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(共48张PPT)
2　电磁波
[学习目标]　
1.理解麦克斯韦电磁理论的基本假设及其重要意义。2.知道电磁场和电磁波及电磁波在真空中的速度。3.了解赫兹实验的意义。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
1.变化的磁场能够在周围空间产生电场:磁场随时间变化越快,产生的电场
;磁场随时间的变化 时,产生 的电场;稳定的磁场周围不产生电场。电场的产生有两种方式:由电荷产生或由 产生。
2.变化的电场能够在周围空间产生磁场:电场随时间变化快,则产生的磁场
;若电场随时间的变化不均匀,则会产生 的磁场; 的电场周围不产生磁场。
越强
不均匀
变化
变化的磁场
强
变化
稳定
3.电磁场:如果在空间某区域有不均匀变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间引起 ,不均匀变化的磁场又在它周围空间引起 ……于是, 的电场和 的磁场交替产生,形成不可分割的统一体,称为电磁场。
变化的磁场
变化的电场
变化
变化
1.定义:变化的电场和磁场 而形成的电磁场在空间中 传播形成了电磁波。
2.电磁波与机械波的区别。
机械波是质点的 的传播,它必须在 中传播;而电磁波是
的传播,传播过程不需要 ,可以在 中传播。
知识点二　电磁波
交替产生
由近及远
机械振动
介质
电磁场
介质
真空
vT
3×108
4.麦克斯韦 了电磁波的存在,赫兹第一次用实验 了电磁波的存在。
5.赫兹的其他成果。
赫兹还用实验证明,电磁波跟所有波动现象一样,能产生反射、 、 、衍射等现象,从而证实了麦克斯韦的电磁场理论。
预见
证实
折射
干涉
麦克斯韦电磁理论是继牛顿建立经典力学体系之后的又一次对自然现象认识的伟大综合。它为深入研究物质的 及客观性质提供了理论工具,统一了人们对电磁和光现象的认识,为电和磁的利用奠定了理论基础。
知识点三　麦克斯韦理论在物理学发展史上的意义
电磁结构
「新知检测」
1.思考判断
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　 　)
(2)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。(　 　)
(3)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(　 　)
(4)电磁波的传播速度等于光速c。(　 　)
(5)电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播。(　 　)
×
×
×
×
√
2.思维探究
(1)变化的磁场一定产生变化的电场吗
【答案】 (1)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。
(2)电磁场与电场、磁场相同吗
【答案】 (2)不同。电磁场是动态的,并且电场和磁场不可分割;电场、磁场单独存在。
(3)中国航天员在中国空间站为中小学生授课。思考一下,航天员授课的视频是怎样传到地面上的
【答案】 (3)通过电磁波来传递的。
突破·关键能力
要点一　麦克斯韦电磁场理论
「情境探究」
如图所示,磁铁相对闭合线圈上、下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,是受到什么力的作用 这能否说明变化的磁场产生了电场 如果没有导体,情况会怎样
【答案】 磁铁上、下运动时,导体中自由电荷定向移动,说明电荷受到静电力的作用,即导体处在电场中。磁铁的上、下运动使线圈处在变化的磁场中,这表明变化的磁场周围产生了电场。如果没有导体,该处仍会产生电场。
「要点归纳」
1.变化的磁场产生电场:如图所示,麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象,跟闭合电路(导体环)是否存在无关,导体环的作用只是用来显示电流的存在。
2.变化的电场产生磁场:根据麦克斯韦电磁场理论,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,变化的电场周围也要产生磁场,如图所示。
3.对麦克斯韦电磁场理论的理解
注意:在变化的磁场中形成的电场,其电场线是闭合的,和静电场中的电场线不同。
[例1] 如图甲、乙所示为麦克斯韦电磁场理论对应的两个模型,甲是变化的磁场产生电场,乙是变化的电场产生磁场。下列说法正确的是(　　)
[A] 对图甲,变化的磁场只能在其周围的闭合线圈中产生电场
[B] 对图乙,只有带电平行板间的变化电场才能在板间产生磁场
[C] 甲、乙两图一定能持续产生电磁波
[D] 电磁波是横波,而且是一种真实存在的物质
D
【解析】 变化的磁场能够在周围的空间产生电场,变化的电场能够在周围的空间产生磁场,不需要闭合线圈,不是只有带电平行板间的变化电场才能在板间产生磁场,且这种现象可以在真空中发生,故A、B错误;若磁场均匀变化,就会产生稳定不变的电场,稳定不变的电场不会产生磁场,也就不会持续产生电磁波,故C错误;电磁波是横波,而且是一种真实存在的物质,故D正确。
在理解麦克斯韦的电磁场理论时,要注意静电场不产生磁场,稳定的磁场也不产生电场。还要注意根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场(或电场)。
·名师点拨·
[针对训练1] (多选)麦克斯韦在前人研究的基础上,创造性地建立了经典电磁场理论,进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例:圆形平行板电容器在充、放电的过程中,板间电场发生变化,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向及电容器极板间电场强度E的方向如图所示,则下列说法正确的是
(　 　)
[A] 两平行板间的电场正在增强
[B] 该变化电场产生逆时针方向(俯视)的磁场
[C] 该变化电场产生的磁场越来越弱
[D] 电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
CD
【解析】 由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电,下极板带正电,电流由下极板通过电阻R流向上极板,故电容器正在放电,电容器的电荷量正在减少,两平行板间的电压减小,其中的电场正在减弱,故A错误;由题意可知,产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场,由安培定则可知产生的磁场为顺时针方向(俯视),故B错误;两平行板间的电压减小,由欧姆定律可知通过电阻R的电流减小,由题意,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场,故该变化电场产生的磁场越来越弱,故C正确;
要点二　对电磁波的认识
「情境探究」
赫兹实验:如图所示。
【答案】 (1)当感应线圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时,空间中出现了迅速变化的电磁场,这种电磁场以电磁波的形式在空间中传播,在电磁波到达检波器时,它在检波器中激发出感应电动势,使得检波器的两个金属小球间也产生了电火花。
实验现象:当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,检波器的两个金属小球间也跳过电火花。问:
(1)当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,为什么检波器的两个金属小球间也跳过电火花
【答案】 (2)电磁波的传播不需要介质,电磁波是带有能量的,电磁波在介质中传播时把部分能量传递给了介质,在真空中传播时,没有转移能量的载体,所以不会损耗。
(2)该实验在真空中效果更明显,为什么
「要点归纳」
1.电磁波是横波:在传播方向上的任意一点的E和B都随时间做正弦规律变化,
E与B彼此垂直且与传播方向垂直。
2.电磁波的传播不需要介质:电磁波在真空中的传播速度跟光速相同,即c≈3×108 m/s。
3.电磁波具有波的共性:能产生干涉、衍射等现象,电磁波与物质相互作用时,能产生反射、吸收、折射等现象。
4.电磁波传播的过程也就是电磁能量传播的过程。
[例2] (多选)“中国天眼”是一种用于接收和研究天体发射的电磁波的特殊装置。下列有关电磁波的说法,正确的是(　 　)
[A] 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在
[B] 变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场一定可以产生变化的磁场
[C] 电磁波的传播需要介质
[D] 电磁波是横波
AD
【解析】 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在,故A正确;变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场不一定可以产生变化的磁场,比如均匀变化的电场产生稳定的磁场,故B错误;电磁波的传播不需要介质,故C错误;电磁波的传播方向与振动方向垂直,是横波,故D正确。
电磁波的特点
(1)电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波在与二者均垂直的方向传播。电磁波是横波。
·名师点拨·
(3)电磁波的频率为电磁振荡的频率,由波源决定,与介质无关。在真空中的速度为c≈3.0×108 m/s。
[针对训练2] 5G是指第五代移动通信技术,采用3 300~5 000 MHz频段的无线电波。而第四代移动通信技术4G,其频段范围是1 880~2 635 MHz。5G相比4G技术而言,具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。根据以上内容结合所学知识,判断下列说法正确的是(　　)
[A] 4G信号是纵波,5G信号是横波
[B] 4G信号和5G信号相遇能产生干涉现象
[C] 4G信号比5G信号更容易发生衍射现象
[D] 4G信号比5G信号在真空中的传播速度更慢
C
【解析】 4G信号和5G信号都是电磁波,而电磁波是横波,故二者都是横波,选项A错误;由于干涉的条件是频率相等,而4G信号和5G信号的频率不相等,故它们相遇不能产生干涉现象,选项B错误;波长越长越容易发生衍射现象,
4G信号的频率小,由c=λf可知其波长较长,所以4G信号更容易发生衍射现象,选项C正确;4G信号和5G信号都是电磁波,它们在真空中的传播速度都是光速,是相等的,选项D错误。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
电磁理论与力学结合的问题
在力、电综合性的问题中,其中的许多物理量是既相互关联又相互制约的,如变化的磁场产生电场,F电的存在又改变了带电小球的运动状态,进而运动状态的改变又带来了F洛的变化,继而又带来了弹力N的变化等。
[示例] (多选)如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球,正以速度v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的带电荷量不变,那么(　 　)
[A] 小球对玻璃圆环的压力不断增大
[B] 小球受到的磁场力不断增大
[C]小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速
运动
[D] 磁场力对小球一直不做功
CD
【解析】 因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场,对带正电的小球做功。由楞次定律,判断电场方向为顺时针方向。在电场力的作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力的作用:环的弹力N和磁场力F=Bqv,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力。考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化,弹力N和磁场力F不一定始终都在增大。磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功。故选C、D。
「科学·技术·社会·环境」
雷达
雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。
雷达测量距离原理是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差,因电磁波以光速传播,据此就能换算成雷达与目标的精确距离;测量目标方位原理是利用天线的尖锐方位波束,通过测量目标的仰角,从而根据仰角和距离计算出目标高度。
[示例] 某飞机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行,已知雷达发射相邻两次电磁波的时间间隔为5×10-4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示,t=173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示,雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为1×10-4 s,电磁波的传播速度为c≈3×
108 m/s,则该飞机的飞行速度大约为多少 (结果取整数)
【答案】 335 m/s
检测·学习效果
1.下列说法正确的是(　　)
[A] 任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场,振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
[B] 任何电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
[C] 任何变化的电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
[D] 电场和磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场
C
【解析】 根据麦克斯韦电磁场理论,如果电场(磁场)的变化是均匀的,产生的磁场(电场)是恒定的;如果电场(磁场)的变化是不均匀的,产生的磁场(电场)是变化的;振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场);周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场,故选C。
2.英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。后来德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。下列有关电磁波的说法正确的是(　　)
[A] 同一种电磁波在不同的介质中传播时波长是相同的
[B] 各种电磁波在真空中传播的速度是相同的
[C] 有些电磁波不能在真空中传播
[D] 电磁波能发生干涉现象而声波不能
B
【解析】 同一种电磁波在不同的介质中传播时频率相同、波速不同,根据v=λf,可知波长随波速的变化而变化,即同一种电磁波在不同的介质中传播时波长是不相同的,A错误;各种电磁波在真空中的传播速度都是3×108 m/s,B正确;电磁波均能在真空中传播,C错误;声波能发生干涉现象,D错误。
3.在海洋中是不能应用电磁波进行水下通信的,在大海中航行的潜艇都装有声呐,声呐利用声波来进行水下通信,帮助船只导航、测距、定位等(如图)。在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是(　　)
[A] 电磁波不能在海水中传播
[B] 在海水中电磁波的频率不稳定,会随海水起伏而变化
[C] 电磁波在海水中传播速度比在空气中传播速度小
[D] 海水是导体,电磁波在海水中的衰减导致传播距离较短
D
【解析】 在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是海水是导体,海水对电磁波能量吸收得很厉害,电磁波信号在海水中衰减太快,导致传播距离较短,故选D。
4.广播电视、移动通信等通信方式都需要频率资源,占用一定的频率带宽,通常一套电视信号的频率宽度为8 MHz,若某多媒体广播电视的中心频率为
411 MHz,请计算这一广播电视频率范围对应的波长范围。(结果保留3位有效数字)
【答案】 0.723~0.737 m
感谢观看2　电磁波
[学习目标]　1.理解麦克斯韦电磁理论的基本假设及其重要意义。2.知道电磁场和电磁波及电磁波在真空中的速度。3.了解赫兹实验的意义。
探究新知
知识点一　麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
1.变化的磁场能够在周围空间产生电场:磁场随时间变化越快,产生的电场越强;磁场随时间的变化不均匀时,产生变化的电场;稳定的磁场周围不产生电场。电场的产生有两种方式:由电荷产生或由变化的磁场产生。
2.变化的电场能够在周围空间产生磁场:电场随时间变化快,则产生的磁场强;若电场随时间的变化不均匀,则会产生变化的磁场;稳定的电场周围不产生磁场。
3.电磁场:如果在空间某区域有不均匀变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间引起变化的磁场,不均匀变化的磁场又在它周围空间引起变化的电场……于是,变化的电场和变化的磁场交替产生,形成不可分割的统一体,称为电磁场。
知识点二　电磁波
1.定义:变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场在空间中由近及远传播形成了电磁波。
2.电磁波与机械波的区别。
机械波是质点的机械振动的传播,它必须在介质中传播;而电磁波是电磁场的传播,传播过程不需要介质,可以在真空中传播。
3.电磁波的波长λ、波速v和周期T、频率f的关系:λ=vT=。电磁波在真空中的传播速度v=c≈3×108 m/s。
4.麦克斯韦预见了电磁波的存在,赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。
5.赫兹的其他成果。
赫兹还用实验证明,电磁波跟所有波动现象一样,能产生反射、折射、干涉、衍射等现象,从而证实了麦克斯韦的电磁场理论。
知识点三　麦克斯韦理论在物理学发展史上的意义
麦克斯韦电磁理论是继牛顿建立经典力学体系之后的又一次对自然现象认识的伟大综合。它为深入研究物质的电磁结构及客观性质提供了理论工具,统一了人们对电磁和光现象的认识,为电和磁的利用奠定了理论基础。
新知检测
1.思考判断
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　×　)
(2)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。(　×　)
(3)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(　×　)
(4)电磁波的传播速度等于光速c。(　×　)
(5)电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播。(　√　)
2.思维探究
(1)变化的磁场一定产生变化的电场吗
(2)电磁场与电场、磁场相同吗
(3)中国航天员在中国空间站为中小学生授课。思考一下,航天员授课的视频是怎样传到地面上的
【答案】 (1)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。
(2)不同。电磁场是动态的,并且电场和磁场不可分割;电场、磁场单独存在。
(3)通过电磁波来传递的。
要点一　麦克斯韦电磁场理论
情境探究
　如图所示,磁铁相对闭合线圈上、下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,是受到什么力的作用 这能否说明变化的磁场产生了电场 如果没有导体,情况会怎样
【答案】 磁铁上、下运动时,导体中自由电荷定向移动,说明电荷受到静电力的作用,即导体处在电场中。磁铁的上、下运动使线圈处在变化的磁场中,这表明变化的磁场周围产生了电场。如果没有导体,该处仍会产生电场。
要点归纳
1.变化的磁场产生电场:如图所示,麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象,跟闭合电路(导体环)是否存在无关,导体环的作用只是用来显示电流的存在。
2.变化的电场产生磁场:根据麦克斯韦电磁场理论,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,变化的电场周围也要产生磁场,如图所示。
3.对麦克斯韦电磁场理论的理解
注意:在变化的磁场中形成的电场,其电场线是闭合的,和静电场中的电场线不同。
[例1] 如图甲、乙所示为麦克斯韦电磁场理论对应的两个模型,甲是变化的磁场产生电场,乙是变化的电场产生磁场。下列说法正确的是(　　)
[A] 对图甲,变化的磁场只能在其周围的闭合线圈中产生电场
[B] 对图乙,只有带电平行板间的变化电场才能在板间产生磁场
[C] 甲、乙两图一定能持续产生电磁波
[D] 电磁波是横波,而且是一种真实存在的物质
【答案】 D
【解析】 变化的磁场能够在周围的空间产生电场,变化的电场能够在周围的空间产生磁场,不需要闭合线圈,不是只有带电平行板间的变化电场才能在板间产生磁场,且这种现象可以在真空中发生,故A、B错误;若磁场均匀变化,就会产生稳定不变的电场,稳定不变的电场不会产生磁场,也就不会持续产生电磁波,故C错误;电磁波是横波,而且是一种真实存在的物质,故D正确。
在理解麦克斯韦的电磁场理论时,要注意静电场不产生磁场,稳定的磁场也不产生电场。还要注意根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场(或电场)。
[针对训练1] (多选)麦克斯韦在前人研究的基础上,创造性地建立了经典电磁场理论,进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例:圆形平行板电容器在充、放电的过程中,板间电场发生变化,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向及电容器极板间电场强度E的方向如图所示,则下列说法正确的是(　　)
[A] 两平行板间的电场正在增强
[B] 该变化电场产生逆时针方向(俯视)的磁场
[C] 该变化电场产生的磁场越来越弱
[D] 电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
【答案】 CD
【解析】 由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电,下极板带正电,电流由下极板通过电阻R流向上极板,故电容器正在放电,电容器的电荷量正在减少,两平行板间的电压减小,其中的电场正在减弱,故A错误;由题意可知,产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场,由安培定则可知产生的磁场为顺时针方向(俯视),故B错误;两平行板间的电压减小,由欧姆定律可知通过电阻R的电流减小,由题意,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场,故该变化电场产生的磁场越来越弱,故C正确;设电容器的电压为U,板间距离为d,板间的电场强度的大小为E,则有 E=,而电路中的电流为I==,可知电路中的电流正比于板间的电场强度的大小,故D
正确。
要点二　对电磁波的认识
情境探究
赫兹实验:如图所示。
实验现象:当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,检波器的两个金属小球间也跳过电火花。问:
(1)当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,为什么检波器的两个金属小球间也跳过电火花
(2)该实验在真空中效果更明显,为什么
【答案】 (1)当感应线圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时,空间中出现了迅速变化的电磁场,这种电磁场以电磁波的形式在空间中传播,在电磁波到达检波器时,它在检波器中激发出感应电动势,使得检波器的两个金属小球间也产生了电火花。
(2)电磁波的传播不需要介质,电磁波是带有能量的,电磁波在介质中传播时把部分能量传递给了介质,在真空中传播时,没有转移能量的载体,所以不会损耗。
要点归纳
1.电磁波是横波:在传播方向上的任意一点的E和B都随时间做正弦规律变化,E与B彼此垂直且与传播方向垂直。
2.电磁波的传播不需要介质:电磁波在真空中的传播速度跟光速相同,即c≈3×108 m/s。
3.电磁波具有波的共性:能产生干涉、衍射等现象,电磁波与物质相互作用时,能产生反射、吸收、折射等现象。
4.电磁波传播的过程也就是电磁能量传播的过程。
5.电磁波的波速、波长与频率的关系:v=λf或λ=。
[例2] (多选)“中国天眼”是一种用于接收和研究天体发射的电磁波的特殊装置。下列有关电磁波的说法,正确的是(　　)
[A] 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在
[B] 变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场一定可以产生变化的磁场
[C] 电磁波的传播需要介质
[D] 电磁波是横波
【答案】 AD
【解析】 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在,故A正确;变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场不一定可以产生变化的磁场,比如均匀变化的电场产生稳定的磁场,故B错误;电磁波的传播不需要介质,故C错误;电磁波的传播方向与振动方向垂直,是横波,故D正确。
电磁波的特点
(1)电磁波中的电场和磁场相互垂直,电磁波在与二者均垂直的方向传播。电磁波是横波。
(2)相邻两个波峰(或波谷)之间的距离等于电磁波的波长,一个周期的时间,电磁波传播一个波长的距离 λ=。
(3)电磁波的频率为电磁振荡的频率,由波源决定,与介质无关。在真空中的速度为c≈3.0×108 m/s。
[针对训练2] 5G是指第五代移动通信技术,采用3 300~5 000 MHz频段的无线电波。而第四代移动通信技术4G,其频段范围是1 880~2 635 MHz。5G相比4G技术而言,具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。根据以上内容结合所学知识,判断下列说法正确的是(　　)
[A] 4G信号是纵波,5G信号是横波
[B] 4G信号和5G信号相遇能产生干涉现象
[C] 4G信号比5G信号更容易发生衍射现象
[D] 4G信号比5G信号在真空中的传播速度更慢
【答案】 C
【解析】 4G信号和5G信号都是电磁波,而电磁波是横波,故二者都是横波,选项A错误;由于干涉的条件是频率相等,而4G信号和5G信号的频率不相等,故它们相遇不能产生干涉现象,选项B错误;波长越长越容易发生衍射现象,4G信号的频率小,由c=λf可知其波长较长,所以4G信号更容易发生衍射现象,选项C正确;4G信号和5G信号都是电磁波,它们在真空中的传播速度都是光速,是相等的,选项D错误。
模型·方法·结论·拓展
电磁理论与力学结合的问题
　　在力、电综合性的问题中,其中的许多物理量是既相互关联又相互制约的,如变化的磁场产生电场,F电的存在又改变了带电小球的运动状态,进而运动状态的改变又带来了F洛的变化,继而又带来了弹力N的变化等。
[示例] (多选)如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球,正以速度v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的带电荷量不变,那么(　　)
[A] 小球对玻璃圆环的压力不断增大
[B] 小球受到的磁场力不断增大
[C] 小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动
[D] 磁场力对小球一直不做功
【答案】 CD
【解析】 因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场,对带正电的小球做功。由楞次定律,判断电场方向为顺时针方向。在电场力的作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力的作用:环的弹力N和磁场力F=Bqv,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力。考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化,弹力N和磁场力F不一定始终都在增大。磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功。故选C、D。
科学·技术·社会·环境
雷达
　　雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。
　　雷达测量距离原理是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差,因电磁波以光速传播,据此就能换算成雷达与目标的精确距离;测量目标方位原理是利用天线的尖锐方位波束,通过测量目标的仰角,从而根据仰角和距离计算出目标高度。
[示例] 某飞机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行,已知雷达发射相邻两次电磁波的时间间隔为5×10-4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示,t=173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示,雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为1×
10-4 s,电磁波的传播速度为c≈3×108 m/s,则该飞机的飞行速度大约为多少 (结果取整数)
【答案】 335 m/s
【解析】 由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0=1×10-4 s,题图甲发射波和接收波的时间间隔t1=4×10-4 s,题图乙时间间隔t2=1×10-4 s,所以第一次飞机位置与雷达的距离为
s1=c·=6.0×104 m,
第二次飞机在雷达正上方,所以飞机高度h=c·=1.5×104 m,
所以173 s内飞机飞行的水平距离为s=≈5.8×104 m,
所以v=≈335 m/s。
1.下列说法正确的是(　　)
[A] 任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场,振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
[B] 任何电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
[C] 任何变化的电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
[D] 电场和磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场
【答案】 C
【解析】 根据麦克斯韦电磁场理论,如果电场(磁场)的变化是均匀的,产生的磁场(电场)是恒定的;如果电场(磁场)的变化是不均匀的,产生的磁场(电场)是变化的;振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场);周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场,故选C。
2.英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。后来德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。下列有关电磁波的说法正确的是(　　)
[A] 同一种电磁波在不同的介质中传播时波长是相同的
[B] 各种电磁波在真空中传播的速度是相同的
[C] 有些电磁波不能在真空中传播
[D] 电磁波能发生干涉现象而声波不能
【答案】 B
【解析】 同一种电磁波在不同的介质中传播时频率相同、波速不同,根据v=λf,可知波长随波速的变化而变化,即同一种电磁波在不同的介质中传播时波长是不相同的,A错误;各种电磁波在真空中的传播速度都是3×108 m/s,B正确;电磁波均能在真空中传播,C错误;声波能发生干涉现象,D错误。
3.在海洋中是不能应用电磁波进行水下通信的,在大海中航行的潜艇都装有声呐,声呐利用声波来进行水下通信,帮助船只导航、测距、定位等(如图)。在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是(　　)
[A] 电磁波不能在海水中传播
[B] 在海水中电磁波的频率不稳定,会随海水起伏而变化
[C] 电磁波在海水中传播速度比在空气中传播速度小
[D] 海水是导体,电磁波在海水中的衰减导致传播距离较短
【答案】 D
【解析】 在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是海水是导体,海水对电磁波能量吸收得很厉害,电磁波信号在海水中衰减太快,导致传播距离较短,故选D。
4.广播电视、移动通信等通信方式都需要频率资源,占用一定的频率带宽,通常一套电视信号的频率宽度为8 MHz,若某多媒体广播电视的中心频率为411 MHz,请计算这一广播电视频率范围对应的波长范围。(结果保留3位有效数字)
【答案】 0.723~0.737 m
【解析】 电视信号的中心频率为411 MHz,频率宽度为 8 MHz,可知该电视信号的电磁波频率范围是407~415 MHz,
当频率为f1=407 MHz=4.07×108 Hz时,
对应的电磁波波长λ1== m≈0.737 m,
当频率为f2=415 MHz=4.15×108 Hz时,
对应的电磁波波长λ2== m≈0.723 m,
因此,该广播电视对应的电磁波波长范围为0.723~0.737 m。
课时作业
(分值:60分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
1.1820年奥斯特发现了电流的磁效应,1831年法拉第发现了电磁感应现象从而引发人们对电磁场理论与电磁波存在的预言和实践研究。最先提出电磁场理论并预言电磁波存在,以及用电火花实验证实电磁波存在的物理学家分别是(　　)
[A] 安培和亨利 [B] 奥斯特和法拉第
[C] 麦克斯韦和科拉顿 [D] 麦克斯韦和赫兹
【答案】 D
【解析】 最先提出电磁场理论并预言电磁波存在的物理学家是麦克斯韦,用电火花实验证实电磁波存在的物理学家是赫兹,故D正确,A、B、C错误。
2.如图所示是某一固定面积的磁通量的变化图像,它在周围空间某一点激发的电场的电场强度E应是(　　)
[A] 逐渐增强 [B] 逐渐减弱
[C] 不变 [D] 无法确定
【答案】 C
【解析】 由题图知,磁通量均匀变化,而面积一定,故磁感应强度B均匀变化,故在其周围产生稳定的电场,故C正确。
3.关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
[A] 在真空中,频率越高的电磁波传播速度越大
[B] 在真空中,电磁波的能量越大,传播速度越大
[C] 电磁波由真空进入介质,速度变小,频率不变
[D] 只要发射电路的电磁振荡一停止,产生的电磁波立即消失
【答案】 C
【解析】 任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是光速c,故A、B错误;电磁波由真空进入介质,波速变小,而频率不变,故C正确;不均匀变化的电场、磁场由变化区域向外传播就形成电磁波,发射电路的电磁振荡停止时,虽不再发射电磁波,但已发射出的电磁波还要继续传播,故D错误。
4.“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲时,航天员太空授课的画面通过电磁波传输到地面接收站。关于电磁场和电磁波,下列说法正确的是(　　)
[A] 电磁波在任何介质中的传播速度都为 3×108 m/s
[B] 将手机放在真空塑料袋中,拨打该手机,手机不能接收信号
[C] 赫兹首先用实验证实了电磁波的存在
[D] 麦克斯韦认为,变化的电场一定产生变化的磁场,变化的磁场一定产生变化的电场
【答案】 C
【解析】 电磁波在真空中传播的速度都是3×108 m/s,而在介质中的传播速度要小于3×
108 m/s,故A错误;电磁波的传播不需要介质,故将手机放在真空塑料袋中,拨打该手机,手机能接收信号,故B错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹首先用实验证实了电磁波的存在,故C正确;根据麦克斯韦的电磁场理论可知,均匀变化的电场产生恒定不变的磁场,均匀变化的磁场产生恒定不变的电场,故D错误。
5.关于电磁场和电磁波,下列说法不正确的是(　　)
[A] 变化的电场周围产生变化的磁场,变化的磁场周围产生变化的电场,两者相互联系,统称为电磁场
[B] 电磁场从发生区域由近及远地传播称为电磁波
[C] 电磁波是一种物质,可在真空中传播。所以,平日说真空是没有实物粒子,但不等于什么都没有,有“场”这种特殊物质
[D] 电磁波在真空中的传播速度总是3×108 m/s
【答案】 A
【解析】 只有非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,非均匀变化的磁场才能产生变化的电场,故A说法错误;非均匀变化的电场周围产生变化的磁场,非均匀变化的磁场周围产生变化的电场且由近及远地传播出去就形成了电磁波,故B说法正确;电磁波是电场和磁场交替激发在真空中传播,所以电磁波是一种物质,即真空不空,有“场”这种物质,故C说法正确;电磁波在真空中的传播速度等于光速,即v=3.0×108 m/s,故D说法正确。
6.在真空中传播的电磁波,当它的频率增高时,它的传播速度及其波长(　　)
[A] 速度不变,波长减小 [B] 速度不变,波长增大
[C] 速度减小,波长增大 [D] 速度增大,波长不变
【答案】 A
【解析】 电磁波在真空中的传播速度始终为3×108 m/s,与频率无关;由c=λf知,波速不变,频率增高,波长减小,故选项B、C、D错误,A正确。
7.老师在讲台上给同学们演示摩擦起电实验:将玻璃棒周期性地反复在丝绸上摩擦,玻璃棒就带上正电荷,丝绸就带上负电荷。在老师做这个实验过程中,下列说法正确的是(　　)
[A] 摩擦起电过程中只发生电荷转移,不会在周围产生磁场
[B] 摩擦起电过程中既发生电荷转移,又会在周围产生磁场
[C] 老师的手停止摩擦,静止状态下的带电的玻璃棒仍会在周围产生磁场
[D] 老师的手停止摩擦,静止状态下的带电的丝绸仍会在周围产生磁场
【答案】 B
【解析】 摩擦起电过程带电玻璃棒反复周期性运动,周期性变化的电场产生磁场,A错误,B正确;老师的手停止摩擦后,静止的电荷不会产生磁场,C、D错误。
8.“黑匣子”在水下定位主要依靠超声波而不是电磁波。“黑匣子”入水后,超声波脉冲发生器启动,向周围水域发射信号。下列关于电磁波和超声波的说法正确的是(　　)
[A] 均能在真空中传播
[B] 均能发生干涉和衍射
[C] 从水中进入空气传播速度均变小
[D] 在真空中传播速度均为3.0×108 m/s
【答案】 B
【解析】 电磁波能在真空中传播,传播速度为3.0×108 m/s,而超声波只能在介质中传播,A、D错误;一切波都能发生干涉和衍射现象,B正确;超声波在水中传播速度增大,电磁波在水中传播速度变小,C错误。
9.(多选)如图甲所示,在变化的磁场中放置一个闭合电路,电路中产生了感应电流;如图乙所示,空间存在变化的磁场,其周围产生感生电场。下列说法正确的是(　　)
[A] 甲、乙两图一定能持续产生电磁波
[B] 图甲从上向下看,电子在回路中沿顺时针方向运动
[C] 图甲中闭合电路的存在只是提供了观测电场存在的手段,即使没有闭合电路空间仍能产生电场
[D] 变化的磁场周围产生电场,与闭合电路是否存在无关
【答案】 CD
【解析】 若题图甲、乙中的磁场均匀变化,就会产生稳定的电场,稳定的电场不会产生磁场,就不会产生电磁波,故A错误;题图甲从上向下看,感应电流沿顺时针方向,电子在回路中沿逆时针方向运动,故B错误;变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象,与闭合电路是否存在无关,题图甲中闭合电路的存在只是提供了观测电场存在的手段,即使没有闭合电路,空间仍能产生电场,故C、D正确。
10.(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断,下列所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中正确的是(每个选项中的上图表示变化的场,下图表示变化的场产生的另外的场)(　　)
　　　
[A] [B]
　　
[C] [D]
【答案】 BC
【解析】 选项A中的上图磁场是稳定的,由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场,故选项A错误;选项B中的上图是均匀变化的电场,应该产生稳定的磁场,下图的磁场是稳定的,故选项B正确;选项C中的上图是振荡的磁场,它能产生同频率的振荡电场,且相位差为,故选项C正确;选项D的上图是振荡的电场,在其周围空间产生振荡的磁场,但是下图中的图像与上图相比较,相位差为π,故选项D错误。
11.(8分)如果某广播电台向外发射500 kHz的电磁波,距该电台6×103 km处有一台收音
机,问:
(1)此电磁波的波长为多大
(2)从电台发出的信号经过多长时间可以到达收音机处
【答案】 (1)600 m　(2)0.02 s
【解析】 (1)根据波速公式c=λf,
又电磁波在真空中的传播速度为c=3×108 m/s,
代入数据,解得λ==600 m。
(2)根据公式,可得从电台发出的信号到达收音机处经过的时间为t== s=0.02 s。
12.(8分)某雷达工作时,发射电磁波的波长λ=20 cm,每秒脉冲数n=5 000,每个脉冲持续时间t=0.02 μs,问:电磁波的振荡频率为多少 最大侦察距离是多少
【答案】 1.5×109 Hz　30 km
【解析】 由c=λf,可得电磁波的振荡频率f== Hz=1.5×109 Hz,
电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离
s=cΔt=c(-t)=3×108×(-0.02×10-6) m≈6×104 m,
所以雷达的最大侦察距离s′==3×104 m=30 km。

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