第十三章电磁感应与电磁波初步——高二物理期末复习章节知识点精讲精练（人教版2019必修第三册）

第十三章  电磁感应与电磁波初步

第一部分  知识总结

内容1：磁场　磁感线

一、电和磁的联系

1．磁极：自然界中的磁体总是存在两个磁极。

2．磁极间的作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。

3．电流的磁效应

（1）奥斯特实验：通电导线使小磁针偏转。

（2）实验结论：电流可以产生磁场——发现了电流的磁效应。

二、磁场

1．定义：磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用，都是通过磁场发生的。

2．基本性质：对放入其中的磁体或电流有力的作用。

三、磁感线

1．磁场的方向规定：小磁针静止时N极所指的方向。

2．磁感线：用来形象地描述磁场的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致。

3．磁感线的疏密表示磁场的强弱。

四、安培定则

1．直线电流的磁场：右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，如图甲所示。

2．环形电流的磁场：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁场的方向，如图乙所示。

3．通电螺线管的磁场：右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟螺线管电流方向一致，拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁场的方向，或拇指指向螺线管的N极，如图丙所示。

五、安培分子电流假说

1．分子电流假说：安培认为，在物质的内部，存在着一种环形电流，即分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。

2．分子电流假说意义：能够解释磁化以及退磁现象，解释磁现象的电本质。

知识演练

1．磁场中任一点的磁场方向，规定为小磁针在磁场中(　　 )

A．受磁场力的方向               B．北极受磁场力的方向

C．南极受磁场力的方向           D．转动的方向

2．下列关于磁场和磁感线的说法正确的是(　　)

A．磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止，所以是不闭合的

B．磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，是真实存在的

C．磁场和电场一样，也是一种物质

D．磁感线就是细铁屑在磁场周围排列出的曲线

3．一个磁场的磁感线如图所示，一个小磁针被放入磁场中，则小磁针将(　　)

A．逆时针转动，直到S极指向右   B．顺时针转动，直到N极指向右

C．一直顺时针转动

D．一直逆时针转动

4．(多选)如图所示，小磁针的指向正确的是(　　)

A　　　　　　B          C　　　　　　D

5．情境：云层之间闪电的模拟图如图所示，图中B、A是位于南、北方向带有电荷的两块阴雨云，在放电的过程中，两云的尖端之间形成了一个放电通道，发现位于通道正上方的小磁针N极转向纸里，S极转向纸外。

问题：试分析B、A的带电情况？

内容：磁感应强度　磁通量

一、磁感应强度

1．电流元：很短一段通电导线中的电流I与导线长度l的乘积Il。

2．控制变量法探究影响通电导线受力的因素

如图所示，三块相同的蹄形磁铁，并列放在桌上，直导线所在处的磁场认为是均匀的。

（1）保持磁场中导线长度不变，改变电流大小，观察直导线摆动角度大小来比较磁场力大小。

（2）保持电流大小不变，改变磁场中导线长度，通过观察直导线摆动角度大小比较磁场力大小。

（3）实验结论：直导线与磁场垂直时，它受力大小既与导线的长度l成正比，又与导线中的电流I成正比。

3．磁感应强度的大小

在磁场中垂直于磁场方向放置的通电导线，所受的磁场力F跟电流I和导线长度l的乘积Il的比值叫磁感应强度。

4．公式：B＝。

5．单位：国际单位是特斯拉，简称特，国际符号是T,1 T＝1。

二、匀强磁场

1．定义：各点的磁感应强度的大小相等、方向相同的磁场。

2．磁感线特点：间隔相等的平行直线。

三、磁通量

1．定义：匀强磁场中磁感应强度和与磁场方向垂直的平面面积S的乘积，即Φ＝BS。

2．拓展：磁场B与研究的平面不垂直时，这个面在垂直于磁场B方向的投影面积S′与B的乘积表示磁通量。

3．单位：国际单位制是韦伯，简称韦，符号是Wb,1 Wb＝1_T·m2。

4．引申：B＝，表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通量，因此磁感应强度B又叫磁通密度。

知识演练

1．磁感应强度的单位是特斯拉(T)，与它等价的是(　　)

A．　　　　　 B．

C．   D．

2．(多选)与磁场中某点的磁感应强度方向相同的是(　　)

A．该点的磁场方向                          B．通过该点的磁感线的切线方向

C．放在该点的小磁针静止时N极所指的方向    D．放在该点的小磁针静止时S极所指的方向

3．关于磁感应强度B、电流I、导线长度L和电流所受磁场力F的关系，下面的说法正确的是(　　)

A．在B＝0的地方，F一定等于零                 B．在F＝0的地方，B一定等于零

C．若B＝1 T，I＝1 A，L＝1 m，则F一定等于1 N

D．若L＝1 m，I＝1 A，F＝1 N，则B一定等于1 T

4．如图所示，通电直导线右边有一个矩形线框，线框平面与直导线共面，若使线框逐渐远离(平动)通电导线，则穿过线框的磁通量将(　　)

A．逐渐增大 B．逐渐减小

C．保持不变 D．不能确定

5．情境：如图一所示是实验室里用来测量磁感应强度的仪器——电流天平，图二是电流天平的原理，利用该装置测得的数据记录如方框内所示。请你算出通电螺线管中的磁感应强度B的大小。

图一　　　　　　　图二

问题：（1）如图二中通电螺线管内磁场的方向？

（2）如图二通电导体电流的方向与磁场方向垂直，导体受到的磁场力最大，通过如图二方向的电流时，如果受到的磁场力竖直向下，怎样调整电流才能测出磁感应强度？

（3）请你算出通电螺线管中的磁感应强度B的大小。

内容三：电磁感应现象及应用

一、划时代的发现

1．电流的磁效应引起的思考：既然电流能够产生磁场，那么，为什么不能用磁体使导线中产生电流呢？

2．法拉第的探索：经历了长达10年的探索，经历了一次次失败，最终领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。

3．电磁感应：由磁产生电的现象。

4．感应电流：由电磁感应产生的电流。

二、产生感应电流的条件

1．探索感应电流产生的条件

（1）实验装置

（2）实验过程

2.产生感应电流的条件：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。

三、电磁感应现象的应用

1．最早的发电机：法拉第的圆盘发电机。

2．电厂里的发电机、生产和生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据电磁感应制造的。

知识演练

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．发现电磁感应现象的科学家是奥斯特，发现电流磁效应的科学家是法拉第

B．奥斯特的思维和实践没有突破当时人类对电和磁认识的局限性

C．产生感应电流的原因都与变化或运动有关

D．电磁感应现象的发现使人们找到了“磁生电”的方法，开辟了人类的电气化时代

2．一个匝数为n、面积为S的闭合线圈置于水平面上，若线圈内的磁感应强度在时间t内由竖直向下从B1减少到零，再反向增加到B2，则线圈内的磁通量的变化量ΔΦ为(　　)

A．n(B2－B1)S　 B．n(B2＋B1)S

C．(B2－B1)S D．(B2＋B1)S

3．在如图所示的实验中，能在线圈中产生感应电流的情况是(　　)

A．磁铁静止在线圈上方

B．磁铁静止在线圈右侧

C．磁铁静止在线圈里面

D．磁铁插入或抽出线圈的过程

4．如图所示，闭合的矩形线圈abcd放在范围足够大的匀强磁场中，下列哪种情况下线圈中能产生感应电流(　　)

A．线圈向左平移 B．线圈向上平移

C．线圈以ab为轴旋转 D．线圈不动

5．情境：如图所示，一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中。

问题：下列情况下能使圆盘中产生感应电流的是

(a)　　　　　　　　(b)

（1）圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动；

（2）圆盘以某一水平直径为轴匀速转动。

内容四：电磁波的发现及应用

一、电磁场

1．变化的磁场产生电场。

2．变化的电场产生磁场。

3．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。

二、电磁波

1．麦克斯韦的预言

（1）电磁波的预言：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播形成电磁波。

（2）电磁波可以在真空中传播。

（3）光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动，电磁波的速度等于光速。

2．赫兹的贡献：赫兹证实了电磁波的存在，证实了麦克斯韦的电磁场理论。

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。

四、电磁波的能量

1．电磁波具有能量，电磁波是物质存在的一种形式。

2．微波炉加热食物应用了一种电磁波——微波，食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。

3．光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有能量。

五、电磁波通信

1．电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统一的信息通信网络。

2．以互联网为基础的信息服务都是通过电磁波来传递的。

知识演练

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

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

3．关于电磁波，下列说法正确的是 (　　)

A．所有电磁波的频率相同

B．电磁波只能在真空中传播

C．电磁波在任何介质中的传播速度相同   

D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s

4．(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)

A．电视遥控器利用的是红外线

B．医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒

C．利用紫外线的荧光效应可设计防伪措施

D．γ射线波长比X射线波长短

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？

内容五：能量量子化

一、热辐射

1．热辐射：一切物体都在辐射电磁波。

2．热辐射规律：温度越高，热辐射中波长较短的成分越强。

3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。

4．黑体辐射：黑体向外辐射电磁波的现象。

二、能量子

1．普朗克的能量子假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个最小的能量值ε叫作能量子。

2．能量子大小：ε＝hν。

ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。

3．爱因斯坦光子假设：光是由一个个不可分割的能量子组成，这些能量子叫作光子，光子的能量ε＝hν。

三、能级

1．定义：原子量子化的能量值。

2．原子处于能级最低的状态时最稳定，由高能级向低能级跃迁时放出光子。

3．原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于两个能级之差。

4．原子光谱的谱线是一些分立的亮线。

知识演练

1．对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是(　　)

A．温度　　　 B．材料

C．表面状况 D．以上都正确

2．普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是(　　)

A．6.02×10－23 mol B．6.625×10－3 mol·s

C．6.626×10－34 J·s D．1.38×10－16 mol·s

3．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图像中，符合黑体辐射实验规律的是(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　D

4．(多选)2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法正确的是(　　)

A．微波是指波长在10－3 m到10 m之间的电磁波

B．微波和声波一样都只能在介质中传播

C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射

D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说

5．情境：在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用，蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin。

问题：若λmin与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλmin＝2.90×10－3m·K，则老鼠发出的最强的热辐射的波长是多少？

第二部分  专题讲解

专题一：电场线与磁感线的比较

1.相似之处

（1）电场线和磁感线都是为了形象地描述场而引入的假想的曲线，实际上并不存在。

（2）电场线和磁感线都是用来描述场的强弱和方向的，电场线和磁感线切线方向分别表示了电场和磁场的方向。

（3）电场线和磁感线都不能相交。因为如果相交，在相交点就会出现两个切线方向，与电场和磁场中某一确定点的场的方向是唯一的相矛盾。

2．电场线和磁感线的显著区别：电场线起始于正电荷或无穷远，终止于无穷远或负电荷，是非闭合的曲线，而磁感线是闭合的曲线。

【例1】(多选)关于电场线和磁感线的概念，以下说法正确的是(　　)

A．电场线和磁感线都是不封闭的曲线           B．沿着磁感线的方向，磁场越来越弱

C．任意两条电场线或磁感线都不能相交         D．电场线和磁感线的疏密都表示场的强弱

专题二：安培定则的应用及磁场叠加

1.安培定则的“因”和“果”判断磁场的方向

2.磁场的叠加

（1）磁感应强度是矢量，磁场中每一点磁感应强度的方向为该点磁感线的切线方向。

（2）多个通电导体产生的磁场叠加时，合磁场的磁感应强度等于各场源单独存在时在该点磁感应强度的矢量和，叠加时遵循矢量合成法则。

【例2】　如图所示，完全相同的甲、乙两个环形电流同轴平行放置，甲的圆心为O1，乙的圆心为O2，在两环圆心的连线上有a、b、c三点，其中aO1＝O1b＝bO2＝O2c，此时a点的磁感应强度大小为B1，b点的磁感应强度大小为B2。当把环形电流乙撤去后，c点的磁感应强度大小为(　　)

甲　　　　乙

A．B1－　　　 B．B2－

C．B2－B1   D．

【技巧与方法】

1.安培定则的“因”和“果”判断磁场的方向

2.磁场的叠加

（1）磁感应强度是矢量，磁场中每一点磁感应强度的方向为该点磁感线的切线方向。

（2）多个通电导体产生的磁场叠加时，合磁场的磁感应强度等于各场源单独存在时在该点磁感应强度的矢量和，叠加时遵循矢量合成法则。

【例2】　如图所示，完全相同的甲、乙两个环形电流同轴平行放置，甲的圆心为O1，乙的圆心为O2，在两环圆心的连线上有a、b、c三点，其中aO1＝O1b＝bO2＝O2c，此时a点的磁感应强度大小为B1，b点的磁感应强度大小为B2。当把环形电流乙撤去后，c点的磁感应强度大小为(　　)

甲　　　　乙

A．B1－　　　B．B2－        C．B2－B1      D．

专题三：对电磁感应现象的理解及应用

1.判断磁通量变化

2.利用产生电磁感应的条件判断是否产生感应电流

（1）磁通量是否变化。

（2）是否为闭合回路。

二者同时满足才能产生感应电流。

【例3】　上海市某中学的几位同学把一条大约10 m长电线的两端连接在一个灵敏电流计的接线柱上，形成闭合导体回路。甲、乙两位同学沿南北方向站立匀速摇动电线时，灵敏电流计的示数I1，两位同学沿东西方向站立匀速摇动电线时，灵敏电流计的示数I2，则(　　)

A．I1＝0，I2≠0　 B．I1≠0，I2＝0

C．I1≠0，I2≠0 D．I1＝0，I2＝0

【技巧与方法】

只要闭合回路的磁通量发生变化，回路中就有感应电流。