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2　电磁场与电磁波
素养 目标定位
目标素养
1.知道变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场
2.知道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.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律
知识概览
课前 基础认知
一、电磁场
1.麦克斯韦电磁理论的两个基本假设。
(1)变化的磁场产生电场(如图甲所示)。
(2)变化的电场产生磁场(如图乙所示)。
甲　变化的磁场产生电场
乙　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:如果在空间某区域有周期性变化的电场,就会在周围引起变化的磁场,变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波。
微判断1 (1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　　)
(2)变化的磁场周围一定存在着电场,与是否有闭合电路无关。
(　　)
(3)周期性变化的磁场产生同频率变化的电场。(　　)
(4)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。(　　)
(5)电场周围一定存在磁场。(　　)
(6)磁场周围一定存在电场。(　　)
×
√
√
√
×
×
二、电磁波
1.电磁波的特点。
(1)电磁波是横波,电磁波在空间传播不需要介质。
(2)电磁波在真空中的传播速度等于光速c,c= 3.0×108 m/s,光是电磁波。
(3)电磁波能发生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
(4)电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换,电磁波传播过程就是能量传播过程。
2.赫兹的电火花。
(1)赫兹的实验装置。
(2)实验现象。
当感应圈两个金属球间有火花跳过时,导线环两个小球间也跳过了火花。
(3)现象分析。
当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时,周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中也产生了火花。
(4)实验结论:证实了电磁波的存在。
微判断2 (1)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。(　　)
(2)电磁波在真空和介质中传播速度相同。(　　)
(3)只要有电场和磁场,就能产生电磁波。(　　)
(4)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。(　　)
√
×
×
×
课堂 重难突破
一 正确理解麦克斯韦的电磁场理论
问题探究
如图所示,磁体相对于闭合线圈上下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,自由电荷受到什么力的作用 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
提示:磁体上、下运动时,导体中自由电荷定向移动,说明电荷受到静电力作用,即导体处在电场中。磁体的上、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。
归纳总结
1.电磁场与静电场、静磁场的比较。
(1)三者可以在某空间混合存在,但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发形成的统一体。
(2)变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关。
(3)有单独存在的静电场,也有单独存在的静磁场,但没有静止的电磁场。
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解。
电场→磁场 磁场→电场
恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
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
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡(周期性变化的)电场产生同频率的振荡磁场 振荡(周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场
3.电场和磁场的变化关系。
特别提醒
变化的电场一定能产生磁场,但不一定能产生变化的磁场,如均匀变化的电场产生稳定的磁场;同理,变化的磁场也不一定产生变化的电场。
典型例题
【例1】 (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的周期性变化的电场
C.变化的电场和变化的磁场相互关联,一定能形成一个统一的场,即电磁场
D.电场周围不一定存在磁场,磁场周围不一定存在电场
答案:ABD
解析: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,选项A正确。若形成电磁场必须要有周期性变化的电场或磁场,选项B正确,C错误。电场(或磁场)周围不一定存在磁场(或电场),选项D正确。
特别提醒
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”。
二 对电磁波的理解
问题探究
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。第四代移动通信技术4G,其频段范围是1 880~2 635 MHz。5G网络的传输速率(指单位时间传送的数据量大小)可达10 Gbps(bps为bits per second的英文缩写,即比特率、比特/秒),是4G网络的50~100倍。思考下面问题:
(1)4G信号和5G信号哪种更容易发生明显衍射现象
(2)4G信号和5G信号相遇能发生稳定干涉现象吗
(3)5G信号与4G信号在水中的传播速度哪种更大
提示:(1)4G信号频率低,波长长,更容易发生明显衍射现象。
(2)两种不同频率的波不能发生稳定干涉。
(3)同种介质中电磁波的传播速度与频率有关,频率越高,传播速度越小,在水中4G信号比5G信号传播速度大。
归纳总结
1.电磁波的物质性。
(1)电磁波占有时间、空间。
(2)电磁波具有运动质量(静止质量为零)。
(3)电磁波具有能量。
2.电磁波的传播。
电磁场是物质,电磁波是物质传播的形式,是靠电和磁的相互“感应”而传播的,可以脱离电荷而独立存在,故其传播不需要介质,在真空中也能传播。
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,能发生反射、吸收、折射等现象。
4.电磁波的波速、波长与频率的关系:v=λf。
5.电磁波与机械波的比较。
比较项 电磁波 机械波
不同点 研究对象 电磁现象 力学现象
周期性 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化 位移随时间和空间做周期性变化
比较项 电磁波 机械波
不同点 传播
情况 传播无需介质,在真空中波速等于光速c,在介质中传播时,波速与介质和频率都有关 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关
产生
机理 由电磁振荡等激发 由质点(波源)的振动产生
横波与
纵波 横波 可能是横波,也可能是纵波
相同点 (1)可以发生反射、折射、干涉和衍射
(2)传递能量的一种方式
(3)满足v=λf
典型例题
【例2】 (多选)下列关于电磁波与声波的说法正确的是(　　)
A.电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播,声波是声源的振动向远处传播
B.电磁波的传播不需要介质,声波的传播有时也不需要介质
C.由空气进入水中传播时,电磁波的传播速度变小,声波的传播速度变大
D.由空气进入水中传播时,电磁波的波长不变,声波的波长变小
答案:AC
特别提醒
电磁波与机械波的注意点: (1)电磁波与机械波的产生方式、传播途径、波的形成及波速等有显著不同。 (2)电磁波与机械波都是波,都具有波的特性。 (3)电磁波的特性与光相似,可类比光的特性进行理解。
成 果 验 收 站
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.(多选)下列关于机械波与电磁波的说法,正确的是(　　)
A.机械波和电磁波本质上是一致的
B.机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关,而且与电磁波的频率有关
C.机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
D.它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
答案:BCD
解析:机械波由机械振动产生,电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生;机械波传播需要介质,速度由介质决定,电磁波波速由介质和自身的频率共同决定;机械波有横波,也有纵波,而电磁波一定是横波,它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象。选项A错误,B、C、D正确。
3.某电路中的电场随时间变化的图像如图所示,能发射电磁波的电场是(　　)
答案:D
解析:恒定的电场周围不会产生磁场,不会形成电磁波,选项A错误。根据麦克斯韦的电磁场理论可知,均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,不会在空中形成交替出现的电磁场,无法形成电磁波,选项B、C错误。根据麦克斯韦的电磁场理论可知,周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,周期性变化的磁场产生周期性变化的电场,电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波,选项D正确。
4.有四种磁场,其磁感应强度B随时间t变化的图像如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.这四种磁场都能产生电场
B.除了图甲中的磁场,其他三种磁场都可以产生电场
C.只有图丙中的磁场可以产生电磁波
D.除了图甲中的磁场,其他三种磁场都可以产生电磁波
答案:B
解析:根据麦克斯韦的电磁场理论,变化的磁场产生电场,所以甲不会产生电场,乙、丙、丁都可以产生电场,选项A错误,B正确。均匀变化的磁场产生恒定的电场,故乙不能产生电磁波,周期性变化的磁场产生周期性变化的电场,从而产生电磁波,故丙、丁可以产生电磁波,选项C、D错误。
5.(多选)关于电磁场、电磁波的认识,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波的传播需要介质
B.电磁波从一种介质进入另一种介质,频率不变
C.电磁波传播的过程中也传递了能量
D.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
答案:BC

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