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第十三章　电磁感应与
电磁波初步
第4节　电磁波的发现及应用
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业
3
课程要求 学科素养
通过实验,了解电磁波,知道电磁场的物质性。通过实例,了解电磁波的应用及其带来的影响。知道光是一种电磁波 物理观念 了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点,知道电磁波的概念以及物质性。能用波长公式进行相应的计算
科学思维 实物粒子是物质存在的一种形式,场是物质存在的另一种形式。明白电磁波的传递方式,构建相应的物理模型
科学探究 能够理解生活中的电磁波的使用情况,知道赫兹捕捉电磁波的实验
科学态度与责任 通过对麦克斯韦电磁场理论的学习,感悟自然界的对称、和谐美;认识到电磁波存在于生活的方方面面;感悟科技对生活的影响
核心要点 点点过
要点一　电磁场
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场
①在变化的磁场中放一个闭合的电路,由于穿过电路的______________,电路中会产生感应电流。这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了____。
②即使在变化的磁场中没有闭合电路,也同样要在空间产生____。
(2)变化的电场产生磁场
变化的电场也相当于一种电流,也在空间产生____,即____的电场在空间产生磁场。
磁通量发生变化
电场
电场
磁场
变化
2.电磁场:变化的____和变化的____总是相互联系的,形成一个不可分割的统一体。
(1)变化的磁场可以产生电场,但变化的电场不能产生磁场。(　 　)
(2)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。 (　 　)
(3)在电场周围,一定存在着和它联系着的磁场。(　 　)
(4)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场。(　 　)
(5)周期性变化的电场周围一定产生同频率的磁场。(　 　)
电场
磁场
×
×
×
×
√
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
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
振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
2.电场、磁场的变化关系
【例1】　(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中正确的是(　 　)
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
【解析】　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A、B正确;稳定的电场不会产生磁场,故C错误;只有周期性变化的电场和磁场才能交替产生,由发生区域向外传播形成电磁波,故D错误。
【例2】　(多选)下列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
【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,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;周期性变化的电场和变化的磁场相互关联,形成电磁场,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。
AB
麦克斯韦电磁场理论的两大支柱:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,而产生的电场或磁场如何变化,与原磁场或电场的变化规律有关。
要点二　电磁波和电磁波谱
一、电磁波
1.麦克斯韦的预言
(1)电磁波的预言:
周期性变化的电场产生______变化的磁场,这个变化的磁场又引起新的变化的____,这样变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围____,形成电磁波。
(2)电磁波可以在____中传播。
(3)光的电磁理论:光是以波动形式传播的一种电磁振动,电磁波的速度等于____。
2.赫兹的贡献:赫兹证实了______的存在,证实了麦克斯韦的电磁场理论。
周期性
电场
传播
真空
光速
电磁波
二、电磁波谱
1.在一列水波中,两个相邻的____(或____)之间的距离叫作____。在1 s内有多少次波峰(或波谷)通过,波的____就是多少。用来描述波传播快慢的物理量叫作____,波速、波长、频率三者之间的关系是________________。
2.电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是________,电磁波在真空中的传播速度c=3.0×108 m/s。
3.电磁波谱:____________________________________________,就是电磁波谱。
4.电磁波谱组成(如图所示)
波峰
波谷
波长
频率
波速
波速=波长×频率
c=λf
按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来
(1)电磁波在空气中可以传播,在真空中不能传播。(　 　)
(2)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(　 　)
(3)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段,其中红光波长最长。(　 　)
(4)红外线属于可见光。 (　 　)
(5)紫外线有明显的热效应。(　 　)
×
×
√
×
×
1.电磁波的特点
(1)电磁场中储存电磁能,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)电磁波可以在真空中传播,因为电磁波本身就是一种物质——场物质,所以传播时不再需要其他介质。
(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度,即c=3.0×108 m/s,电磁波传播虽然不需要介质,但在其他介质中的速度都比在真空中的小。
2.波长、频率与波速之间的关系:波速=波长×频率,即c=λf。
(1)频率由波源决定,与介质无关,波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时,频率不变,波速、波长发生改变,在其他介质中的速度都比在真空中速度小。
(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时,传播速度不同。
3.电磁波谱中各种波段的特征用途比较(见下表)
电磁 波谱 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
特性 波动 性强 热作 用强 感光 性强 化学作用 荧光效应 穿透 力强 穿透力
最强
用途 通信、 广播、 导航等 加热、遥 测、遥感、红外摄像、红外 制导等 照明、 照相等 灭菌消 毒、治疗 皮肤 病等 检查、 探测、 透视、 治疗等 探测、
治疗等
【例3】　关于电磁波的应用,下列说法正确的是(　 　)
A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼或裂缝
C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线有明显的热作用
D.卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,因为红外线波长短,穿透能力较强
【解析】　医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒,A错误;γ射线具有较强的穿透能力,故工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼或裂缝,B正确;刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,是由于紫外线波长短,衍射条纹间距小,分辨率高,C错误;卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,是由于红外线的波长较长,衍射能力较强,D错误。
B
【例4】　(多选)电磁波与声波比较,下列叙述中正确的是(　 　)
A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质
B.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大
C.由空气进入水中时,电磁波波长变小,声波波长变大
D.电磁波和声波在介质中的传播速度,都由介质决定,与频率无关
【解析】　选项A、B均与事实相符,故A、B正确;根据λ=,电磁波波速变小,频率不变,波长变小;声波速度变大,频率不变,波长变大,故C正确;电磁波在介质中的速度,与介质有关,也与频率有关,在同一种介质中,频率越大,波速越小,故D错误。
ABC
要点三　电磁波的能量　电磁波通信
一、电磁波的能量
1.电磁波具有能量,电磁波是____存在的一种形式。
2.微波炉加热食物应用了一种电磁波——微波,食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧,____增加,温度升高。
3.光是一种电磁波——传播着的电磁场,光具有____。
二、电磁波通信
1.____网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容,逐步整合成为统一的信息通信网络。
2.以互联网为基础的信息服务都是通过______来传递的。
物质
内能
能量
电信
电磁波
下面列出的设备中工作时所发出的波,哪些属于电磁波
(1)微波炉加热食物时发出的波。
(2)电视发射塔发出的波。
(3)互联网光缆中传播的波。
(4)电视机遥控器发出的波。
提示:(1)(2)(3)(4)都是电磁波。
1.电磁波的能量
(1)电磁波是物质存在的一种特殊形式
电磁波和我们学过的电场、磁场一样,是一种特殊的物质,不是由分子、原子所组成的,与通常的实物不同,但它是客观存在的。
(2)电磁波具有能量
从场的观点来看,电场具有电场能,磁场具有磁场能,电磁场具有电磁能,电磁波发射的过程就是辐射能量的过程,电磁波在空间传播,电磁能就随之一起传播。
2.电磁波通信
(1)传播途径
电磁波携带的信息,既可以有线传播,也可以无线传播。
有线传播利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息,如台式电脑、有线电话等。
无线传播仅利用电磁波而不通过线缆传递信息,如收音机、无线鼠标、手机、卫星导航等。
(2)传输特点
电磁波的频率越高,相同时间传递的信息量越大,由于光的频率比无线电波的频率高得多,因此光缆可以传递大量的信息。
【例5】　5G,即第五代移动通信技术,采用3 300~5 000 MHz频段,相比于现有的4G(即第四代移动通信技术,1 880~2 635 MHz频段)技术而言,具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。5G信号与4G信号相比,下列说法正确的是 (　 　)
A.5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快
B.5G信号比4G信号在相同时间内传递的信息量大
C.5G信号比4G信号需要更少的通信基站
D.5G信号比4G信号更适合长距离传输
B
【解析】　5G信号和4G信号都是电磁波,在真空中传播速度都等于光速,A错误;根据λ=,可知5G信号频率更高,电磁波的频率越高,相同时间传递的信息量越大,B正确;电磁波的频率越高,波长越短,衍射能力越弱,即更容易被障碍物阻挡,不适合长距离传输,且需要建设更密集的基站,C、D错误。
【例6】　我国研制的某驱逐舰采用“双波段(X波段和S波段)”雷达系统,雷达发射的X波段频率为8~12 GHz,S波段频率为2~4 GHz,则 (　 　)
A.在真空中X波段的传播速度大于S波段的
B.在空气中S波段的波长比X波段的更短
C.S波段和X波段的频率都比紫外线的小
D.X波段具有的能量比S波段具有的能量小
C
【解析】　X波段和S波段均为电磁波,它们在真空中的传播速度相同,A错误;根据c=λf,由于X波段的频率较大,因此X波段的波长较小,可知在空气中S波段的波长比X波段的更长,B错误;S波段和X波段的频率都比紫外线的小,C正确;电磁波的频率越高,具有的能量越大,故X波段具有的能量大于S波段具有的能量,D错误。
即时演练 堂堂清
C
1.下列关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　 　)
A.变化的磁场在周围的空间一定产生变化的电场
B.电磁波和机械波都需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变
C.电磁波既可以传递信息,又可以传递能量
D.在赫兹发现电磁波的实验基础上,麦克斯韦提出了完整的电磁场理论
解析:变化的磁场在周围的空间一定会产生电场,但如果是均匀变化的磁场,只能产生恒定的电场,故A错误;电磁波传播不需要介质,机械波需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变,故B错误;电磁波既可以传递信息,又可以传递能量,故C正确;麦克斯韦提出了完整的电磁场理论的假说,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,故D错误。
C
2.电磁波给人类生活带来日新月异变化的同时,也带来了电磁污染。长期使用如图所示的通信装置,会对人体健康产生影响的是(　 　)
解析:A、B、D中的图片都是固定电话,只是样式不同,固定电话是利用电现象和声现象之间的联系来工作的,不会对人体健康产生影响;C中的图片是移动电话,移动电话是利用电磁波来工作的,过量的电磁波会造成电磁辐射,对人体健康产生影响。
C
3.为了有效杀灭病毒,防控重点场所使用一种人体感应紫外线灯。这种灯装有红外线感应开关,人来灯灭,人走灯亮,为人们的健康保驾护航。下列说法错误的是(　 　)
A.红外线的波长比紫外线的长
B.紫外线能杀灭病毒是因为具有较高的能量
C.真空中红外线的传播速度比紫外线的大
D.红外线感应开关通过接收人体辐射的红外线来控制电路通断
解析:真空中所有电磁波的传播速度都相同,均等于光速,故C错误,符合题意;由电磁波谱可知,红外线的波长比紫外线的长,结合c=λf可知,紫外线的频率高,所以紫外线的能量高,灭菌、清除病毒的能力强,故A、B正确,不符合题意;人体可以向外辐射红外线,红外线感应开关通过接收人体辐射的红外线来控制电路通断,D正确,不符合题意。
4.(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是 (　 　)
A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间
B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C.测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达到目标的距离
D.雷达使用无线电波的微波波段
ACD
解析:由公式c=λf可得,λmin= m=0.3 m,λmax= m=1.5 m,A正确;电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的,B错误;由雷达的工作原理可知,C正确;雷达使用的是无线电波的微波波段,D正确。
课时作业28
BD
1.(5分)(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法中正确的是(　 　)
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
解析:麦克斯韦电磁场理论的核心内容是:变化的电场产生磁场;变化的磁场产生电场。对此理论全面正确理解为:不变化的电场周围不产生磁场;变化的电场可以产生变化的磁场,也可产生不变化的磁场;均匀变化的电场产生稳定的磁场;周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场,由变化的磁场产生电场的规律与此相似,由此可知,B、D正确,A、C错误。
B
2.(5分)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,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
解析:根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场产生电场,故题图乙、丙、丁中的磁场都可以产生电场,A错误,B正确;均匀变化的磁场产生恒定的电场,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,故题图丙、丁中的磁场可以产生电磁波,C、D错误。
3.(5分)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
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用声波传递信息,光纤通信用电磁波传递信息,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,C错误;遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多,D错误。故选B。
B
4.(5分)关于电磁波与机械波,下列说法正确的是(　 　)
A.机械波和电磁波,本质上是一样的
B.电磁波在任何介质中传播速率都相同,机械波在同一种介质中传播速率都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波与机械波都能发生衍射
D
解析:机械波由机械振动产生,电磁波由振荡的电磁场产生,故A错误;电磁波的波速与介质、频率都有关,而机械波的传播速度只与介质有关,故B错误;电磁波和机械波都具有波的特性,都能发生干涉和衍射,故C错误,D正确。
5.(5分)“中国天眼”的强大观测能力结合创新的分析方法,能够深入刻画宇宙间的神秘爆发信号,有望最终揭示其起源。天眼接收的射电波工作波长在分米到米的范围,真空中的光速c=3.0×108 m/s,下列说法正确的是 (　 　)
A.天眼接收的射电波是电磁波,麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
B.天眼只能在白天晴朗的天气工作
C.天眼接收的射电波的频率区间为108~109 Hz
D.天眼接收的电磁波是横波,电磁波的传播需要介质
C
解析:麦克斯韦预言了电磁波的存在,而第一个用实验的方法证实电磁波存在的科学家是赫兹,A错误;“中国天眼”接收来自宇宙的射电波信号,射电波是一种波长更长、频率更低的电磁波,可以穿透云层、星云等天体物质,所以“中国天眼”在任何天气下都可以正常运行,不受白天黑夜的影响,B错误;天眼接收的射电波工作波长在分米到米的范围,由f=得射电波的频率区间为108 Hz~109 Hz,C正确;电磁波是横波,电磁波的本质是电场和磁场的交替变化,在空间中以波的形式传播,不需要通过介质来传播,故D错误。
6.(5分)关于电磁波谱及对其一些应用的解释,下列说法中不正确的是(　 　)
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.紫外验钞机是利用紫外线的化学作用
C.红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点
D.γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高
B
解析:X射线具有较强的穿透能力,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,故A正确;紫外验钞机是利用紫外线的荧光效应,故B错误;红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的现象,从而通过接收到的红外线来感知物体,故C正确;γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高,故D正确。
7.(7分)频率为5×1014 Hz的红光,从10 m外的交通信号灯直接传到你的眼睛,大约需要多长时间 在这个距离中有多少个波长
解析:红光从交通信号灯传到眼睛需要的时间是t= s≈3.3×10-8 s,
由c=λf得,该红光的波长
λ= m=6×10-7 m,
在这个距离中的波长数为
n=≈1.7×107(个)。
答案:3.3×10-8 s　1.7×107个
8.(5分)下列说法正确的是 (　 　)
A.根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在变化的磁场
B.红外线遥感技术是利用红外线的化学作用
C.在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒,是因为紫外线比红外线的热效应显著
D.工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力
D
解析:根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在磁场,不一定是变化的磁场,A错误;红外线遥感技术是利用红外线的衍射作用和热效应,B错误;在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒,是因为紫外线具有杀菌消毒的化学作用,C错误;工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力,D正确。
B
9.(5分)使用蓝牙耳机接听手机来电,手机与基站及耳机的信号传输如图所示,以下说法正确的是 (　 　)
A.蓝牙通信的电磁波是可见光
B.蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短
C.两种电磁波都不能在真空中传播
D.在真空中蓝牙通信的电磁波波速小于光速
解析:蓝牙通信的电磁波是无线电波,不属于可见光,A错误;由题图可知,蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率,而两种电磁波的传播速度相等,均等于光速,则由c=λf可知,蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短,故B正确,D错误;电磁波的传播不需要介质,都能在真空中传播,故C错误。
D
10.(5分)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
解析: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,故该波段红外遥感卫星能较好接收。故选D。
BCD
11.(5分)(多选)Wi-Fi无线网络实质是一种短程无线传输技术,能够在一定范围内支持互联网接入的电磁波信号。最新的Wi-Fi6技术使用2.4 GHz或5 GHz电磁波,属于电磁波谱中的某个波段,如图所示。下列关于电磁波和Wi-Fi的说法,正确的是 (　 　)
A.麦克斯韦预言了电磁波,楞次首次用实验证实了电磁波的存在
B.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关
C.Wi-Fi信号使用的电磁波属于无线电波
D.Wi-Fi信号使用的电磁波中,2.4 GHz的波长比5 GHz的更长
解析:麦克斯韦预言了电磁波,赫兹首次用实验证实了电磁波的存在,故A错误;电磁波在真空中的传播速度都相同,与电磁波的频率无关,故B正确;Wi-Fi信号使用的电磁波波长λ= m=0.06 m,由电磁波的范围可知属于无线电波,2.4 GHz的波长比5 GHz的更长,故C、D正确。
12.(8分)在电视节目中,我们经常看到主持人与派到热点地区的记者通过同步通信卫星通话,他们之间每一问一答总是迟“半拍”,这是为什么 如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话,一方讲话,另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。(已知地球的质量为6.0×1024 kg,地球半径为6.4×106 m,引力常量为6.67×10-11 N·m2·kg-2)
解析:主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的,利用电磁波传递信息是需要时间的,设同步卫星离地面高度为H,由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力,即(R+H),
H=-R=3.6×107 m,则一方讲话,另一方听到对方的讲话所需的最少时间是t==0.24 s。
答案:电磁波传递信息需要时间　0.24 s
本课结束第4节　电磁波的发现及应用
课程要求 学科素养
通过实验,了解电磁波,知道电磁场的物质性。通过实例,了解电磁波的应用及其带来的影响。知道光是一种电磁波 物理观念 了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点,知道电磁波的概念以及物质性。能用波长公式进行相应的计算
科学思维 实物粒子是物质存在的一种形式,场是物质存在的另一种形式。明白电磁波的传递方式,构建相应的物理模型
科学探究 能够理解生活中的电磁波的使用情况,知道赫兹捕捉电磁波的实验
科学态度 与责任 通过对麦克斯韦电磁场理论的学习,感悟自然界的对称、和谐美;认识到电磁波存在于生活的方方面面;感悟科技对生活的影响
要点一　电磁场
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场
①在变化的磁场中放一个闭合的电路,由于穿过电路的磁通量发生变化,电路中会产生感应电流。这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场。
②即使在变化的磁场中没有闭合电路,也同样要在空间产生电场。
(2)变化的电场产生磁场
变化的电场也相当于一种电流,也在空间产生磁场,即变化的电场在空间产生磁场。
2.电磁场:变化的电场和变化的磁场总是相互联系的,形成一个不可分割的统一体。
(1)变化的磁场可以产生电场,但变化的电场不能产生磁场。(　×　)
(2)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。 (　×　)
(3)在电场周围,一定存在着和它联系着的磁场。(　×　)
(4)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场。(　×　)
(5)周期性变化的电场周围一定产生同频率的磁场。(　√　)
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
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
振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
2.电场、磁场的变化关系
【例1】　(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中正确的是(　AB　)
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
【解析】　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A、B正确;稳定的电场不会产生磁场,故C错误;只有周期性变化的电场和磁场才能交替产生,由发生区域向外传播形成电磁波,故D错误。
【例2】　(多选)下列关于电磁场理论的叙述正确的是 (　AB　)
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
【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,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;周期性变化的电场和变化的磁场相互关联,形成电磁场,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。
麦克斯韦电磁场理论的两大支柱:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,而产生的电场或磁场如何变化,与原磁场或电场的变化规律有关。
要点二　电磁波和电磁波谱
一、电磁波
1.麦克斯韦的预言
(1)电磁波的预言:
周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,这个变化的磁场又引起新的变化的电场,这样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,形成电磁波。
(2)电磁波可以在真空中传播。
(3)光的电磁理论:光是以波动形式传播的一种电磁振动,电磁波的速度等于光速。
2.赫兹的贡献:赫兹证实了电磁波的存在,证实了麦克斯韦的电磁场理论。
二、电磁波谱
1.在一列水波中,两个相邻的波峰(或波谷)之间的距离叫作波长。在1 s内有多少次波峰(或波谷)通过,波的频率就是多少。用来描述波传播快慢的物理量叫作波速,波速、波长、频率三者之间的关系是波速=波长×频率。
2.电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c=λf,电磁波在真空中的传播速度c=3.0×108 m/s。
3.电磁波谱: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。
4.电磁波谱组成(如图所示)
(1)电磁波在空气中可以传播,在真空中不能传播。(　×　)
(2)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(　×　)
(3)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段,其中红光波长最长。(　√　)
(4)红外线属于可见光。 (　×　)
(5)紫外线有明显的热效应。(　×　)
1.电磁波的特点
(1)电磁场中储存电磁能,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)电磁波可以在真空中传播,因为电磁波本身就是一种物质——场物质,所以传播时不再需要其他介质。
(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度,即c=3.0×108 m/s,电磁波传播虽然不需要介质,但在其他介质中的速度都比在真空中的小。
2.波长、频率与波速之间的关系:波速=波长×频率,即c=λf。
(1)频率由波源决定,与介质无关,波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时,频率不变,波速、波长发生改变,在其他介质中的速度都比在真空中速度小。
(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时,传播速度不同。
3.电磁波谱中各种波段的特征用途比较(见下表)
电磁 波谱 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
特性 波动 性强 热作 用强 感光 性强 化学作用 荧光效应 穿透 力强 穿透力 最强
用途 通信、 广播、 导航等 加热、遥 测、遥感、 红外摄 像、红外 制导等 照明、 照相等 灭菌消 毒、治疗 皮肤 病等 检查、 探测、 透视、 治疗等 探测、 治疗等
【例3】　关于电磁波的应用,下列说法正确的是(　B　)
A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼或裂缝
C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线有明显的热作用
D.卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,因为红外线波长短,穿透能力较强
【解析】　医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒,A错误;γ射线具有较强的穿透能力,故工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼或裂缝,B正确;刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,是由于紫外线波长短,衍射条纹间距小,分辨率高,C错误;卫星用红外遥感技术拍摄云图照片,是由于红外线的波长较长,衍射能力较强,D错误。
【例4】　(多选)电磁波与声波比较,下列叙述中正确的是(　ABC　)
A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质
B.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大
C.由空气进入水中时,电磁波波长变小,声波波长变大
D.电磁波和声波在介质中的传播速度,都由介质决定,与频率无关
【解析】　选项A、B均与事实相符,故A、B正确;根据λ=,电磁波波速变小,频率不变,波长变小;声波速度变大,频率不变,波长变大,故C正确;电磁波在介质中的速度,与介质有关,也与频率有关,在同一种介质中,频率越大,波速越小,故D错误。
要点三　电磁波的能量　电磁波通信
一、电磁波的能量
1.电磁波具有能量,电磁波是物质存在的一种形式。
2.微波炉加热食物应用了一种电磁波——微波,食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧,内能增加,温度升高。
3.光是一种电磁波——传播着的电磁场,光具有能量。
二、电磁波通信
1.电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容,逐步整合成为统一的信息通信网络。
2.以互联网为基础的信息服务都是通过电磁波来传递的。
下面列出的设备中工作时所发出的波,哪些属于电磁波
(1)微波炉加热食物时发出的波。
(2)电视发射塔发出的波。
(3)互联网光缆中传播的波。
(4)电视机遥控器发出的波。
提示:(1)(2)(3)(4)都是电磁波。
1.电磁波的能量
(1)电磁波是物质存在的一种特殊形式
电磁波和我们学过的电场、磁场一样,是一种特殊的物质,不是由分子、原子所组成的,与通常的实物不同,但它是客观存在的。
(2)电磁波具有能量
从场的观点来看,电场具有电场能,磁场具有磁场能,电磁场具有电磁能,电磁波发射的过程就是辐射能量的过程,电磁波在空间传播,电磁能就随之一起传播。
2.电磁波通信
(1)传播途径
电磁波携带的信息,既可以有线传播,也可以无线传播。
有线传播利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息,如台式电脑、有线电话等。
无线传播仅利用电磁波而不通过线缆传递信息,如收音机、无线鼠标、手机、卫星导航等。
(2)传输特点
电磁波的频率越高,相同时间传递的信息量越大,由于光的频率比无线电波的频率高得多,因此光缆可以传递大量的信息。
【例5】　5G,即第五代移动通信技术,采用3 300~5 000 MHz频段,相比于现有的4G(即第四代移动通信技术,1 880~2 635 MHz频段)技术而言,具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。5G信号与4G信号相比,下列说法正确的是 (　B　)
A.5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快
B.5G信号比4G信号在相同时间内传递的信息量大
C.5G信号比4G信号需要更少的通信基站
D.5G信号比4G信号更适合长距离传输
【解析】　5G信号和4G信号都是电磁波,在真空中传播速度都等于光速,A错误;根据λ=,可知5G信号频率更高,电磁波的频率越高,相同时间传递的信息量越大,B正确;电磁波的频率越高,波长越短,衍射能力越弱,即更容易被障碍物阻挡,不适合长距离传输,且需要建设更密集的基站,C、D错误。
【例6】　我国研制的某驱逐舰采用“双波段(X波段和S波段)”雷达系统,雷达发射的X波段频率为8~12 GHz,S波段频率为2~4 GHz,则 (　C　)
A.在真空中X波段的传播速度大于S波段的
B.在空气中S波段的波长比X波段的更短
C.S波段和X波段的频率都比紫外线的小
D.X波段具有的能量比S波段具有的能量小
【解析】　X波段和S波段均为电磁波,它们在真空中的传播速度相同,A错误;根据c=λf,由于X波段的频率较大,因此X波段的波长较小,可知在空气中S波段的波长比X波段的更长,B错误;S波段和X波段的频率都比紫外线的小,C正确;电磁波的频率越高,具有的能量越大,故X波段具有的能量大于S波段具有的能量,D错误。
1.下列关于电磁场和电磁波的说法正确的是 (　C　)
A.变化的磁场在周围的空间一定产生变化的电场
B.电磁波和机械波都需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变
C.电磁波既可以传递信息,又可以传递能量
D.在赫兹发现电磁波的实验基础上,麦克斯韦提出了完整的电磁场理论
解析:变化的磁场在周围的空间一定会产生电场,但如果是均匀变化的磁场,只能产生恒定的电场,故A错误;电磁波传播不需要介质,机械波需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变,故B错误;电磁波既可以传递信息,又可以传递能量,故C正确;麦克斯韦提出了完整的电磁场理论的假说,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,故D错误。
2.电磁波给人类生活带来日新月异变化的同时,也带来了电磁污染。长期使用如图所示的通信装置,会对人体健康产生影响的是(　C　)
解析:A、B、D中的图片都是固定电话,只是样式不同,固定电话是利用电现象和声现象之间的联系来工作的,不会对人体健康产生影响;C中的图片是移动电话,移动电话是利用电磁波来工作的,过量的电磁波会造成电磁辐射,对人体健康产生影响。
3.为了有效杀灭病毒,防控重点场所使用一种人体感应紫外线灯。这种灯装有红外线感应开关,人来灯灭,人走灯亮,为人们的健康保驾护航。下列说法错误的是(　C　)
A.红外线的波长比紫外线的长
B.紫外线能杀灭病毒是因为具有较高的能量
C.真空中红外线的传播速度比紫外线的大
D.红外线感应开关通过接收人体辐射的红外线来控制电路通断
解析:真空中所有电磁波的传播速度都相同,均等于光速,故C错误,符合题意;由电磁波谱可知,红外线的波长比紫外线的长,结合c=λf可知,紫外线的频率高,所以紫外线的能量高,灭菌、清除病毒的能力强,故A、B正确,不符合题意;人体可以向外辐射红外线,红外线感应开关通过接收人体辐射的红外线来控制电路通断,D正确,不符合题意。
4.(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是 (　ACD　)
A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间
B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C.测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达到目标的距离
D.雷达使用无线电波的微波波段
解析:由公式c=λf可得,λmin= m=0.3 m,λmax= m=1.5 m,A正确;电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的,B错误;由雷达的工作原理可知,C正确;雷达使用的是无线电波的微波波段,D正确。
课时作业28
(总分:65分)
1.(5分)(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法中正确的是(　BD　)
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
解析:麦克斯韦电磁场理论的核心内容是:变化的电场产生磁场;变化的磁场产生电场。对此理论全面正确理解为:不变化的电场周围不产生磁场;变化的电场可以产生变化的磁场,也可产生不变化的磁场;均匀变化的电场产生稳定的磁场;周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场,由变化的磁场产生电场的规律与此相似,由此可知,B、D正确,A、C错误。
2.(5分)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(　B　)
A.这四种磁场都能产生电场
B.除了图甲,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
解析:根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场产生电场,故题图乙、丙、丁中的磁场都可以产生电场,A错误,B正确;均匀变化的磁场产生恒定的电场,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,故题图丙、丁中的磁场可以产生电磁波,C、D错误。
3.(5分)关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　B　)
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
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用声波传递信息,光纤通信用电磁波传递信息,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,C错误;遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多,D错误。故选B。
4.(5分)关于电磁波与机械波,下列说法正确的是(　D　)
A.机械波和电磁波,本质上是一样的
B.电磁波在任何介质中传播速率都相同,机械波在同一种介质中传播速率都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波与机械波都能发生衍射
解析:机械波由机械振动产生,电磁波由振荡的电磁场产生,故A错误;电磁波的波速与介质、频率都有关,而机械波的传播速度只与介质有关,故B错误;电磁波和机械波都具有波的特性,都能发生干涉和衍射,故C错误,D正确。
5.(5分)“中国天眼”的强大观测能力结合创新的分析方法,能够深入刻画宇宙间的神秘爆发信号,有望最终揭示其起源。天眼接收的射电波工作波长在分米到米的范围,真空中的光速c=3.0×108 m/s,下列说法正确的是 (　C　)
A.天眼接收的射电波是电磁波,麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
B.天眼只能在白天晴朗的天气工作
C.天眼接收的射电波的频率区间为108~109 Hz
D.天眼接收的电磁波是横波,电磁波的传播需要介质
解析:麦克斯韦预言了电磁波的存在,而第一个用实验的方法证实电磁波存在的科学家是赫兹,A错误;“中国天眼”接收来自宇宙的射电波信号,射电波是一种波长更长、频率更低的电磁波,可以穿透云层、星云等天体物质,所以“中国天眼”在任何天气下都可以正常运行,不受白天黑夜的影响,B错误;天眼接收的射电波工作波长在分米到米的范围,由f=得射电波的频率区间为108 Hz~109 Hz,C正确;电磁波是横波,电磁波的本质是电场和磁场的交替变化,在空间中以波的形式传播,不需要通过介质来传播,故D错误。
6.(5分)关于电磁波谱及对其一些应用的解释,下列说法中不正确的是 (　B　)
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.紫外验钞机是利用紫外线的化学作用
C.红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点
D.γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高
解析:X射线具有较强的穿透能力,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,故A正确;紫外验钞机是利用紫外线的荧光效应,故B错误;红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的现象,从而通过接收到的红外线来感知物体,故C正确;γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高,故D正确。
7.(7分)频率为5×1014 Hz的红光,从10 m外的交通信号灯直接传到你的眼睛,大约需要多长时间 在这个距离中有多少个波长
答案:3.3×10-8 s　1.7×107个
解析:红光从交通信号灯传到眼睛需要的时间是t= s≈3.3×10-8 s,
由c=λf得,该红光的波长
λ= m=6×10-7 m,
在这个距离中的波长数为
n=≈1.7×107(个)。
8.(5分)下列说法正确的是 (　D　)
A.根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在变化的磁场
B.红外线遥感技术是利用红外线的化学作用
C.在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒,是因为紫外线比红外线的热效应显著
D.工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力
解析:根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在磁场,不一定是变化的磁场,A错误;红外线遥感技术是利用红外线的衍射作用和热效应,B错误;在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒,是因为紫外线具有杀菌消毒的化学作用,C错误;工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力,D正确。
9.(5分)使用蓝牙耳机接听手机来电,手机与基站及耳机的信号传输如图所示,以下说法正确的是 (　B　)
A.蓝牙通信的电磁波是可见光
B.蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短
C.两种电磁波都不能在真空中传播
D.在真空中蓝牙通信的电磁波波速小于光速
解析:蓝牙通信的电磁波是无线电波,不属于可见光,A错误;由题图可知,蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率,而两种电磁波的传播速度相等,均等于光速,则由c=λf可知,蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短,故B正确,D错误;电磁波的传播不需要介质,都能在真空中传播,故C错误。
10.(5分)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(　D　)
A.2.5~3.5 μm B.4~4.5 μm
C.5~7 μm D.8~13 μm
解析: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,故该波段红外遥感卫星能较好接收。故选D。
11.(5分)(多选)Wi-Fi无线网络实质是一种短程无线传输技术,能够在一定范围内支持互联网接入的电磁波信号。最新的Wi-Fi6技术使用2.4 GHz或5 GHz电磁波,属于电磁波谱中的某个波段,如图所示。下列关于电磁波和Wi-Fi的说法,正确的是 (　BCD　)
A.麦克斯韦预言了电磁波,楞次首次用实验证实了电磁波的存在
B.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关
C.Wi-Fi信号使用的电磁波属于无线电波
D.Wi-Fi信号使用的电磁波中,2.4 GHz的波长比5 GHz的更长
解析:麦克斯韦预言了电磁波,赫兹首次用实验证实了电磁波的存在,故A错误;电磁波在真空中的传播速度都相同,与电磁波的频率无关,故B正确;Wi-Fi信号使用的电磁波波长λ= m=0.06 m,由电磁波的范围可知属于无线电波,2.4 GHz的波长比5 GHz的更长,故C、D正确。
12.(8分)在电视节目中,我们经常看到主持人与派到热点地区的记者通过同步通信卫星通话,他们之间每一问一答总是迟“半拍”,这是为什么 如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话,一方讲话,另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。(已知地球的质量为6.0×1024 kg,地球半径为6.4×106 m,引力常量为6.67×10-11 N·m2·kg-2)
答案:电磁波传递信息需要时间　0.24 s
解析:主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的,利用电磁波传递信息是需要时间的,设同步卫星离地面高度为H,由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力,即(R+H),H=-R=3.6×107 m,则一方讲话,另一方听到对方的讲话所需的最少时间是t==0.24 s。

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