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第13章 电磁感应与电磁波初步
4　电磁波的发现及应用
[学习目标]
1.了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念.
2.知道电磁波的特点，掌握电磁波波长、频率、波速之间的关系.
3.知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量．
[基础梳理]
一、电磁场与电磁波
1．麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场
①在变化的磁场中放一个闭合的电路，由于穿过电路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流．这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场．
②即使在变化的磁场中没有闭合电路，也同样要在空间产生电场．
(2)变化的电场产生磁场
变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场．
2．电磁场：变化的电场和变化的磁场所形成的不可分割的统一体．
3．电磁波
(1)电磁波的产生：周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．
(2)电磁波的特点
①电磁波可以在真空中传播．
②电磁波的传播速度等于光速．
③光在本质上是一种电磁波．即光是以波动形式传播的一种电磁振动．
(3)电磁波的波速
①波速、波长、频率三者之间的关系：波速＝波长×频率．
电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c＝λf.
②电磁波在真空中的传播速度c＝3×108 m/s.
二、电磁波谱与电磁波的能量
1．电磁波谱
(1)概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱．
(2)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．
(3)各种电磁波的特性
①无线电波：用于广播、卫星通信、电视等信号的传输．
②红外线：用于加热理疗等．
③可见光：照亮自然界，也可用于通信．
④紫外线：用于灭菌消毒．
⑤X射线和γ射线：用于诊断病情、摧毁病变的细胞．
2．电磁波的能量
(1)光是一种电磁波，光具有能量．
(2)电磁波具有能量，电磁波是一种物质．
[能力拓展]
一、麦克斯韦电磁场理论
1．变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场也在周围空间产生磁场．
2．均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场．
3．振荡的磁场产生同频率振荡的电场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场．
4．周期性变化的电场和磁场相互联系，形成一个统一的场，就是电磁场，而电磁场由近及远地向周围空间传播形成电磁波．
二、电磁波
1．电磁波的形成
周期性变化的电场和磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波．
2．电磁波的特点
(1)电磁波的传播不需要介质．在真空中传播速度等于光速c＝3×108 m/s.
(2)电磁场储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程．
(3)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．
(4)电磁波是电磁场在空间中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质．
3．电磁波的波速
对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf.
三、电磁波谱
1．电磁波谱
电磁波谱的顺序为无线电波、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．不同波长的电磁波的比较
　名称 特性 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
主要应用 通信、 广播 红外探测器、 红外体温计 引起 视觉 灭菌、 消毒、 防伪 医学透视、 安检 治疗疾 病、金 属探伤
真空中的速度 都是c＝3×108 m/s
频率 小→大
同介质中速度 大→小
[随堂演练]
1．在电磁波谱中，红外线、可见光和紫外线三种电磁波频率大小的关系是
A．红外线的频率最大，可见光的频率最小
B．紫外线的频率最大，红外线的频率最小
C．可见光的频率最大，红外线的频率最小
D．紫外线的频率最大，可见光的频率最小
2．物理学史上，最先建立完整的电磁场理论并预言了电磁波存在的科学家是（　　）
A．赫兹 B．法拉第 C．麦克斯韦 D．奥斯特
3．下列有关叙述不正确的是（　　）
A．第五代移动通信系统（5G）采用电磁波承载信息，该电磁波信号的磁感应强度随时间是非均匀变化的
B．单摆在周期性外力作用下做受迫振动，其振动周期与单摆的摆长无关
C．向人体内发射频率已知的超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化就能知道血流的速度，这种方法应用的是共振原理
D．泊松亮斑的发现有力地支持了光的波动学说，玻璃中的气泡看起来特别明亮是光的全反射现象
4．下列说法正确的是（　　）
A．车辆匀速驶向停在路边的警车，警车上测速仪探测到反射波的频率减小
B．电磁波不能产生多普勒效应，而机械波能产生多普勒效应
C．双缝干涉中两列相干波的波峰与波峰叠加相互加强，波谷与波谷叠加相互削弱
D．赫兹通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度c
5．下列说法正确的是（　　）
A．法国物理学家傅科曾经详尽地研究过单摆的振动，发现单摆做简谐运动的周期T与摆长l的二次方根成正比
B．奥地利物理学家多普勒发现波源与观察者靠近时，观察者接收到的频率小于波源频率
C．英国物理学家托马斯·杨用激光照射一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，成功观察到了光的干涉现象
D．德国科学家赫兹在实验中发现了电磁波，并进一步发现了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象
6．中国4G牌照发放是在2014年，比发达国家晚了整整三年；但在5G时代，中国已经赢在了起跑线。已知5G信号使用频率更高的电磁波，每秒传送的数据量是4G的50~100倍，则相比4G信号（　　）
A．5G信号的光子能量更小 B．5G信号的波长更短
C．5G信号的传播速度更大 D．5G信号的波动性更明显
7．寻找马航失联飞机是全球关注的热点新闻，也是国人悲痛之点，更是各国高科技综合实力的体现和展示。搜寻失联飞机的黑匣子主要依靠电磁波技术和超声定位（即声呐）技术。电磁波是指在空间传播的交变电磁场，在真空中的传播速度为3.0×108m/s，无线电波是其中的一种电磁波。无线电波、红外线、可见光（即人眼能看到的光）、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，它们的产生方式不尽相同，波长也不同，把它们按波长顺序排列就构成了电磁波谱，如图所示。请根据上述信息及所学知识，结合电磁波谱图回答：
(1)最早发现白光（即可见光）可以发生色散，分解成七种颜色光的物理学家是______；其中，三原色光中波长最短的是______光。
(2)广播和电视利用电磁波谱中的______来传递声音和图像；飞机黑匣子发出的电磁波信号，在海水中迅速衰减，无法传播，所以黑匣子必须装有能发出声波信号的装置与其同时工作，以便利用声呐系统寻找海水中的黑匣子位置。
(3)请观察电磁波谱中各种波的波长与频率的关系，可以得出初步结论：______；请进一步观察和计算电磁波谱中各种波的波长与频率的关系，可以得出结论：______。
8．____________提出光是一种________波，_________用实验验证了这一预言.红外线最显著的作用是______，_______都会发出红外线，红外线波长比红光________，所以_______现象较显著，易透过云雾，可用于高空摄影；紫外线的主要作用是_______，______能发出紫外线，紫外线还有_____效应和_______作用，伦琴射线又叫_________射线，波长比紫外线________.
试卷第1页，总3页
参考答案
1．B
【详解】
在电磁波谱中，红外线、可见光和紫外线三种电磁波频率大小的关系是,紫外线的频率最大，红外线的频率最小。
故选B。
2．C
【详解】
物理学史上，最先建立完整的电磁场理论并预言了电磁波存在的科学家是麦克斯韦。
故选C。
3．C
【详解】
A．第五代移动通信系统（5G）采用电磁波承载信息，该电磁波信号的磁感应强度随时间是周期性变化的，是非均匀变化的，故A正确，不符合题意；
B．单摆在周期性外力作用下做受迫振动，其振动周期等于驱动力的周期，与单摆的摆长无关，故B正确，不符合题意；
C．测出反射波的频率变化就能知道血流的速度，这种方法俗称“彩超”，是利用多普勒效应原理，故C错误，符合题意；
D．泊松亮斑的发现有力地支持了光的波动学说，玻璃中的气泡看起来特别明亮是光的全反射现象，故D正确，不符合题意。
故选C。
4．D
【详解】
A．由多普勒效应可知，车辆匀速驶向停在路边的警车，相当于波的传播速度增大，根据f＝可知，警车上测速仪探测到反射波的频率升高，A错误；
B．能发生多普勒效应是波的固有属性，电磁波和机械波都能产生多普勒效应，故B错误；
C．双缝干涉中两列相干波的波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加相互加强，波峰与波谷叠加相互削弱，C错误；
D．赫兹通过一系列实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，他还通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度c，这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，D正确。
故选D。
5．D
【详解】
A．荷兰物理学家惠更斯曾经详尽地研究过单摆的振动，发现单摆做简谐运动的周期T与摆长l的二次方根成正比，A错误；
B．奥地利物理学家多普勒发现波源与观察者靠近时，观察者接收到的频率大于波源频率，B错误；
C．英国物理学家托马斯·杨做双缝干涉实验时，还没有激光，他用强光照射得到干涉条纹，C错误；
D．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹在实验中发现了电磁波，并进一步发现了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，D正确。
故选D。
6．B
【详解】
A．因为5G信号使用的电磁波频率比4G高，根据
可知5G信号的光子能量更小，故A错误；
B．由
可知频率越高的电磁波，信号的波长更短，故B正确；
C．任何电磁波在真空中的传播速度都相同，在介质中要看折射率，故C错误；
D．因5G信号的电磁波频率更高，波长更短，波动性比4G的差，故D错误。
故选B。
7．牛顿 蓝 无线电波 波的频率越高，波长越短 各种波的频率与波长成反比（或各种波的频率与波长乘积相等，且等于光速）
【详解】
(1)[1][2]最早发现白光（即可见光）可以发生色散现象的物理学家是牛顿；色光的三原色是红、绿、蓝，三原色光中波长最短的是蓝光。
(2)[3]广播和电视利用电磁波谱中的无线电波来传递声音和图像；声呐浮标的探测装置接收黑匣子发出的脉冲信号，这种信号属于超声波；飞机黑匣子发出的电磁波信号，在海水中迅速衰减，无法传播，所以黑匣子必须装有能发出声波信号的装置与其同时工作，以便利用声呐系统寻找海水中的黑匣子位置。
(3)[4][5]根据电磁波谱中的各种波的波长与频率的关系，可以得出：波的频率越高，波长越短；由fλ＝c可得：各种波的频率与波长成反比（或各种波的频率与波长乘积相等，且等于光速）。
8．麦克斯韦 电磁 赫兹 热效应 一切物体 长 衍射 化学效应 高温物体 荧光 杀菌、消毒 X 短
【详解】
[1][2][3][4]麦克斯韦提出光是一种电磁波，后来赫兹用实验验证了这一预言.红外线最显著的作用是热效应；
[5][6]一切物体都会发出红外线，由电磁波谱可知，红外线波长比红光长；
[7]由发生明显衍射件可知，红外线衍射现象较显著，易透过云雾，可用于高空摄影；
[8][9][10[11]紫外线的主要作用是化学效应，高温物体能发出紫外线，紫外线还有荧光，杀菌、消毒作用；
[12][13]伦琴射线又叫x射线，波长比紫外线短。

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