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高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 初识电磁波及其应用学案及答案
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第3节 初识电磁波及其应用
第4节 初识光量子与量子世界
学习目标：1.[物理观念]知道电磁波的概念及电磁波的产生原理，知道光是一种电磁波，光的能量是不连续的，能解释相关的自然现象。2.[科学思维]理解电磁波的产生原理，了解电磁波的应用和电磁污染及防护，具有与光的量子化有关的能量观念。3.[科学探究]能上网查询，提出与电磁场、电磁波、光子等相关的问题，能根据实验现象形成结论，能主动与他人交流实验过程与结果。4.[科学态度与责任]能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，能理性讨论电磁污染及其防护问题。通过对场的认识，能体会人类对自然界的认识是不断发展的。
一、电磁波及其应用
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．麦克斯韦提出了电磁场理论，赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
3．电磁波的应用 电磁污染及防护
(1)1901年，马可尼成功地进行了跨越大西洋的无线电通信，实现了人类历史上第一次远距离无线电通信。1906年，美国物理学家费森登(R.Fessenden,1866—1932)进行了人类历史上第一次无线电广播。
(2)手机通话是靠一种特殊的无线通信系统来实现的。
(3)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。随着无线电技术、微波技术的迅速发展和普及，地面电磁辐射的密度和功率大幅度增加，电磁污染已成为一种威胁人类健康的无形污染。
说明：电磁波是一种客观存在的物质，具有能量。
二、光量子与量子世界
德国物理学家普朗克最早提出量子假说，量子假说认为，物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍。
E＝nε(n＝1,2,3，…)
辐射是由一份份的能量组成的，就像物质是由一个个原子组成的一样。一份能量就是一个能量子，能量子的能量ε与频率ν成正比。
ε＝hν
式中，h＝6.626 176×10－34 J·s。这是普朗克引进的一个物理普适常量，称为普朗克常量。
注意：能量子：不可再分割的最小能量值。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在。(×)
(2)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场。(×)
(3)雷达是通过接收障碍物发出的电磁波来确定物体位置的。(×)
(4)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)
2．下列说法中正确的是( )
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
C [根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。故C正确。]
3．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是( )
A．人的个数 B．物体所受的重力
C．物体的动能D．物体的长度
A [依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误。]
试探究：(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？
(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？
提示：(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)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。
1．变化的磁场产生电场
如图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关。导体环的作用只是用来显示电流的存在。
2．变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论，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)。
3．变化的磁场产生电场
(1)均匀变化的磁场产生恒定的电场。
(2)非均匀变化的磁场产生变化的电场。
(3)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。
4．变化的电场产生磁场
(1)均匀变化的电场产生恒定的磁场。
(2)非均匀变化的电场产生变化的磁场。
(3)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。
【例1】 关于电磁场理论的叙述，不正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的整体，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场
思路点拨：(1)相互激发的变化的电场与磁场的频率相等
(2)交替变化的电磁场是一个整体
D [
故D符合题意。]
在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，静磁场也不产生电场，还要注意根据电场或磁场的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场或电场。
eq \([跟进训练])
1．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( )
A B C D
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，即电磁场，能交替发射电磁波，D正确。]
普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中的我们对能量的认识有什么不同？
提示：宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小，宏观变化中有大量的能量子，就可以看作是连续的。而研究微观粒子时，单个的能量子能量就显示出不连续性。
1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。
2．在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。
【例2】 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( )
A．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收
B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射和吸收的能量是量子化的
思路点拨：(1)吸收和辐射能量只能是一份一份的。
(2)能量是量子化的，不连续的。
ABD [带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误。]
1带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍
2当辐射或吸收能量时，也是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。
3在微观世界中能量是量子化的。
eq \([跟进训练])
2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是( )
A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C．能量子与电磁波的频率成正比
D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
BC [由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确。]
1．物理观念：电磁场、电磁波、光的量子化、ε＝hν。
2．科学思维：理解电磁波的产生原理并能解释相关现象，掌握能量子，初识量子世界。
3．科学方法：实验法、假设法、计算法等。
1．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波由电磁场发生区域向远处传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为c
C．电磁波在真空中传播时，传播速度为c
D．光是一种电磁波
ACD [电磁波由电磁场发生区域向远处传播，电磁波在真空中的传播速度为c，故选项A、C、D正确。]
2．(多选)下列说法正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．恒定电流能够在周围空间产生恒定的磁场
C．恒定电场能够在周围空间产生恒定的磁场
D．均匀变化的电场能够在周围空间产生恒定的磁场
ABD [变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为恒定电场和变化的电场(如运动电荷形成的电场)，恒定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故C错误，D正确；恒定电流周围存在恒定磁场，B正确。]
3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感应电场的是( )
C [A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做正弦式变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。]
4．下列关于电磁波的说法，正确的是( )
A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B．电场随时间变化时，一定产生电磁波
C．做变速运动的电荷会产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
C [只有变化的电场和磁场，才能激发电磁波，而稳定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；均匀变化的电场，产生恒定的磁场，但是恒定的磁场不能产生电场，故不能产生电磁波，B错误；做变速运动的电荷会在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；赫兹证实了电磁波的存在，D错误。]
5．人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，已知c＝λν，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是多少？
[解析] 因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝eq \f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq \f(c,λ)，可解得P＝eq \f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9) W≈2.3×10－18 W。
[答案] 2.3×10－18 W麦克斯韦电磁场理论
光的量子化与量子世界
第3节 初识电磁波及其应用
第4节 初识光量子与量子世界
学习目标：1.[物理观念]知道电磁波的概念及电磁波的产生原理，知道光是一种电磁波，光的能量是不连续的，能解释相关的自然现象。2.[科学思维]理解电磁波的产生原理，了解电磁波的应用和电磁污染及防护，具有与光的量子化有关的能量观念。3.[科学探究]能上网查询，提出与电磁场、电磁波、光子等相关的问题，能根据实验现象形成结论，能主动与他人交流实验过程与结果。4.[科学态度与责任]能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，能理性讨论电磁污染及其防护问题。通过对场的认识，能体会人类对自然界的认识是不断发展的。
一、电磁波及其应用
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．麦克斯韦提出了电磁场理论，赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
3．电磁波的应用 电磁污染及防护
(1)1901年，马可尼成功地进行了跨越大西洋的无线电通信，实现了人类历史上第一次远距离无线电通信。1906年，美国物理学家费森登(R.Fessenden,1866—1932)进行了人类历史上第一次无线电广播。
(2)手机通话是靠一种特殊的无线通信系统来实现的。
(3)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。随着无线电技术、微波技术的迅速发展和普及，地面电磁辐射的密度和功率大幅度增加，电磁污染已成为一种威胁人类健康的无形污染。
说明：电磁波是一种客观存在的物质，具有能量。
二、光量子与量子世界
德国物理学家普朗克最早提出量子假说，量子假说认为，物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍。
E＝nε(n＝1,2,3，…)
辐射是由一份份的能量组成的，就像物质是由一个个原子组成的一样。一份能量就是一个能量子，能量子的能量ε与频率ν成正比。
ε＝hν
式中，h＝6.626 176×10－34 J·s。这是普朗克引进的一个物理普适常量，称为普朗克常量。
注意：能量子：不可再分割的最小能量值。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在。(×)
(2)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场。(×)
(3)雷达是通过接收障碍物发出的电磁波来确定物体位置的。(×)
(4)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)
2．下列说法中正确的是( )
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
C [根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。故C正确。]
3．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是( )
A．人的个数 B．物体所受的重力
C．物体的动能D．物体的长度
A [依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误。]
试探究：(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？
(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？
提示：(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)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。
1．变化的磁场产生电场
如图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关。导体环的作用只是用来显示电流的存在。
2．变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论，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)。
3．变化的磁场产生电场
(1)均匀变化的磁场产生恒定的电场。
(2)非均匀变化的磁场产生变化的电场。
(3)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。
4．变化的电场产生磁场
(1)均匀变化的电场产生恒定的磁场。
(2)非均匀变化的电场产生变化的磁场。
(3)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。
【例1】 关于电磁场理论的叙述，不正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的整体，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场
思路点拨：(1)相互激发的变化的电场与磁场的频率相等
(2)交替变化的电磁场是一个整体
D [
故D符合题意。]
在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，静磁场也不产生电场，还要注意根据电场或磁场的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场或电场。
eq \([跟进训练])
1．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( )
A B C D
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，即电磁场，能交替发射电磁波，D正确。]
普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中的我们对能量的认识有什么不同？
提示：宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小，宏观变化中有大量的能量子，就可以看作是连续的。而研究微观粒子时，单个的能量子能量就显示出不连续性。
1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。
2．在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。
【例2】 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( )
A．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收
B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射和吸收的能量是量子化的
思路点拨：(1)吸收和辐射能量只能是一份一份的。
(2)能量是量子化的，不连续的。
ABD [带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误。]
1带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍
2当辐射或吸收能量时，也是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。
3在微观世界中能量是量子化的。
eq \([跟进训练])
2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是( )
A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C．能量子与电磁波的频率成正比
D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
BC [由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确。]
1．物理观念：电磁场、电磁波、光的量子化、ε＝hν。
2．科学思维：理解电磁波的产生原理并能解释相关现象，掌握能量子，初识量子世界。
3．科学方法：实验法、假设法、计算法等。
1．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波由电磁场发生区域向远处传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为c
C．电磁波在真空中传播时，传播速度为c
D．光是一种电磁波
ACD [电磁波由电磁场发生区域向远处传播，电磁波在真空中的传播速度为c，故选项A、C、D正确。]
2．(多选)下列说法正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．恒定电流能够在周围空间产生恒定的磁场
C．恒定电场能够在周围空间产生恒定的磁场
D．均匀变化的电场能够在周围空间产生恒定的磁场
ABD [变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为恒定电场和变化的电场(如运动电荷形成的电场)，恒定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故C错误，D正确；恒定电流周围存在恒定磁场，B正确。]
3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感应电场的是( )
C [A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做正弦式变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。]
4．下列关于电磁波的说法，正确的是( )
A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B．电场随时间变化时，一定产生电磁波
C．做变速运动的电荷会产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
C [只有变化的电场和磁场，才能激发电磁波，而稳定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；均匀变化的电场，产生恒定的磁场，但是恒定的磁场不能产生电场，故不能产生电磁波，B错误；做变速运动的电荷会在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；赫兹证实了电磁波的存在，D错误。]
5．人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，已知c＝λν，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是多少？
[解析] 因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝eq \f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq \f(c,λ)，可解得P＝eq \f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9) W≈2.3×10－18 W。
[答案] 2.3×10－18 W麦克斯韦电磁场理论
光的量子化与量子世界
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