,穿透本领越强,故C选项错误;一切物体都能辐射红外线,故D错误,正确选项为B。

3.在电磁波谱中,红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的频率大小关系是 (　　)

A.红外线的频率最大,可见光的频率最小

B.伦琴射线的频率最大,红外线的频率最小

C.可见光的频率最大,红外线的频率最小

D.伦琴射线的频率最大,可见光的频率最小

【解析】选B。在电磁波谱中,红外线、可见光和伦琴射线(X射线)按照频率从大到小的排列顺序是:伦琴射线(X射线)、可见光、红外线。

4.19世纪中叶,英国物理学家____________系统总结了人类对电磁规律的研究成果,提出了电磁场理论并预言了电磁波的存在,赫兹用实验证实了电磁波的存在。电磁波在日常生产、生活中得到了广泛的应用,某卫星传送电视信号的频率为2.0×109 Hz, 它在真空中的波长为__________m 。 

【解析】预言电磁波存在的物理学家是麦克斯韦;

由v=λf可知:

波长λ== m=0.15 m

答案:麦克斯韦　0.15

【加固训练】

某收音机接收电路中,接收到了波长为500 m的电磁波,则该电磁波的频率为多少?

【解析】由波速公式v=λf知该电磁波的频率

f== Hz=6×105 Hz。

答案:6×105 Hz