人教版 (2019)必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步综合与测试学案及答案

4　电磁波的发现及应用

[课标引领]

一、电磁场

麦克斯韦根据什么认为“变化的磁场产生电场”?关于“变化的电场产生磁场”的观点,他是在什么情况下提出的?

答案:麦克斯韦在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的,他相信磁场和电场有对称之美。他认为:既然变化的磁场能够在空间产生电场,那么变化的电场也能够在空间产生磁场。

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

电子感应加速器是用来获得高速电子的装置,其基本原理如图所示,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电磁铁线圈中通入变化的电流,真空室中的带电粒子就会被加速,其速率会越来越大。请思考:带电粒子受到什么力的作用而被加速?如果线圈中通以恒定电流会使粒子加速吗?这个现象告诉我们什么道理?

答案:带电粒子受到静电力作用做加速运动。线圈中通入恒定电流时,电磁铁产生的磁场恒定,不会产生电场,带电粒子不会被加速。变化的磁场能产生电场。

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:赫兹通过实验捕捉到了电磁波,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输。

(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

试举例说明哪些现象表明电磁波具有能量。

答案:放在红外线区域的温度计升温很快;γ射线具有很强的贯穿能力等。

1.电磁波具有能量,电磁波是物质存在的一种形式。

2.应用: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。

3.电磁波携带的信息,既可以有线传播,也可以无线传播。

1.判断

(1)稳定的磁场产生稳定的电场。(　×　)

(2)电磁波的传播不需要介质。(　√　)

(3)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(　×　)

2.电磁场与静电场、磁场相同吗?

答案:不同,电磁场是动态的,并且电场和磁场不可分割;静电场、磁场单独存在。

3.中国航天员曾在“天宫一号”目标飞行器为中小学生授课。思考一下,授课的视频是怎样传到地面上的?

答案:通过电磁波来传递信号。

探究点一　对麦克斯韦电磁场理论的理解

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?

答案:图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。

1.对麦克斯韦电磁场理论的理解

2.电磁场的产生

如果在空间某处有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场,这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。

3.电磁波

变化的电场和变化的磁场总是交替产生的,并且由发生的区域向周围空间传播。电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波。

4.赫兹发现了电磁波

1886年,赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性,第一次发现了电磁波。他还通过实验观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。通过实验证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c。

[例1](多选)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是(　BD　)

A.电场一定能产生磁场,磁场也一定能产生电场

B.变化的电场一定产生磁场

C.稳定的电场也可以产生磁场

D.变化的电场和变化的磁场相互联系在一起,形成一个统一的、不可分割的电磁场

解析:根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场和变化的磁场相互联系在一起,形成一个统一的、不可分割的电磁场,故D项正确;变化的电场一定产生磁场,稳定的电场不产生磁场,故A、C项错误,B项正确。

(2)掌握“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”。

[针对训练1] 某闭合电路的电流或电压随时间变化的规律如图所示,能发射电磁波的是(　C　)

解析:非均匀变化的电场产生变化的磁场,非均匀变化的磁场再产生变化的电场,从而形成电磁场,电磁场由近及远地传播,形成电磁波,故要求电流或电压是变化的,但不能是均匀变化的,C项正确。

探究点二　对波长、波速、频率的理解

1.描述波的物理量

波长(λ)、频率(f)、波速(v)。

2.波长、频率与波速之间的关系

波速=波长×频率,即v=λf。

(1)频率由波源决定,与介质无关,波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时,频率不变,波速、波长发生改变,在介质中的速度都比在真空中速度小。

(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时,传播速度不同。

(3)在真空中传播时,不同频率的电磁波的速度都相同:v=c。所以真空中的电磁波有c=λf。

[例2] 波长为0.6 μm的红光,从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛,大约需要多长时间?它的频率是多少?

解析:由速度公式v=可求得时间

t== s≈3.33×10-8 s,

根据电磁波波长、频率和波速关系式c=λf可得频率f== Hz=5×1014 Hz。

答案:3.33×10-8 s　5×1014 Hz

(4)都具有波的共性,能产生干涉、衍射等现象,与物质相互作用时,能发生反射、吸收和折射。

[针对训练2] 英国物理学家麦克斯韦认为:变化的磁场　　　(选填“能”或“不能”)产生电场;德国物理学家　　　　用实验成功证实了电磁波的存在;已知电磁波在真空中的传播速度为3.0×108 m/s,那么频率为1.0×108 Hz的电磁波,在真空中的波长为　　　　 m。 

解析:根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的磁场能产生电场;赫兹用实验证实了电磁波的存在;由公式v=λf,可得波长λ== m=3.0 m。

答案:能　赫兹　3.0

探究点三　电磁波谱的理解及应用

生活中电磁波的应用比比皆是,下列哪些设备发出的波属于电磁波?

①电视发射塔发出的波;②微波炉加热食物时发出的波;③互联网光缆中传播的波;④电视遥控器发出的波。

答案:均属于电磁波。

1.电磁波谱是把电磁波按波长或频率大小的顺序排列起来的图表。波长由大到小顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。它们共同构成了范围广阔的电磁波谱。

2.电磁波谱中各波段的特征及用途比较

[例3] 下面列出了一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理知识。请将相应的字母填写在运用这种知识的医疗器械后面的空格上。

(1)X光机,　　　　。 

(2)紫外线灯,　　　　。 

(3)理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”是利用　　　　。 

A.光的全反射

B.紫外线具有很强的荧光作用

C.紫外线具有杀菌消毒作用

D.X射线具有较强的穿透力

E.红外线具有显著的热效应

解析:(1)X光机是用来透视人体内器官的,需要具有较强穿透力的电磁波,但又不能对人体造成太大伤害,因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线,故选D。

(2)紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌作用,而非荧光作用,故选C。

(3)“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,故选E。

答案:(1)D　(2)C　(3)E

(2)按电磁波谱的排列顺序,波长越长,频率越低,衍射能力越强,穿透能力越弱;波长越短,频率越高,衍射能力越弱,穿透能力越强。

[针对训练3] (多选)关于无线电波和可见光,下列说法中正确的是(　BD　)

A.无线电波的频率比可见光的频率高

B.无线电波的波长比可见光的波长长

C.无线电波的传播速度比可见光的传递速度小

D.无线电波和可见光都可以传递信息

解析:根据电磁波按照波长大小的排列顺序可得出无线电波的波长大于可见光的波长,但频率低于可见光的频率,A错误,B正确;各种不同频率的电磁波在真空中的传播速度都相同,不同频率的电磁波在同一介质中的传播速度不相同,C错误;波可以传递信息,D正确。

课时作业

1.(多选)关于物理学史,下列说法正确的是(　AC　)

A.最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特

B.电磁感应现象是库仑发现的

C.建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦

D.最早证明有电磁波存在的科学家是牛顿

解析:1820年4月,丹麦科学家奥斯特在一次演讲中发现了电流的磁效应;1831年,英国科学家法拉第发现了电磁感应现象;19世纪中叶,英国科学家麦克斯韦建立了经典电磁场理论;德国科学家赫兹最早证明了电磁波的存在。故A、C项正确。

2.(多选)以下关于电磁波的说法中正确的是(　CD　)

A.只要电场或磁场发生变化,就能产生电磁波

B.电磁波传播需要介质

C.电磁波在真空中的传播速度等于光速

D.电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随有能量向外传递的

解析:如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是稳定的,就不能再产生新的电场(或磁场),也就不能产生电磁波;电磁波的传播不需要介质;电磁波在真空中的传播速度等于光速c=3×108 m/s;电磁波具有能量,它的传播是伴随有能量传递的。故选项C、D正确。

3.关于电磁波传播速度的表达式c=λf,下列说法正确的是(　D　)

A.波长越长,传播速度越快

B.频率越高,传播速度越快

C.发射能量越大,传播速度越快

D.电磁波的传播速度与传播介质有关

解析:在真空中传播时,各类电磁波的传播速度相同;在介质中传播时,传播速度与介质有关。故D正确。

4.下列关于电磁波的说法正确的是(　B　)

A.电磁波必须依赖介质传播

B.电磁波可以发生衍射现象

C.电磁波不会发生偏振现象

D.电磁波无法携带信息传播

解析:电磁波在真空中也能传播,A错误;衍射是一切波所特有的现象,B正确;电磁波是横波,横波能发生偏振现象,C错误;所有波都能传递信息,D错误。

5.电磁波与机械波具有的共同性质是(　B　)

A.都是横波          B.都能传输能量

C.都能在真空中传播 D.都具有恒定的波速

解析:电磁波是横波,但机械波有横波也有纵波,A错误;电磁波与机械波具有的共同性质是都能传输能量,B正确;机械波的传播需要介质,两者波速均随介质的变化而改变,C、D错误。

6.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　B　)

A.电磁波可传递信息,声波不能传递信息

B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

C.太阳光中的可见光和医院“B超”中超声波在空气中的传播速度

相同

D.遥控器发出红外线的波长和医院“CT”中X射线的波长相同

解析:电磁波和声波都可以传递信息,A错误;人对着手机话筒讲话发出声波,手机间传递信息用电磁波,B正确;光为电磁波,在空气中的传播速度约为3×108 m/s,超声波为声波,是机械波,在空气中的传播速度约为340 m/s,C错误;红外线和X射线在光谱上所处位置不同,波长不同,D错误。

7.目前雷达发出的电磁波频率多在200 MHz～1 000 MHz的范围内,下列关于电磁波的说法正确的是(　D　)

A.真空中,上述频率范围的电磁波的波长在30～150 m 之间

B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的

C.波长越短的电磁波越容易绕过障碍物,便于远距离传播

D.测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间,就可以确定障碍物的距离

解析:根据λ=,电磁波频率在200 MHz～1 000 MHz 的范围内,则电磁波的波长范围在0.3～1.5 m之间,故选项A错误;依据麦克斯韦的电磁场理论,变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,故选项B错误;波长越长的电磁波越容易绕过障碍物,便于远距离传播,故选项C错误;电磁波在空气中的传播速度约为3×108 m/s,只要测出时间就可以求距离,即s=,故选项D正确。

8.(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是(　ACD　)

A.高原上的人皮肤黑与紫外线辐射过强有关

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

解析:高原上的紫外线辐射比平原强很多,而紫外线可使皮肤变黑,A正确;紫外线有显著的化学作用,可利用紫外线消毒,B错误;在紫外线的照射下,许多物质会发出荧光,根据这个特点可以设计防伪措施,C正确;γ射线波长比X射线波长短,D正确。

9.在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是(　C　)

解析:由电磁场理论,结合图像有,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中磁场随着时间均匀变化,则会产生恒定的电场,故C正确;D中磁场随着时间非均匀变化,则会产生非均匀变化的电场,故D错误。

10.有关电磁波的特性和应用,下列说法正确的是(　D　)

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.电磁波中频率最大的为γ射线,用它来做衍射实验现象最明显

D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光

解析:红外线的主要作用是热效应,也可用于遥测、遥感等,原因是其波长相对较长,容易发生衍射,且一切物体均可自发辐射红外线,A错误;紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用,常用于杀毒、防伪、使底片感光等,但过量照射对人体有害,B错误;γ射线波长最短,衍射本领最弱,贯穿本领最强,常用于金属探伤,C错误;电磁波是一种能量,均可使底片感光,D正确。