人教版 (新课标)选修3第十章 热力学定律综合与测试学案

专题18  电磁波（教师版）

一、目标要求

二、知识点解析

1．电磁波的发现

19世纪中叶，英国物理学家麦克斯韦总结前人对电磁波规律的研究，建立了经典电磁场理论．他提出：变化的磁场周围存在电场，变化的电场周围存在磁场，如图1所示．

麦克斯韦预言：若空间中存在周期性变化的磁场，它就会激发出周期性变化的电场；而这个周期性变化的电场又会激发出新的周期性变化的磁场……于是变化的磁场和变化的电场交替出现，由近及远地向周围传播，这样就形成了电磁波．如图2所示，这个预言由德国物理学家赫兹用实验证实．

从图2还可以看出，电场与磁场相互垂直，且均与传播方向垂直，因此电磁波是横波；经赫兹测量证明，电磁波的传播速度为光速c．

2．电磁振荡

(1)LC振荡电路

要产生持续的电磁波，则需要变化的电磁场；要产生变化的电磁场，需要变化的电流；这里介绍一种激发电磁波的装置——LC振荡电路．

如图3所示，单刀双掷开关S先接通1，使电容器充电，之后再接通2．回路中电流、极板所带电荷量以及能量转变如下表所示．

电容器上所带电荷量（上极板）和回路中电流变化（顺时针为正）如图4所示．

因为电容器和线圈的反复充放电，使得回路中出现了周期性变化的交变电流，我们将这种频率很高的交变电流称为振荡电流，因回路中出现了振荡电流，因此LC振荡电路激发了电磁波．若能持续地为振荡电路补充能量，则可以形成稳定的电磁波．

(2)振荡电路的周期和频率

①定义：振荡电路完成一次周期性变化所需时间称为一个周期，1 s内完成周期性变化的振荡次数称为频率，若不计能量损失，也无外界影响，这时的周期和频率也称振荡电路的固有周期和固有频率．

②表达式：，

3．电磁波的应用

(1)电磁波谱

电磁波的波速、频率和波长满足，其中c是真空中的光速．电磁波变化范围很广，按波长或频率大小顺序将电磁波排列成谱，称为电磁波谱，如图5所示．

(2)电磁波的应用

①无线电波：即图5中的长波、中波、短波和微波，长波、中波和短波主要用于通信、广播及其他信号传输；微波可以引起食物中水分子的共振，从而使水分子热运动加剧，食物的温度升高．

②红外线：所有物体都向外辐射红外线，温度越高的物体，红外辐射越强；红外线可以应用于遥感技术，如家庭中电视和空调遥控器等．

③可见光：人眼可以感知的电磁波称为可见光．

④紫外线：太阳光中有许多紫外线，适当地照射太阳光可以促进人体钙的吸收，但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤；紫外线的能量较高，能够破坏细胞核中的物质，因此可以利用紫外线消毒杀菌；某些物质在紫外线照射下会发出荧光，根据这一点可以设计防伪标志．

⑤X射线：X射线对生命物质有较强的作用，长时间照射X射线会引起生物体的病变；X射线能够穿透物质，可以用来检验人体内部器官；工业生产也利用X射线检测金属元件内部缺陷；机场等地安检时利用X射线可以轻易检测出箱内的物品．

⑥γ射线：具有极高的能量，可以破坏生命物质，因此医学上利用γ射线杀伤癌变细胞；γ射线穿透能力极强，也可以检验金属元件内部的缺陷．

三、考查方向

题型1：电磁波的产生和特点

典例一：（多选）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等于真空中的光速

B．电磁波和机械波一样依赖于媒质传播

C．电磁波中每一处电场强度方向和磁感应强度方向总是相互垂直，并且与波的传播方向也垂直

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

题型2：机械波和电磁波的区别

典例二：（多选）关于对机械波和电磁波的认识，以下说法正确的是(　　)

A．机械波和电磁波的传播都需要介质

B．机械波和电磁波在同一种介质中传播的速度是相同的

C．机械波和电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，都具有波的特性

D．机械波可能是横波也可能是纵波，而电磁波都是横波

题型3：电磁振荡和LC振荡电路

典例三：（2020年1月浙江选考）如图所示，单刀双掷开关 S 先打到 a 端电容器充满电。 t  0 时开关 S 打到 b 端，t  0.02s 时， LC 回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则（   ）

A. LC 回路中的周期为0.02s

B. LC 回路中电流最大时电容器中电场能最大

C. t  1.01s 时线圈中磁场能最大

D．t  1.01s 时回路中的电流沿顺时针方向

题型4：电磁波的应用

典例四：（2020高考北京卷）随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（   ）

A.光子能量更大   B.衍射更明显      C.传播速度更大   D.波长更长

四、模拟训练

一、基础练习

1.（多选）关于电磁场和电磁波，正确说法是(　　)

A．电磁波传播速度总是 3×108 m/s

B．电磁波是一种物质，可以在真空中传播

C．电场和磁场总是相互联系，它们统称为电磁场

D．光是一种电磁波

2.（多选）关于电磁波，下列说法中正确的是(　　)

A．电磁波是由不均匀变化的电场和磁场产生的

B．电磁波是横波

C．电磁波不能在真空中传播

D．电磁波在不同介质中传播时的速度大小不变

3.（多选）关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A．电磁波和机械波都可以在真空中传播

B．电磁波和机械波都能产生多普勒效应

C．电磁波中电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性的变化

D．以下三种电磁波按频率由高到低排序为：无线电波、紫外线、γ射线

4.（多选）如图所示的LC振荡电路中，某瞬间电流如箭头所示，且正在增大，则(　　)

A．这时电容器A极板带负电荷，B板带正电荷

B．电容器中电场能正在增加

C．线圈中磁场能正在增加

D．线圈中感应电动势正在减少

5.在LC振荡电路中，用以下的哪种办法可以使振荡频率增大一倍(　　)

A．自感L和电容C都增大一倍

B．自感L增大一倍，电容C减小一半

C．自感L减小一半，电容C增大一倍

D．自感L和电容C都减小一半

6.（多选）图1为LC振荡电路．若规定如图1所示方向为电流的正方向，振荡电路中产生的振荡电流的图象如图2所示．由图象可知(　　)

A．在t1时刻，电容器所带的电荷量最大

B．在t2时刻，电容器内的电场能最大

C．在t3时刻，电感线圈的磁场能最大

D．在t4时刻，电容器两个极板间的电压最大

7.如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻(　　)

A．振荡电流i在增大 

B．电容器正在放电

C．磁场能正在向电场能转化 

D．电场能正在向磁场能转化

8.（多选）LC电路中电容两端的电压u随时刻t变化的关系如图所示，由图可知(　　)

A．在t1时刻，电路中的电流最大

B．在t2时刻，电路的磁场能最大

C．从t2时刻至t3时刻，电路的电场能不断增大

D．从t3时刻至t4时刻，电容器的带电荷量不断增大

9.（多选）对于红外线的产生和作用，下列叙述正确的是(　　)

A．物体都在不停地辐射红外线

B．红外线有很强荧光作用

C．红外线最显著的作用是热作用

D．红外线比紫外线更易穿过烟尘

10.电磁波无处不在，我们身边的广播、电视、移动通信都与电磁波有着密不可分的联系，Wi﹣Fi、非接触式公交卡、导航、雷达、微波加热、射电天文学、遥感遥测也都与电磁波有关．频率是电磁波的一个重要参量，不同频率的电磁波在空中互不干扰，保证了各项无线电应用的顺利开展．例如，我国自主建立的北斗导航系统所使用的电磁波频率约为1561 MHz；家用微波炉加热食物所使用的电磁波频率约为2450 MHz；家用5GWi﹣Fi所使用的电磁波频率约为5725 MHz．对于家用5GWi﹣Fi的信号，下列说法中正确的是(　　)

A．一定不会产生偏振现象

B．从一个房间穿越墙壁进入另一个房间后，频率保持不变

C．与北斗导航信号叠加时，将产生明显的干涉现象

D．与微波炉所使用的微波相比，更容易产生明显衍的射现象

11.利用所学物理知识，可以初步了解常用的公交一卡通(IC卡)的工作原理及相关问题． IC卡内部有一个由电感线圈L和电容C构成的LC振荡电路．公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”的响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波．刷卡时，IC卡内的线圈L中产生感应电流，给电容C充电，达到一定的电压后，驱动卡内芯片进行数据处理和传输．下列说法正确的是(　　)

A．IC卡工作所需要的能量来源于卡内的电池

B．仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时，IC卡才能有效工作

C．若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率，则线圈L中不会产生感应电流

D．IC卡只能接收读卡机发射的电磁波，而不能向读卡机传输自身的数据信息

12.麦克斯韦的电磁场理论指出：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场．电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波．从1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在至今，电磁波已经与我们的生活紧密相关：机场安检门使用频率为7 kHz的电磁波，GPS定位系统使用频率为10.23 MHz(1 MHz=106 Hz)的电磁波，手机工作时使用频率为800﹣1900 MHz的电磁波，无线WiFi使用频率为2.4 GHz(1 GHz=109 Hz)的电磁波，地铁行李安检时使用频率为1018 Hz的电磁波．根据图中给出的电磁波谱和相关信息，下列说法正确的是(　　)

A．手机工作时使用的电磁波是纵波

B．机场安检门使用的电磁波只能在空气中传播

C．地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领

D．无线WiFi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波更容易发生衍射现象

13.微波炉是用微波来加热食品的工具．微波是一种电磁波，它一碰到金属就会发生反射，金属不吸收也不传导微波；微波穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料时几乎不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被食物吸收．微波炉正是利用微波的这些特性来工作的．微波炉的外壳用不锈钢金属材料制成，可以阻挡微波丛炉内逸出，以免影响人们的身体健康．装食物的容器则用绝缘材料制成．微波炉的磁控管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为2450 MHz的微波，这种微波能穿透食物达5 cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物“煮”熟了．根据上述信息，下列说法正确的是(　　)

A．微波炉利用的是电流的热效应加热食品

B．微波炉利用的是电磁感应现象

C．微波炉加热时，不能使用金属容器

D．微波可能是纵波

二、提升练习

1.（2020高考天津卷）新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（  ）

A．红外线的光子能量比紫外线的大

B．真空中红外线的波长比紫外线的长

C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大

D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能

2.（2020年7月浙江选考）在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图所示。下列说法正确的是（    ）

A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线

B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线

C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的

D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的

3.（2020高考江苏物理·多选）电磁波广泛应用在现代医疗中.下列属于电磁波应用的医用器械有（  ）

A.杀菌用的紫外灯                        B.拍胸片的X光机

C.治疗咽喉炎的超声波雾化器              D.检查血流情况的“彩超”机

4.（2018江苏物理·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3×108m/s

5.（全国理综·多选）关于电磁波，下列说法正确的是_____。

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度垂直

D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

6.（北京高考理综）下列说法正确的是（   ）

A.电磁波在真空中以光速c传播                  B.在空气中传播的声波是横波

C.声波只能在空气中传播                        D.光需要介质才能传播

7.（天津理综）我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1~10m范围内，则对该无线电波的判断正确的是（  ）

A. 米波的频率比厘米波频率高

B. 和机械波一样须靠介质传播

C. 同光波一样会发生反射现象

D. 不可能产生干涉和衍射现象

8.（上海物理）各种不同频率范围的电磁波按频率由大到小的排列顺序是（   ）

A. γ射线、紫外线、可见光、红外线

B. γ射线、红外线、紫外线、可见光

C. 紫外线、可见光、红外线、γ射线

D. 红外线、可见光、紫外线、γ射线

典例一

【答案】AC

【解析】A、电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A正确；

B、电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于媒质传播，故B错误；

C、电磁波的变化电场与变化磁场是相互垂直，则是横波，故C正确；

D、电磁波是变化电磁场产生的，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，逐渐向外传播，形成电磁波，故D错误．

典例二

【答案】CD

【解析】A、机械波传播时需要介质，而电磁波的传播不需要介质，故A错误；

B、机械波和电磁波在同一种介质中传播的速度是不相同的，故B错误；

C、机械波和电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，都具有波的特性；故C正确；

D、机械波可能是横波也可能是纵波，而电磁波都是横波；故D正确．

典例三

【答案】C

【解析】 LC 振荡电路工作过程：电容器充满电，将开关拨向线圈，电容器放电，由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，直到放电完毕，电流达到最大值，电场能转化为磁场能； 由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向继续流动，并逐渐减小．电容器反方向充电，到反方向充电完毕，电流减小为零，电容器极板上的电荷量达到最大值，磁场能又全部转化为电场能；此后电容器再放电、再充电。电流－时间图像、电容器带电量－时间图像：所以周期为T  0.04s ，故选 C。

典例四

【答案】A

【解析】5G使用的电磁波频率更高，光子能量E=hv更大，选项A正确；5G使用的电磁波频率更高，波长更短，衍射不明显，选项BD错误；电磁波在真空中速度都是光速c，选项C错误。

五、模拟训练

一、基础练习

1.【答案】BCD

【解析】A、电磁波在真空中传播速度是3×108 m/s，故A错误；

B、电磁场本身就是一种物质，可以不依赖物质传播．故B正确；

C、电场和磁场是相互联系的，它们统称为电磁场．故C正确；

D、光是一种电磁波．故D正确．

2.【答案】AB

【解析】A、变化的电场能产生磁场，变化的磁场能产电场，但非均匀变化电场能生非均匀变化磁场，从而形成电磁波，故A正确；

B、变化的电场与变化磁场相互垂直，因此电磁波是横波，故B正确；

C、电磁波能在真空中传播，故C错误；

D、根据v=，电磁波在不同介质中传播时的速度大小不同，故D错误．

3.【答案】BC

【解析】A、电磁波可以在真空中传播；但机械波只能在介质中传播；故A错误；

B、两种波均可以产生多普勒效应；故B正确；

C、电磁波由交变电磁场相互激发而形成，电磁波中电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性的变化；故C正确；

D、频率最大的γ射线，其次为紫外线，最小的为无线电波；故D错误；

4.【答案】ACD

【解析】A、根据图示电路知，电流在增大，则该LC振荡电路正在放电，电流方向是顺时针，因此A板带负电荷，B板带正电荷．故A正确．

B、因电流正在增大，电场能在减小，故B错误．

C、电流增加，电场能减少，磁场能增加，故C正确；

D、由A可知，处于放电的过程，则电场能转化为磁场能，电流在增大，电容器的两极的电压在减小，所以线圈中电流产生的感应电动势正在减小．故D正确．

5.【答案】D

【解析】A、根据f=，知自感L和电容C都增大一倍，则振荡频率变为原来的一半．故A错误；

B、根据f=，知自感L增大一倍，电容C减小一半，则振荡频率不变．故B错误；

C、根据f=，知自感L减小一半，电容C增大一倍，则振荡频率不变．故C错误；

D、根据f=，知自感L和电容C都减小一半，则振荡频率增大一倍．故D正确．

6.【答案】BCD

【解析】A、在t1时刻，电路中的电流最大，则q最小，说明放电完毕，电容器所带电荷量最小．故A错误；

B、在t2时刻，电路中的电流最小，则q最大，说明刚开始放电，所以电场能最大，故B正确；

C、在t3时刻电路中的电流最大，则q等于0，说明电容器放电完毕，则电场能最小，磁场能量大；故C正确；

D、在t4时刻，电容器上电量最大；故两个极板间的电压最大；故D正确．

7.【答案】C

【解析】通过图示电流方向，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，磁场能正在向电场能转化．故C正确，A、B、D错误．

8.【答案】BC

【解析】A、在时t1时电路中电容器两端的电压最大，故两极板之间的电场最强，电场能最大，根据能量守恒可知此时磁场能量最小，故在时t1时电路中的电流为0，故A错误；

B、在t2时电路中电容器两端的电压为0，两极板之间的电场强度为0，故电场能为0，根据能量守恒可知此时磁场能量最大，故B正确；

C、从t2至t3电容器两端的电压逐渐增大，故两极板之间的电场逐渐增强，则电路的电场能不断增大，故C正确；

D、从时t3至t4，电容器两端的电压逐渐减小，根据Q=CU可知电容器带的电荷量不断减小，故D错误．

9.【答案】AC

【解析】A、一切物体都在不停地辐射红外线，故A正确；

B、紫外线有很强的荧光作用，不是红外线，故B错误；

C、红外线最显著的作用就是热作用，故C正确；

D、红外线和紫外线的波长都比烟尘微粒小很多，波长对散射的影响程度很小，故D错误．

10.【答案】B

【解析】A、电磁波是横波，可以发生偏振现象，故A错误；

B、电磁波的频率由振源决定，从一个房间穿越墙壁进入另一个房间后，频率保持不变，故B正确；

C、只有频率相同的两列光才能发生干涉，Wi﹣Fi信号不会在北斗导航信号叠加时，产生明显的干涉现象，故C错误；

D、家用5GWi﹣Fi所使用的电磁波频率高于微波炉的频率，因此其波长较短，不易发生明显的衍射现象，故D错误．

11.【答案】B

【解析】A、由题意可知，该能量来自于电磁感应，即人刷卡的机械能转化为电能；故A错误；

B、为了使IC卡中的感应电流达最大，应使LC电路产生电谐振，故只有发射特定频率的电磁波时，IC卡才能有效工作；故B正确；

C、若电磁波的频率偏离该频率，L中仍可出现感应电流，但不会达到电谐振；故C错误；

D、IC卡接收到读卡机发射的电磁波，同时将自身数据信息发送给读卡机进行处理；故D错误．

12.【答案】C

【解析】A、手机工作时使用的电磁波均为横波；故A错误；

B、电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播；故B错误；

C、地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领；故C正确；

D、无线WiFi用到的电磁波频率较大，所以其波长较小，故GPS定位系统使用的电磁波比无线WiFi使用的电磁波容易发生衍射现象，故D错误．

13.【答案】C

【解析】微波加热利用的是食物中的水份与微波的频率相接近，从而在微波中发生振动而产生大量的热量使食物发热；故它不是利用电流的热效应以及电磁感应现象工作的；所有的电磁波均为横波；由于金属不传导微波，碰到金属后会发射，因此不能使用金属容器加热食物，故ABD错误，C正确．

二、提升练习

1.【答案】B  

【解析】根据电磁波谱，红外线的频率小于紫外线的频率，真空中红外线的波长大于紫外线的波长，由光子能量公式可知，红外线光子能量小于紫外线光子能量，选项A错误B正确；真空中任何光的传播速度都相等，所以真空中红外线的传播速度等于紫外线的传播速度，选项C错误；由于光是横波，都能够发生偏振现象，所以红外线和紫外线都能够发生偏振现象，选项D错误。

2.【答案】D

【解析】由于一切物体都在不停的辐射红外线，温度越高，辐射的红外线强度越大，所以红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的，选项D正确。

3.【答案】AB

【解析】杀菌用的紫外灯和拍胸片的X光机都属于电磁波应用的医用器械，选项AB正确；而治疗咽喉炎的超声波雾化器和.检查血流情况的“彩超”机，采用的是超声波，属于超声波应用的医用器械，选项CD错误。

4.【答案】AD

【解析】电磁波是横波，可以在真空中传播，可以沿任何方向传播，在真空中的传播速度约为3×108m/s，由于空气的折射率约等于1，所以在空气中的传播速度约为3×108m/s，选项AD正确BC错误。

5.【答案】ABC

【解析】电磁波在真空中传播速度不变，与波长、频率无关，A正确；电磁波的形成即是变化的电场和变化的磁场互相激发得到，B正确；电磁波传播方向与电场方向与磁场方向垂直，C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，E错误。

6.【答案】A

【解析】电磁波在真空中的传播速度等于光速c，选项A正确；在空气中传播的声波是纵波，选项B错误；声波的传播需要介质，可以在空气，液体，和固体中传播，选项C错误；光属于电磁波，其传播不需要介质，可以在真空中传播，选项D错误

7.【答案】C

【解析】所谓米波是指波长为米的数量级的电磁波，厘米波是指波长为厘米的数量级的电磁波，显然米波的波长大于厘米波的波长，由波长与频率、波速关系式λ=c/f可知，米波的频率小于厘米波的频率，选项A错误。无线电波是电磁波，可以在真空中传播，选项B错误。无线电波同光波一样会发生反射现象，可以产生干涉和衍射现象，选项C正确D错误。

8.【答案】A

【解析】各种不同频率范围的电磁波按频率由大到小的排列顺序是：γ射线、紫外线、可见光、红外线，选项A正确。