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4．电磁波的发现及应用
[学习任务]　1．了解麦克斯韦的电磁场理论。
2．知道电磁波是如何形成的。
3．知道电磁波在真空中的传播速度及波长、频率和波速的关系。
4．知道电磁波谱的组成及各波段的特点、应用。
[问题初探]　问题1．麦克斯韦电磁理论的核心内容是什么？
问题2．电磁波是怎样形成的？
问题3．电磁波的传播需要介质吗？
[提示]　问题1．变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。
问题2．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
问题3．不需要。
[自我感知]　经过你认真的预习，结合你对本节课的理解和认识，请画出本节课的知识逻辑体系。
　电磁场　电磁波
[链接教材]　如图所示是电磁波的形成示意图，从中可以看出什么特点？
提示：变化的电场和变化的磁场交替产生。
1．麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场。
(2)变化的电场产生磁场。
2．电磁场：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。
3．电磁波的产生：周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场，这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。
4．电磁波的传播：电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质。
5．光也是电磁波
(1)电磁波在真空中的传播速度与真空中的光速相同。
(2)麦克斯韦指出：光是以波动形式传播的一种电磁振动。
6．科学研究：德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
如图所示，在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。
问题1．观察上面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？
提示：变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的。
问题2．变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？
提示：不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。
问题3．如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？
提示：没有电流，但有电场存在。
1．麦克斯韦电磁场理论要点
(1)变化的磁场在线圈中产生电场
这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。线圈只不过是用来显示电场的存在，变化的磁场同样在周围空间产生电场，跟闭合电路是否存在无关。
(2)变化的电场产生磁场
变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。
2．对麦克斯韦电磁场理论中“变化”的理解
如何变化 电场 磁场
恒定 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
非均匀变化 非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
周期性变化 周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
3．电磁波的特点：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，如图所示。
【典例1】　(对麦克斯韦电磁场理论的理解)(多选)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同频率变化的电场
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
AB　[变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，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正确；变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场，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。]
【典例2】　(电磁波的产生)某电路中电场随时间变化的图像如下列选项所示，能发射电磁波的电场是(　　)
　A　　　　　　　　　B
　C　　　　　 　　　D
D　[A中电场不随时间变化，不会产生磁场；B和C中电场都随时间均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波；D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一的电磁场，发射电磁波，故D项正确。]
　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，就是电磁波谱。
光学侦察卫星，采用先进的自适应光学成像技术，地面分辨率最高可达0.1米。
问题1．你知道它上面携带的相机在夜间进行红外摄像时工作在什么波段吗？
提示：工作在红外线这一波段。
问题2．该波段有什么特点？
提示：该波段的波长大于可见光而小于无线电波，主要效应为热效应，常用于加热理疗、红外遥感摄像等。
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
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
【典例3】　(电磁波谱的认识)根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是(　　)
A．微波、红外线、紫外线
B．γ射线、X射线、紫外线
C．紫外线、可见光、红外线
D．紫外线、X射线、γ射线
B　[红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误；紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误；在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，B正确，D错误。]
【典例4】　(波速、波长和频率关系应用)电磁波在真空中传播的速度c＝3.00×108 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
D　[根据λ＝得，λ＝ m≈3.33 m。]
【典例5】　(电磁波的应用)电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了，下列说法正确的是(　　)
A．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪利用了X射线的穿透本领
B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线
C．微波炉能快速加热食物是因为红外线具有显著的热效应
D．手机通话使用的无线电波，其波长比可见光的波长短
A　[机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪利用了X射线的穿透本领，故A正确；遥控器发出的光是红外线，不是紫外线，故B错误；微波炉是利用微波的频率与水分子的频率相接近，从而使水分子振动而发热的，故C错误；手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光的波长，故D错误。]
　电磁波的能量　电磁波通信
1．电磁波是一种物质，而且具有能量。
2．应用：生活中常用微波炉来加热食物，食物增加的能量是微波给它的。
3．人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物等，这些信息都是通过电磁波来传递的。
4．电磁波的传输：可以通过有线传播，也可实现无线传播。
1．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。
2．只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。
3．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。
【典例6】　(电磁波的能量)关于电磁波下列说法正确的是(　　)
A．电磁波是一种物质
B．电磁波可以传递信息，但不能传递能量
C．遥控器发出的红外线波长和医院CT中的X射线波长相同
D．变化的电场产生磁场，变化的磁场不能产生电场
A　[电磁波是一种物质，故A正确；电磁波既可以传递信息，也可以传播能量，故B错误；红外线的波长大于X射线的波长，故C错误；变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故D错误。]
【典例7】　(电磁波通信)(多选)下列说法正确的是(　　)
A．北斗导航系统是利用电磁波进行定位和导航的
B．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应
C．常用的电视机遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机
D．遥感技术中利用了红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征
AD　[北斗导航系统是利用电磁波工作的，A正确；食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，温度升高，内能增加，B错误；常用的电视机遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，C错误；遥感技术中利用红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征，D正确。]
1．(多选)下列说法正确的有(　　)
A．最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B．电磁感应现象是法拉第发现的
C．建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦
D．最早预言电磁波存在的科学家是赫兹
ABC　[最早预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，赫兹用实验证明了电磁波的存在，D错误；由物理学史的知识可知，A、B、C正确。]
2．关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
D　[根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才能产生变化的磁场，周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场，故D正确。]
3． (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方向、磁感应强度方向均垂直
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
ABC　[电磁波在真空中的传播速度均相同，与电磁波的频率无关，故A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，由近及远地传播形成电磁波，故B正确；电磁波在每一处的电场方向和磁场方向总是相互垂直的，且与波的传播方向垂直，故C正确；利用电磁波传递信号可以实现无线通信，电磁波也能通过电缆、光缆传输，故D错误。]
4．(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波
C．紫外线的频率比紫光低
D．在电磁波谱中，穿透能力最强的是X射线
AB　[X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；γ射线是波长最短的电磁波，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，紫外线的频率比紫光高，在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强，选项C、D错误。]
回归本节知识，完成以下问题：
1．如图所示实验装置，线圈中产生了感应电流说明了什么？
提示：麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生了电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流。
2．声波与水波的传播均需要介质，为什么电磁波可以在真空中传播？
提示：电磁波的传播不需要介质，依靠的是电场与磁场的相互“激发”。
3．电磁波在真空中的传播速度是多少？无线电波的波长比可见光的波长长还是短？除了无线电波和可见光之外，还有其他哪些电磁波？
提示：电磁波在真空中的传播速度等于光速，无线电波的波长比可见光的波长长，电磁波还包括红外线、紫外线、X射线、γ射线。
课时分层作业(十九)　电磁波的发现及应用
?题组一　电磁场　电磁波
1．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述正确的是(　　)
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场
C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场
D．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波
AB　[教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中的电流是交变电流，在其周围产生交变磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；只有周期性变化的电场和磁场交替产生，才能由发生区域向外传播形成电磁波，故选项D错误。]
2．磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的磁场和能产生持续电磁波的磁场分别为(　　)
A．②③④、③④ B．①③④、③④
C．②③④、②④ D．①③④、②④
C　[根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故②③④都可以产生电场；周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，从而产生电磁波，故只有②④可以产生电磁波，故C正确。]
3．下列关于电磁波的说法，正确的是(　　)
A．电磁波只能在真空中传播
B．电场随时间变化时一定产生电磁波
C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
C　[虽然电磁波在传播过程中可以不需要介质，但并不是只能在真空中传播，故选项A错误；产生电磁波需要一定的条件，当电场随时间做周期性变化时才会产生电磁波，故选项B错误；做变速运动的电荷会在空间产生电磁波，故选项C正确；麦克斯韦只是预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故选项D错误。]
4．关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C．电磁波由真空进入某种介质传播时，波长将变长
D．电磁波只能在真空中传播
A　[电磁波是交替变化的电磁场由发生区域向远处的传播，在真空中的传播速度是3×108 m/s。在其他介质中的传播速度小于3×108 m/s。电磁波在传播的过程中，频率f不变，由v＝λf可知传播速度变小时，波长变短，故A正确，B、C、D均错误。]
?题组二　电磁波谱
5．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是(　　)
A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限
B．γ射线的频率一定大于X射线的频率
C．X射线的波长有可能等于紫外线波长
D．可见光波长一定比无线电波的短
CD　[X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确。]
6．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　)
A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，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是X射线
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
D　[X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有很高的穿透本领，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学效应，可以使感光底片感光，D正确。]
?题组三　电磁波的能量　电磁波通信
7．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的
B．医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的
C．科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化
D．在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
CD　[热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，A错误，D正确；穿透本领最强的是γ射线，B错误；臭氧层可吸收、阻挡过强的紫外线，使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害，另外臭氧层空洞可引起气候恶化，C正确。]
8．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来监控地面物体的状况。地球大气中的水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。如图甲、乙所示分别为水蒸气和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感卫星大致能够接收到的波长范围为(　　)
A．2.5～3.5 μm B．4～4.5 μm
C．5～7 μm D．8～13 μm
D　[由题图可知，8～13 μm波段的红外线，水蒸气和二氧化碳几乎都不吸收，故D正确。]
9．(多选)下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波的传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
CD　[要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；电磁波是物质波，电磁波的传播不需要介质，B错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C正确；电磁波具有能量，电磁波的传播过程，也就是能量的传播过程，D正确。]
10．使用蓝牙耳机接听手机来电，其信号传输的示意图如图所示，已知可见光的频率范围是4.2×1014～7.8×1014 Hz，则蓝牙通信的电磁波(　　)
A．是蓝光
B．波长比手机通信的电磁波短
C．在真空中的传播速度大小为340 m/s
D．在真空中的传播速度比可见光传播的速度小
B　[由题意可得，蓝牙通信的电磁波频率小于可见光频率，故不可能是蓝光，故A错误；由题图可知，蓝牙通信的电磁波比手机通信的电磁波频率大，由c＝λf可知，频率越大，波长越短，故蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波短，故B正确；在真空中电磁波的传播速度大小均为c＝3×108 m/s，故C、D错误。]
11．具有NFC(近距离无线通信技术)功能的两只手机在间距小于10 cm时可以通过电磁波直接传输信息，其载波频率为1.4×107 Hz，电磁波在空气中的传播速度为3.0×108 m/s，求该载波的波长(保留两位有效数字)。
[解析]　根据题意，由公式c＝λf可得，该载波的波长为λ＝
代入数据解得λ≈21 m。
[答案]　21 m
12．波长为50～100 m的无线电波适宜通过电离层的反射向远处传播，这些无线电波的频率范围是多大？若传到相隔1 500 km的远处至少需要多长时间？
[解析]　由c＝λf得，f1＝＝ Hz＝6×106 Hz
f2＝＝ Hz＝3×106 Hz
所以频率范围为3×106～6×106 Hz
由x＝ct可得t＝＝ s＝5×10-3 s。
[答案]　3×106～6×106 Hz　5×10-3 s
13．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．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射线具有很强的穿透力
E．红外线具有显著的热效应
F．红外线波长较长，易发生衍射
[解析]　(1)X光机是用来透视人的体内器官的，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，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E。
[答案]　(1)D　(2)C　(3)E(共68张PPT)
4．电磁波的发现及应用
第十三章　
电磁感应与电磁波初步
整体感知·自我新知初探
[学习任务]　1．了解麦克斯韦的电磁场理论。
2．知道电磁波是如何形成的。
3．知道电磁波在真空中的传播速度及波长、频率和波速的关系。
4．知道电磁波谱的组成及各波段的特点、应用。
[问题初探]　问题1．麦克斯韦电磁理论的核心内容是什么？
问题2．电磁波是怎样形成的？
问题3．电磁波的传播需要介质吗？
[提示]　问题1．变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。
问题2．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
问题3．不需要。
[自我感知]　经过你认真的预习，结合你对本节课的理解和认识，请画出本节课的知识逻辑体系。
探究重构·关键能力达成
[链接教材]　如图所示是电磁波的形成示意图，从中可以看出什么特点？
知识点一　电磁场　电磁波
提示：变化的电场和变化的磁场交替产生。
1．麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生______。
(2)变化的______产生磁场。
2．电磁场：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________。
电场
电场
电磁场
3．电磁波的产生：周期性变化的______周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的______周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的________，这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了________。
4．电磁波的传播：电磁波可以在______中传播，电磁波的传播____需要介质。
磁场
电场
电磁场
电磁波
真空
不
5．光也是电磁波
(1)电磁波在真空中的传播速度与真空中的光速______。
(2)麦克斯韦指出：光是以波动形式传播的一种__________。
6．科学研究：德国物理学家______通过实验证实了________的存在，证实了__________的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
相同
电磁振动
赫兹
电磁波
麦克斯韦
如图所示，在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。
问题1．观察上面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？
提示：变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的。
问题2．变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？
提示：不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。
问题3．如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？
提示：没有电流，但有电场存在。
1．麦克斯韦电磁场理论要点
(1)变化的磁场在线圈中产生电场
这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。线圈只不过是用来显示电场的存在，变化的磁场同样在周围空间产生电场，跟闭合电路是否存在无关。
(2)变化的电场产生磁场
变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。
2．对麦克斯韦电磁场理论中“变化”的理解
如何变化 电场 磁场
恒定 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
非均匀
变化 非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
周期性
变化 周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
3．电磁波的特点：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，如图所示。
【典例1】　(对麦克斯韦电磁场理论的理解)(多选)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同频率变化的电场
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
√
√
AB　[变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，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正确；变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场，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。]
【典例2】　(电磁波的产生)某电路中电场随时间变化的图像如下列选项所示，能发射电磁波的电场是(　　)
　A　　　　　　　　　B
　C　　　　　 　　　D
√
D　[A中电场不随时间变化，不会产生磁场；B和C中电场都随时间均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波；D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一的电磁场，发射电磁波，故D项正确。]
1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝____。
2．电磁波在真空中的速度：c＝______________。
3．电磁波谱的概念：按电磁波的______或______大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。
知识点二　电磁波谱
λf
3×108 m/s
波长
频率
光学侦察卫星，采用先进的自适应光学成像技术，地面分辨率最高可达0.1米。
问题1．你知道它上面携带的相机在夜间进行红外摄像时工作在什么波段吗？
提示：工作在红外线这一波段。
问题2．该波段有什么特点？
提示：该波段的波长大于可见光而小于无线电波，主要效应为热效应，常用于加热理疗、红外遥感摄像等。
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
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
【典例3】　(电磁波谱的认识)根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是(　　)
A．微波、红外线、紫外线
B．γ射线、X射线、紫外线
C．紫外线、可见光、红外线
D．紫外线、X射线、γ射线
√
B　[红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误；紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误；在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，B正确，D错误。]
【典例4】　(波速、波长和频率关系应用)电磁波在真空中传播的速度c＝3.00×108 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
√
【典例5】　(电磁波的应用)电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了，下列说法正确的是(　　)
A．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪利用了X射线的穿透本领
B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线
C．微波炉能快速加热食物是因为红外线具有显著的热效应
D．手机通话使用的无线电波，其波长比可见光的波长短
√
A　[机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪利用了X射线的穿透本领，故A正确；遥控器发出的光是红外线，不是紫外线，故B错误；微波炉是利用微波的频率与水分子的频率相接近，从而使水分子振动而发热的，故C错误；手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光的波长，故D错误。]
1．电磁波是一种______，而且具有______。
2．应用：生活中常用微波炉来加热食物，食物增加的能量是______给它的。
3．人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物等，这些信息都是通过________来传递的。
4．电磁波的传输：可以通过有线传播，也可实现______传播。
知识点三　电磁波的能量　电磁波通信
物质
能量
微波
电磁波
无线
1．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。
2．只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。
3．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。
【典例6】　(电磁波的能量)关于电磁波下列说法正确的是(　　)
A．电磁波是一种物质
B．电磁波可以传递信息，但不能传递能量
C．遥控器发出的红外线波长和医院CT中的X射线波长相同
D．变化的电场产生磁场，变化的磁场不能产生电场
A　[电磁波是一种物质，故A正确；电磁波既可以传递信息，也可以传播能量，故B错误；红外线的波长大于X射线的波长，故C错误；变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故D错误。]
√
【典例7】　(电磁波通信)(多选)下列说法正确的是(　　)
A．北斗导航系统是利用电磁波进行定位和导航的
B．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应
C．常用的电视机遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机
D．遥感技术中利用了红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征
√
√
AD　[北斗导航系统是利用电磁波工作的，A正确；食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，温度升高，内能增加，B错误；常用的电视机遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，C错误；遥感技术中利用红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征，D正确。]
应用迁移·随堂评估自测
1．(多选)下列说法正确的有(　　)
A．最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B．电磁感应现象是法拉第发现的
C．建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦
D．最早预言电磁波存在的科学家是赫兹
√
2
4
3
题号
1
√
√
ABC　[最早预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，赫兹用实验证明了电磁波的存在，D错误；由物理学史的知识可知，A、B、C正确。]
2．关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
2
3
题号
1
4
√
D　[根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才能产生变化的磁场，周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场，故D正确。]
2
3
题号
1
4
3． (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方向、磁感应强度方向均垂直
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
2
3
题号
4
1
√
√
√
ABC　[电磁波在真空中的传播速度均相同，与电磁波的频率无关，故A正确；周期性变化的电场和磁场可以相互激发，由近及远地传播形成电磁波，故B正确；电磁波在每一处的电场方向和磁场方向总是相互垂直的，且与波的传播方向垂直，故C正确；利用电磁波传递信号可以实现无线通信，电磁波也能通过电缆、光缆传输，故D错误。]
2
3
题号
4
1
4．(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波
C．紫外线的频率比紫光低
D．在电磁波谱中，穿透能力最强的是X射线
2
4
3
题号
1
√
√
AB　[X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；γ射线是波长最短的电磁波，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，紫外线的频率比紫光高，在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强，选项C、D错误。]
2
4
3
题号
1
回归本节知识，完成以下问题：
1．如图所示实验装置，线圈中产生了感应电流说明了什么？
提示：麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生了电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流。
2．声波与水波的传播均需要介质，为什么电磁波可以在真空中传播？
提示：电磁波的传播不需要介质，依靠的是电场与磁场的相互“激发”。
3．电磁波在真空中的传播速度是多少？无线电波的波长比可见光的波长长还是短？除了无线电波和可见光之外，还有其他哪些电磁波？
提示：电磁波在真空中的传播速度等于光速，无线电波的波长比可见光的波长长，电磁波还包括红外线、紫外线、X射线、γ射线。
?题组一　电磁场　电磁波
1．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述正确的是(　　)
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场
C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场
D．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波
1
题号
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√
10
11
12
13
课时分层作业(十九)　电磁波的发现及应用
√
AB　[教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中的电流是交变电流，在其周围产生交变磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；只有周期性变化的电场和磁场交替产生，才能由发生区域向外传播形成电磁波，故选项D错误。]
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题号
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2．磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的磁场和能产生持续电磁波的磁场分别为(　　)
A．②③④、③④ B．①③④、③④
C．②③④、②④ D．①③④、②④
√
1
题号
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C　[根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故②③④都可以产生电场；周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，从而产生电磁波，故只有②④可以产生电磁波，故C正确。]
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题号
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3．下列关于电磁波的说法，正确的是(　　)
A．电磁波只能在真空中传播
B．电场随时间变化时一定产生电磁波
C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
√
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题号
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C　[虽然电磁波在传播过程中可以不需要介质，但并不是只能在真空中传播，故选项A错误；产生电磁波需要一定的条件，当电场随时间做周期性变化时才会产生电磁波，故选项B错误；做变速运动的电荷会在空间产生电磁波，故选项C正确；麦克斯韦只是预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故选项D错误。]
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题号
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4．关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C．电磁波由真空进入某种介质传播时，波长将变长
D．电磁波只能在真空中传播
√
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题号
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A　[电磁波是交替变化的电磁场由发生区域向远处的传播，在真空中的传播速度是3×108 m/s。在其他介质中的传播速度小于3×
108 m/s。电磁波在传播的过程中，频率f不变，由v＝λf可知传播速度变小时，波长变短，故A正确，B、C、D均错误。]
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题号
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?题组二　电磁波谱
5．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是(　　)
A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限
B．γ射线的频率一定大于X射线的频率
C．X射线的波长有可能等于紫外线波长
D．可见光波长一定比无线电波的短
√
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题号
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√
CD　[X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确。]
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题号
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6．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　)
A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，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是X射线
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
√
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题号
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D　[X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有很高的穿透本领，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学效应，可以使感光底片感光，D正确。]
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题号
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?题组三　电磁波的能量　电磁波通信
7．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的
B．医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的
C．科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化
D．在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
√
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题号
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√
CD　[热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，A错误，D正确；穿透本领最强的是γ射线，B错误；臭氧层可吸收、阻挡过强的紫外线，使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害，另外臭氧层空洞可引起气候恶化，C正确。]
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8．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来监控地面物体的状况。地球大气中的水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。如图甲、乙所示分别为水蒸气和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感卫星大致能够接收到的波长范围为(　　)
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题号
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A．2.5～3.5 μm B．4～4.5 μm
C．5～7 μm D．8～13 μm
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D　[由题图可知，8～13 μm波段的红外线，水蒸气和二氧化碳几乎都不吸收，故D正确。]
√
9．(多选)下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波的传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
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题号
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√
√
CD　[要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；电磁波是物质波，电磁波的传播不需要介质，B错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C正确；电磁波具有能量，电磁波的传播过程，也就是能量的传播过程，D正确。]
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10．使用蓝牙耳机接听手机来电，其信号传输的示意图如图所示，已知可见光的频率范围是4.2×1014～7.8×1014 Hz，则蓝牙通信的电磁波(　　)
A．是蓝光
B．波长比手机通信的电磁波短
C．在真空中的传播速度大小为340 m/s
D．在真空中的传播速度比可见光传播的速度小
√
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B　[由题意可得，蓝牙通信的电磁波频率小于可见光频率，故不可能是蓝光，故A错误；由题图可知，蓝牙通信的电磁波比手机通信的电磁波频率大，由c＝λf可知，频率越大，波长越短，故蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波短，故B正确；在真空中电磁波的传播速度大小均为c＝3×108 m/s，故C、D错误。]
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11．具有NFC(近距离无线通信技术)功能的两只手机在间距小于
10 cm时可以通过电磁波直接传输信息，其载波频率为1.4×107 Hz，电磁波在空气中的传播速度为3.0×108 m/s，求该载波的波长(保留两位有效数字)。
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[答案]　21 m
12．波长为50～100 m的无线电波适宜通过电离层的反射向远处传播，这些无线电波的频率范围是多大？若传到相隔1 500 km的远处至少需要多长时间？
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[答案]　3×106～6×106 Hz　5×10-3 s
13．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，________。
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D
C
(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射线具有很强的穿透力
E．红外线具有显著的热效应
F．红外线波长较长，易发生衍射
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E
[解析]　(1)X光机是用来透视人的体内器官的，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，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E。
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