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4　电磁波的发现及应用
素养 目标定位
目标素养
1.了解麦克斯韦电磁场理论,了解电磁波的产生机理
2.知道电磁波的特点,知道电磁场的物质性
3.了解电磁波的应用及其带来的影响
4.知道光是一种电磁波,
5.了解麦克斯韦在物理学发展中的贡献,体会其研究物理问题的方法
6.了解电磁波在现代生活中的应用,激发热爱科学、献身科学的热情
知识概览
课前 基础认知
一、电磁场
1.麦克斯韦的电磁场理论。
(1)变化的磁场产生电场。
①在变化的磁场中如果有闭合的回路,由于磁通量的变化产生了感应电流,表明变化的磁场产生了电场。
②变化的磁场中如果没有闭合回路,也同样会在空间产生
电场。
(2)变化的电场产生磁场。
如果在空间有变化的电场,那么这个变化的电场也会产生
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。
根据麦克斯韦的电磁场理论可知:
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场,变化的电场能够在周围空间产生磁场。
(2)均匀变化的磁场产生恒定的电场,均匀变化的电场产生恒定的磁场。
(3)振荡的(即周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场,振荡的电场产生同频率的振荡磁场。
二、电磁波
1.电磁波的产生:如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场;这个变化的磁场又引起新的变化的电场。于是,变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播。电磁场这样由近及远地传播,就形成电磁波。
2.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。
(4)光是以波动形式传播的一种电磁振动。
微思考1电磁波的传播与机械波相似,都必须在介质中才能传播,对吗
提示:不对。电磁波是周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互激发产生的,在真空中也能传播。
三、电磁波谱
1.波的概念。
(1)波峰与波谷:在一列水波中,凸起的最高处叫作波峰;凹下的最低处叫作波谷。
(2)波长、频率与波速:如图,邻近的两个波峰(或波谷)的距离叫作波长,波长用符号λ来表示;波的频率在数值上等于在1 s内波峰(或波谷)通过的次数,频率用符号f来表示;波速是用来描述波传播快慢的物理量。
(3)电磁波波速、波长、频率三者之间的关系:c=λf,其中电磁波在真空中的速度c= 3×108 m/s。
2.电磁波谱。
(1)电磁波谱:按电磁波的波长或频率大小顺序把它们排列起来,就是电磁波谱。
(2)电磁波的特性:不同的电磁波由于具有不同的波长或频率,因此具有不同的特性。
(3)电磁波的应用。
①无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输,微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。
②红外线可以用于加热理疗。
③可见光让我们看见这个世界,也可以用于通信。
④紫外线可以消毒。
⑤X射线可以用于诊断病情。
⑥γ射线可以摧毁病变的细胞。
微判断1(1)医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒。
(　　)
(2)工业上利用X射线检查金属部件内有无砂眼或裂缝。
(　　)
(3)刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线波长短,分辨率高。(　　)
(4)卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,因为红外线穿透能力较强。(　　)
×
√
√
×
四、电磁波的能量
1.电磁场不仅仅是一种描述方式,而且是真正的物质存在。
2.微波炉可以加热食物,说明电磁波具有能量。用收音机能够听到播音员的声音,是因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流,有电流就有能量。各种各样的仪器,能够探测到各种电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量,电磁波是一种物质。
微判断2(1)电磁波是一种物质。(　　)
(2)光是一种机械波,光具有能量。(　　)
(3)食物中的水分子在微波作用下热运动加剧,内能增加,温度升高。(　　)
√
×
√
五、电磁波通信
电磁波可以携带信息进行传播,既可有线传播,也可无线传播。构建卫星宽带通信网络,可以使人们无论身处何地都能高速浏览网页,与家人视频通话等。
微思考2 2020年11月24日凌晨4时30分,长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,成功将嫦娥五号月球探测器送入地月转移轨道,发射圆满成功。下面是嫦娥五号任务流程图示。要完成采样任务,是通过什么途径对嫦娥五号传递指令的
提示:通过无线电波传递指令的。
课堂 重难突破
一 对电磁场和电磁波的理解
问题探究
随着电动汽车的大量普及,汽车无线充电受到越来越多的关注。无线充电简单方便,不需手动操作,没有线缆拖拽,大大提高了用户体验。将受电线圈安装在汽车的底盘上,将供电线圈安装在地面上,如图所示。当电动汽车行驶到供电线圈装置上,受电线圈即可接收到供电线圈的电能,从而对蓄电池进行充电。探究:充电过程中能量是怎样转化的
提示:供电线圈将电能转化为电磁场;汽车上的受电线圈捕获电磁场,再将其转化为电能并对蓄电池充电。
归纳总结
1.麦克斯韦经典电磁场理论。
(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着的电场周围也要产生磁场(如图所示)。
2.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)麦克斯韦电磁理论的实验验证。
赫兹在实验室研究证实了电磁波的存在,并且证明了电磁波与光具有相同的性质,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。
(3)电磁波波速与波长和频率的关系。
①波速、波长、频率之间的关系:
波速=波长×频率。
②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,电磁波在真空中的传播速度c=3×108 m/s。
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
答案:AB
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。若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场,选项B正确,C错误。若电场或磁场是恒定的,不产生磁场或电场,选项D错误。
【例2】 (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
答案:CD
解析: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)必须是非均匀变化的,选项A错误。电磁波的传播不需要介质,选项B错误。电磁波可以脱离“波源”而独立存在,选项C正确。电磁波具有能量,电磁波传播的过程,也就是能量的传播过程,选项D正确。
二 电磁波谱及其应用
问题探究
现在车辆常安装北斗卫星导航系统接收器,可用来接收卫星发射的信号,实现对车辆的精确定位和导航。卫星向北斗卫星导航系统接收器传送信息通过的是电磁波谱中的哪一种
提示:卫星向北斗卫星导航系统接收器传送信息依靠的是无线电波。
归纳总结
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。
比较项 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
典型例题
【例3】 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。请将相应的选项前的标号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)医生用红外线灯照射伤口,可使伤口愈合得较好。这里是利用　　　　。
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
D
C
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,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)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。
成果验收站
1.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,在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
答案:D
解析: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产生变化的磁场,选项D正确。
2.(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论可知,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.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直
答案:ABD
解析:教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器用的是振荡电流,在其周围产生振荡磁场和电场,选项A、B正确。稳定的电场(磁场)不会产生磁场(电场),选项C错误。电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直,选项D正确。
3.(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断,下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像(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),正确的是(　　)
答案:BC
4.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
答案:B
解析:电磁波和声波都能传递信息,比如人们之间的语言交流,选项A错误。太阳光中的可见光属于电磁波,而“B超”中的超声波属于机械波,它们的传播速度不同,选项C错误。遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多,选项D错误。

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