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第十一章 电磁场与电磁波初步
11.4 电磁场与电磁波
【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，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.
导入新课
现代生活几乎离不开电子通信技术，它的稳
定持续发展离不开电磁场与电磁波的应用。
我国自行研制的全球卫星导航系统——北
斗卫星导航系统(如右图)，可在全球范围内全
天候、全天时提供导航、定位和授时服务，并具有短报文(传送120个汉字的短信息)通信能力。北斗卫星导航系统就是利用电磁波来传递信息的。
如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，
电路中电流表示数是否发生变化？
一、什么是电磁场 什么是电磁波
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在总结前人对电和磁研究的基础上，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来。这个理论不仅说明了当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在。
麦克斯韦指出：如果在空间某处有交替变化的电场，就会在空间引起交替变化的磁场;这个交替变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的交替变化的电场和磁场……交替变化的电场和磁场相互联系，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电磁场能独立于场源存在，反映了电磁场作为物质存在的一种形式。电磁场并不局限于空间某个区域，而要由近及远向周围空间传播开去。电磁场这样由近及远地传播，就形成电磁波。
麦克斯韦电磁场理论
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场周围会产生电场
麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的电场总是存在的，如图所示.
(2)变化的电场周围会产生磁场
麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生磁场.
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场 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恒定的电场
C.变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D.电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
√
解析　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合电路时，电路中有电流，若无闭合电路，电场仍然存在，A正确；
周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B错误；
若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，C错误；
只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D错误.
针对训练1　(2020·四川泸县四中高二期中)下列关于麦克斯韦的电磁场理论说法正确的是
A.变化的磁场产生的电场一定是变化的
B.不均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生不均匀
变化的电场
C.稳定的磁场产生不稳定的电场
D.周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的
√
解析　根据麦克斯韦的电磁场理论可知，变化的磁场周围能产生电场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，故A错误；
不均匀变化的电场产生变化的磁场，磁场有可能不是均匀变化的；均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，故B错误；
稳定的磁场其周围不产生电场，故C错误；
周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的，周期性变化的电场在周围空间产生的磁场也是周期性变化的，故D正确.
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)在传播方向上，任意一点的E和B都随时间周期性变化，E和B相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直.如图.
(2)电磁波可以在真空中传播.电磁波在真空中传播速度等于光速c＝3×
108 m/s.
(3)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.
(4)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波.
(5)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.
例2　(2021·江苏苏州震泽中学高二下月考)下列说法中正确的是
A.在电场周围一定存在磁场
B.电磁波的传播需要介质
C.电磁波在真空中的速度为3×108 m/s
D.电磁场理论是物理学家法拉第建立的
√
解析　变化的电场周围存在磁场，故A错误；
电磁波的传播不需要介质，故B错误；
电磁波在真空中的速度等于光速，为3×108 m/s，故C正确；
电磁场理论是物理学家麦克斯韦建立的，D错误.
针对训练2　(2020·山东菏泽一中高二期中)关于电磁波，下列说法中正确的是
A.变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场
B.麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的
存在
C.电磁波的发射过程是吸收能量的过程
D.各种频率的电磁波在真空中以不同的速度来传播
√
例3　电磁波在真空中传播的速度c＝3×108 m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0 MHz，这个电台发射的电磁波的波长λ为
A.2.70 m B.270 m
C.3.00 m D.3.33 m
√
针对训练3　无线电波的中波波长范围为200～3 000 m.求该波段的频率范围.
答案　1.0×105～1.5×106 Hz
二、电磁波主要有哪些应用
1.电磁波谱
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.它们共同构成了范围广阔的电磁波谱.
电磁波谱
1.电磁波谱
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.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 c＝3×108 m/s 频率 小→大 3.电磁波的应用
（1）卫星通信
利用人造地球卫星在地面站之间进行通信的系统，称为卫星通信系统，人造卫星相当于离地面很高的中继站。卫星通信(如图)可以在两个或多个地面站之间进行。卫星通信的特点是:通信范围大，只要在卫星发射的电磁波所覆盖的范围内，任何两点之间都可进行通信。
如果一位在中国的用户要与南极洲的科考人员打电话，这个过程就是先通过手机把声音转换为数字信号发射到基站，通过基站
把用户电话线路与地面站连通，地面站把电话信号发射
到卫星，卫星接到这个信号后经过信号放大再转发到南
极洲的地面站，地面站把电话信号取出来，送到科考人
员的手机上，手机把数字信号转换成声音。无线电广播、
电视节目转播的原理与电话传输相似。
（2）微波加热
微波炉是利用电磁波中的微波加热食物的，使用微波炉加热食物快速高效，且能保证食物的营养，尤其是蛋白质和维生素不被破坏。
（3）遥控和自动控制
电磁波中特定波段的红外线常用于遥控和自动控制。例如，家用电器的遥控器大多是利用发射红外线进行遥控的。公共场所的感应式水龙头则是靠人手遮挡反射红外线实现自动控制。
（4）无线射频识别技术
射频识别是一-种非接触式的自动识别技术，可以通过无线电信号自动识别特定目标，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学的接触。右图所示是公交卡的内部结构，当公交卡接近刷卡机时，卡内的线圈就会产生感应电流，实现卡内芯片与外部数据库的数据传输。
（5）医疗设备
电磁波中的紫外线可以用于医用消毒，形成无菌空间；X射线透射照相和X-CT扫描用于疾病检查。X射线和γ射线常用于治疗疾病。许多种理疗设备也是靠电磁波对人体的作用治疗疾病。如图所示是由我国原陆军总医院研制成功的“稀土材料小型16层移动X-CT"，各项质量指标显著优于国际同类CT扫描仪。
（6）雷达
雷达是利用电磁波测定物体位置的设备。电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达向一定的方向发射周期性的不连续的电磁波(叫做电磁脉冲)。发射出去的电磁波遇到障碍物反射，反射波可以在脉冲周期时间间隔内被天线接收。测出从发射到接收电磁脉冲之间的时间，就可以得到障碍物的距离，再根据发射电磁波的方向，便能确定障碍物的位置。
我国自主设计建设的500 m口径球面射电望远镜(FAST) 与雷达接收天线类似，遥远天体投射来的微弱电磁波信号被精确镜面反射后会聚到公共焦点，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式。FAST 主导国际甚长基线干涉测量网，能获得天体超精细结构。FAST具有空间飞行器的测控与通信能力，将深空通信能力延伸至太阳系外缘行星，将卫星数据接收能力提高100倍。FAST建成启用以来，已经在脉冲星探测方面取得众多成果，未来在暗物质和暗能量的探测及地外文明搜寻等方面将会起到重要作用。
例4　下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象.请将相应的字母填写在运用这种现象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.红外线具有显著的热效应
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射线具有很强的穿透力
D
C
A
解析　(1)X光机是用来透视人体内的器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了X射线，因此选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，因此选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，因此选A.
针对训练4　(2021·上海市新中高级中学高二期中)在电磁波谱中，红外线、可见光和X射线三个波段的频率大小关系是
A.红外线的频率最大，可见光的频率最小
B.可见光的频率最大，红外线的频率最小
C.X射线频率最大，红外线的频率最小
D.X射线频率最大，可见光的频率最小
√
解析　红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的波长是从长到短，所以其频率是从小到大，则频率最大的是伦琴射线(X射线)，频率最小的是红外线.故选C.
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仓颉之初作书盖依类象形故谓之文其形声相益即谓之字文者物象之本字者言孳乳而浸多也著于竹帛谓之仓颉之初作书盖依类象形故谓之文其形声相益即谓之字文者物象之本字者言孳乳而
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