2024-2025學(xué)年新教材高中物理第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步4電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用學(xué)案新人教版必修3

PAGE13-4電磁波的發(fā)覺及應(yīng)用課前自主預(yù)習(xí)一、麥克斯韋的電磁場理論及對電磁波的預(yù)言1．麥克斯韋電磁場理論英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人探討電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論．可定性表述為：變更的磁場產(chǎn)生電場，變更的電場產(chǎn)生磁場．2．麥克斯韋對電磁波的預(yù)言假如在空間某區(qū)域內(nèi)有周期性變更的電場，那么這個變更的電場就在空間引起周期性變更的磁場；這個變更的磁場又引起新的變更的電場……于是，變更的電場和變更的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向四周傳播，形成了電磁波．3．電磁波的特點電磁波在真空中傳播的速度等于光速c，光的本質(zhì)是電磁波．4．赫茲的試驗(1)赫茲利用如圖的試驗裝置，證明白電磁波的存在．(2)赫茲的其他試驗成果：赫茲通過一系列的試驗，視察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證明白麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論．北京時間2011年11月3日凌晨，“神舟”八號飛船與“天宮”一號目標(biāo)飛行器實現(xiàn)剛性連接，形成組成體，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得勝利．“神舟”八號與“天宮”一號交會對接的勝利意味著我國成為繼美國、俄羅斯后，第三個獨立駕馭航天交會對接技術(shù)的國家．因此，“天宮”一號與“神八”這次太空中的密切接觸，不僅奠定了中國載人航天技術(shù)在世界上的一席之地，也使中國將來空間站的組裝和建立成為可能．“神八”與“天宮”一號的對接過程是在地面限制中心的科學(xué)家們的指揮下完成的，地面限制中心與“神舟”八號和“天宮”一號相距如此之遠，他們是如何完成限制指令的傳輸?shù)?？提示：借助于電磁波．二、電磁波譜1．概念：按電磁波的波長或頻率大小的依次把它們排列成譜．2．電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系是c＝λf.3．電磁波譜的排列：按波長由長到短依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．4．不同電磁波的特點及應(yīng)用特性用途無線電波波動性強通信、廣播、導(dǎo)航紅外線熱作用強加熱、遙測、遙感、紅外線制導(dǎo)可見光感光性強照明、照相等紫外線化學(xué)作用、熒光效應(yīng)日光燈、殺菌消毒、治療皮膚病等X射線穿透力強檢查、探測、透視、治療γ射線穿透力最強探測、治療三、電磁波的能量各種各樣的儀器能夠探測到許很多多電磁波，說明電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)．四、電磁波通信1．電磁波的傳輸：可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可實現(xiàn)無線傳輸．電磁波的頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大．2．電磁波的應(yīng)用實例(1)電視廣播(2)移動電話、互聯(lián)網(wǎng)也是利用電磁波來傳輸信息的．(3)衛(wèi)星寬帶通信網(wǎng)絡(luò)．課堂講練互動考點一麥克斯韋電磁場理論1．麥克斯韋電磁場理論(1)變更的磁場產(chǎn)生電場如下圖所示，麥克斯韋認為在變更的磁場四周產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)．導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在．eq\a\vs4\al(【方法指導(dǎo)】)變更的磁場產(chǎn)生的電場，稱為感應(yīng)電場，也叫渦旋場，跟前面學(xué)過的靜電場一樣，處于電場中的電荷受力的作用，且F＝qE.但它們也有顯著的區(qū)分，表現(xiàn)為：(1)靜電場的電場線是非閉合曲線，而感應(yīng)電場的電場線是閉合曲線；(2)靜電場中有電勢的概念，而感應(yīng)電場中無電勢的概念；(3)在同一靜電場中，電荷運動一周(曲線閉合)，電場力做功肯定為零，而在感應(yīng)電場中，電荷沿閉合曲線運動一周，電場力做功不肯定為零；(4)靜電場的“源”起于電荷，而感應(yīng)電場的“源”起于變更的磁場．(2)變更的電場產(chǎn)生磁場依據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不但導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變更的電場四周也要產(chǎn)生磁場，如圖所示．2．對電磁場理論的理解變更的電場產(chǎn)生磁場變更的磁場產(chǎn)生電場恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生恒定的磁場勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生恒定的電場不勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生變更的磁場不勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生變更的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場eq\a\vs4\al(【拓展延長】)麥克斯韋的重大貢獻有哪些？麥克斯韋集電磁學(xué)探討成果之大成，不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，建立了完整的電磁場理論．麥克斯韋電磁場理論的意義足以與牛頓力學(xué)體系相媲美，它是物理學(xué)發(fā)展中一個劃時代的里程碑．【例1】關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．在電場四周肯定產(chǎn)生磁場，磁場四周肯定產(chǎn)生電場B．在變更的電場四周肯定產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場四周肯定產(chǎn)生變更的電場C．勻稱變更的電場四周肯定產(chǎn)生勻稱變更的磁場D．周期性變更的電場四周肯定產(chǎn)生周期性變更的磁場【審題指導(dǎo)】1.穩(wěn)定的磁場能產(chǎn)生電場嗎？2．穩(wěn)定的電場能產(chǎn)生磁場嗎？3．勻稱變更的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？4．勻稱變更的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？5．周期性變更的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？6．周期性變更的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？【解析】依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變更的電場才產(chǎn)生磁場，勻稱變更的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非勻稱變更的電場產(chǎn)生變更的磁場．【答案】D總結(jié)提能在理解麥克斯韋電磁場理論時，要留意靜電場不產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定磁場也不產(chǎn)生電場．下列說法正確的是(D)A．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場B．勻稱變更的電場產(chǎn)生勻稱變更的磁場，勻稱變更的磁場產(chǎn)生勻稱變更的電場C．變更的電場產(chǎn)生的磁場肯定是變更的D．振蕩的電場四周空間產(chǎn)生的磁場也是振蕩的解析：麥克斯韋電磁場理論的要點是：變更的磁場(電場)要在四周空間產(chǎn)生電場(磁場)，若磁場(電場)的變更是振蕩的，產(chǎn)生的電場(磁場)也是振蕩的，由此可推斷出正確的為D項．考點二電磁場和電磁波1．電磁場：假如在空間某區(qū)域中有周期性變更的電場，那么這個電場就會在它四周空間引起周期性變更的磁場；這個周期性變更的磁場又會在它四周空間引起新的變更的電場……變更的電場和變更的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不行分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場．2．電磁波變更的電場和變更的磁場總是交替產(chǎn)生的，并且由發(fā)生的區(qū)域向四周空間傳播．電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波．3．電磁波的特點(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點，E和B都隨時間做正弦變更，E與B相互垂直且均與傳播方向垂直，如圖所示．(2)電磁波的傳播不須要介質(zhì)，在真空中，電磁波的傳播速度與光速相同，為3.0×108(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用時，能發(fā)生反射、汲取、折射．(4)電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系：c＝fλ或λ＝eq\f(c,f).4．赫茲發(fā)覺了電磁波：1886年，赫茲用如圖所示的試驗證明白麥克斯韋預(yù)言的正確性，第一次發(fā)覺了電磁波．他還通過試驗視察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象．通過試驗證明白電磁波在真空中具有與光相同的速度c.后人為紀念赫茲的試驗為無線電技術(shù)的發(fā)展作出的突出貢獻，把頻率的單位定為赫茲.【例2】(多選)電磁波與聲波比較，下列說法正確的是()A．電磁波的傳播不須要介質(zhì)，聲波的傳播須要介質(zhì)B．由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進入水中時，電磁波波長變短，聲波波長變長D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)確定的，與頻率無關(guān)【審題指導(dǎo)】要知道電磁波與機械波有哪些相同，哪些不同．【解析】電磁波傳播不須要介質(zhì)，聲波傳播離不開介質(zhì)，A正確；電磁波在空氣中的速度接近光在真空中的速度，進入水中速度變小，而聲波進入水中速度反而比空氣中大，B正確；由v＝λf，電磁波或聲波由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，頻率不變，可見波速v與波長λ成正比，C正確；電磁波的速度不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與頻率有關(guān)，這點與聲波不相同，D錯誤．【答案】ABC總結(jié)提能清晰電磁波與聲波(機械波)的相同點及不同點，就能解答此類問題．(多選)下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是(ACD)A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3.0×108C．電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長將變短D．電磁波也能產(chǎn)生干涉，衍射現(xiàn)象解析：電場、磁場相互激發(fā)并向外傳播，形成電磁波，選項A正確．電磁波只有在真空中波速為3.0×108m/s，在其他介質(zhì)中均小于3.0×108m/s，選項B錯誤．依據(jù)λ＝eq\f(c,f)知，光從真空進入介質(zhì)，頻率不變，波速減小，所以波長λ考點三電磁波通信1．電磁波的傳輸電磁波可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可實現(xiàn)無線傳輸．電磁波的頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大．2．電磁波的應(yīng)用實例(1)電視①電視放射系統(tǒng)：攝像管的作用是攝取景物的圖像并將其轉(zhuǎn)換為電信號．鏡頭把景物的像成在攝像管的屏上，通過電子束的掃描，把圖像各個部位分成一系列小點，稱為像素，每幅圖像至少要有幾十萬個像素，攝像機將畫面上各個部分的光點，依據(jù)明暗狀況逐點逐行逐幀地變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏鳎S電磁波放射出去．②接收系統(tǒng)：天線接收到高頻信號后，經(jīng)調(diào)諧、解調(diào)，將得到的圖像信號送到顯像管，限制顯像管里電子槍放射電子束的強弱，在熒光屏上掃描，在屏上便出現(xiàn)了與攝像管屏上相同的圖像．③中國電視廣播標(biāo)準采納每秒傳送25幀畫面，每幀由625條線組成．(2)雷達雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備．①雷達的工作原理：雷達通過轉(zhuǎn)動的天線放射微波信號，這種信號傳播的直線性好，遇到障礙物要發(fā)生反射，反射信號又被雷達天線接收，測出從放射信號到接收到目標(biāo)反射信號的時間t，就可以知道目標(biāo)到雷達的距離s＝eq\f(ct,2)；再依據(jù)放射無線電波的方向和仰角，可精確確定物體的位置．②雷達的用途：可以探測飛機、艦艇、導(dǎo)彈以及其他軍事目標(biāo)；可以為飛機、船只導(dǎo)航，可以探討行星、衛(wèi)星，還可以用來探測暴風(fēng)、雷雨、云層等．(3)移動電話①功能：每一部移動電話就是一個無線電臺，它將用戶的聲音轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電信號放射到空中；同時它又相當(dāng)于一臺收音機，捕獲空中的電磁波，運用戶接收到對方送來的信息．②特點：a.體積很小，放射功率不大；b.它的天線也很簡潔，靈敏度不高．因此，它與其他用戶的通話要靠基地臺轉(zhuǎn)接．(4)互聯(lián)網(wǎng)：人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)聽音樂、看電影、閑聊、購物，可以通過互聯(lián)網(wǎng)查閱各種資料，進行遠程教學(xué)、遠程醫(yī)療，甚至可以與身處世界各地的人召開電視會議．?dāng)?shù)以億計的人們通過信息聯(lián)系起來，通過資源共享和更有效的全球合作，推動人類社會更快向前發(fā)展．(5)衛(wèi)星寬帶通信網(wǎng)絡(luò)【例3】在電視放射端，由攝像管攝取景物并將景物反射的光轉(zhuǎn)換為電信號，這一過程完成了()A．電、光轉(zhuǎn)化 B．光、電轉(zhuǎn)化C．光、電、光轉(zhuǎn)化 D．電、光、電轉(zhuǎn)化【審題指導(dǎo)】依據(jù)攝像原理分析．【解析】1.攝像管的攝像過程把光信號轉(zhuǎn)化成了電信號，即把一幅圖像依據(jù)各個部分的明暗狀況，逐點地變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏?，然后通過天線把帶有信號的電磁波放射出去，B正確，A、C、D錯誤．2．?dāng)z像管是把光信號變成電信號，而顯像管是由電信號轉(zhuǎn)化為光信號．【答案】B總結(jié)提能明確攝像的原理就能正確解答此類問題．傳真機原理分析：報紙上印的很多照片都是傳真照片，傳真是利用無線電波傳送圖表、書信、照片的一種方法．無線電傳真的示意圖如下圖所示．簡要說明無線電傳真的過程、器件及其作用．答案：見解析解析：放射機上裝有的光電管，將文字、圖表轉(zhuǎn)化為電信號，將其附加在高頻無線電波上放射出去，接收機利用電諧振原理將其接收，通過輝光管轉(zhuǎn)化為原來的文字、圖表在復(fù)印紙上復(fù)印出來．考點四電磁波譜無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線(X射線)、γ射線都是電磁波，將它們按波長或頻率排列起來，便構(gòu)成了范圍特別廣袤的電磁波譜．(1)無線電波：波長大于1mm(頻率小于300GHz)的電磁波是無線電波．無線電波主要用于通信和廣播．(2)紅外線：紅外線的波長比紅光的波長還長，它不是可見光，不能引起人的視覺．一切物體(不管大小、也無論是否有生命)，凡是由分子、原子等構(gòu)成的物體都在不停地輻射紅外線．物體溫度越高，輻射紅外線的本事越強．紅外線有以下作用：①紅外線遙感：勘測地?zé)?、找尋水源、人體檢查等．②紅外線遙控：家用電器配套的遙控器發(fā)出紅外線脈沖信號，受控機器就會按指令變更工作狀態(tài)．③加熱物體：紅外線很簡潔使物體的溫度上升，如市場上的“遠紅外烤箱”．(3)可見光：可見光的波長約在760nm到400nm之間，不同顏色的光是波長(或頻率)范圍不同的電磁波.序號紅橙黃綠青藍紫真空中的波長λ/nm760～630630～600600～570570～500500～450450～430430～400晴朗的天空看起來是藍色的，是由于波長較短的光比波長較長的光更簡潔被散射．傍晚的陽光比較紅，是由于大氣對波長較短的藍光、紫光比對波長較長的紅光、橙光汲取較強的原因．(4)紫外線：紫外線也不是可見光，其波長比紫光還短，波長范圍約為5～370nm.一切高溫物體發(fā)出的光中都含有紫外線．紫外線的顯著特征是化學(xué)作用，能殺死多種細菌，具有消毒功能．而且促使人體合成維生素D，但不能過多照耀．(5)X射線和γ射線：X射線和γ射線的波長都比紫外線短．X射線對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的輻射會引起生物體的病變．X射線能夠穿透物質(zhì)，可以用于人體透視，檢查金屬零件內(nèi)部的缺陷．γ射線具有很高的能量，在醫(yī)學(xué)上可以用來治療某些癌癥，也可用于探測金屬部件內(nèi)部的缺陷．從無線電波到γ射線都是本質(zhì)相同的電磁波，其行為聽從共同的規(guī)律，但因波長(或頻率)不同又表現(xiàn)出不同的特點．【例4－1】(多選)關(guān)于無線電波和可見光，下列說法中正確的是()A．無線電波的頻率比可見光的頻率高B．無線電波的波長比可見光的波長長C．無線電波的傳播速度比可見光的傳播速度小D．無線電波和可見光都可以傳播信息【審題指導(dǎo)】依據(jù)電磁波依據(jù)波長大小的排列依次可得出無線電波的波長大于可見光的波長．【解析】1.嫻熟駕馭電磁波譜的排列依次．2．結(jié)合波的學(xué)問駕馭各種電磁波的特性及主要作用．3．各種不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度都相同，頻率不同的電磁波在同一介質(zhì)中的傳播速度不相同．【答案】BD總結(jié)提能熟記電磁波依據(jù)波長大小的排列依次，及波長的大小對電磁波特性的影響就能正確解答此類問題．下列說法正確的是(B)A．只有物體溫度較高時，才能向外輻射紅外線B．紫外線的主要作用是化學(xué)作用和熒光作用C．可見光比紅外線簡潔發(fā)生衍射現(xiàn)象D．X射線能在磁場中偏轉(zhuǎn)，穿透力較強，可用來進行人體透視解析：本題易錯選D，緣由是都知道X射線可以進行人體透視，但是X射線不帶電，在磁場中不偏轉(zhuǎn)．【例4－2】下面列出了一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械運用的物理規(guī)律和現(xiàn)象，請將相應(yīng)的字母填寫在運用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的橫線上．(1)X光機，；(2)紫外線燈，；(3)理療醫(yī)用“神燈”照耀傷口，可使傷口愈合得較好．這是利用了．A．光的全反射B．紫外線具有很強的熒光作用C．紫外線具有殺菌消毒作用D．X射線具有很強的貫穿實力E．紅外線具有顯著的熱作用F．紅外線波長較長，易發(fā)生衍射【審題指導(dǎo)】依據(jù)各種射線的特點及作用分析．【解析】(1)X光機是用來透視人的體內(nèi)器官的，因此須要具有強穿透力的電磁波，但又不能對人體造成太大的損害，因此采納穿透實力比較強又不會對人體造成太大損害的X射線，選擇D.(2)紫外線燈主要是用來殺菌的，因此它應(yīng)用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用，因此選擇C.(3)“神燈”又稱紅外線燈，主要是用于促進局部血液循環(huán)，它利用的是紅外線的熱效應(yīng)，使人體局部受熱，血液循環(huán)加快，因此選擇E.電磁波在生產(chǎn)、生活和國防中應(yīng)用廣泛，聯(lián)系實際的試題較多，要提高自己應(yīng)用學(xué)問的實力，在學(xué)習(xí)過程中要多積累相關(guān)素材，并加以分析利用．【答案】(1)D(2)C(3)E總結(jié)提能熟記不同波長的電磁波的特點及應(yīng)用是解答此類問題的關(guān)鍵．下列有關(guān)電磁波的特性和應(yīng)用，說法正確的是(D)A．紅外線和X射線都有很強的穿透本事，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體B．過強的紫外線照耀有利于人的皮膚健康C．電磁波中頻率最大的為γ射線，用它來做衍射試驗現(xiàn)象最明顯D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光解析：紅外線的主要作用是熱作用，也可用于遙測遙感等，緣由是其波長相對較長，簡潔發(fā)生衍射，且一切物體均可自發(fā)輻射紅外線，A錯；紫外線的主要作用是化學(xué)作用和熒光作用，常用于殺毒、防偽、使底片感光等，但過量照耀對人體有害，B錯；γ射線波長最短，衍射本事最弱，貫穿本事最強，常用于金屬探傷，C錯；電磁波是一種能量，均可使底片感光．課堂達標(biāo)演練1．下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(B)A．電磁波必需依靠介質(zhì)傳播B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象D．電磁波無法攜帶信息傳播解析：電磁波具有波的共性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)