资源简介

4.2　电磁波
学习目标
1.通过任务1及其活动,了解发现电磁波的历史背景,知道麦克斯韦电磁场理论的重要地位,了解麦克斯韦电磁场理论的主要内容。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动,知道电磁波的概念及特点,通过电磁波体会电磁场的物质性;体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及方法,领会物理实验对物理学发展的基础意义。(物理观念、科学思维、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:在变化的磁场中放一个闭合电路,为什么电路中会产生感应电流

思考2:电磁波是怎样形成的

正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)在电场周围,一定存在和它联系着的磁场。 (　　)
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。 (　　)
(3)电磁波不能在真空中传播。 (　　)
(4)电磁波是横波。 (　　)
(5)电磁波在真空和介质中传播速度相同。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　麦克斯伟电磁理论的两个基本假设
　　演示实验:装置如图所示,当螺线管接入交变电流时,观察灯泡是否发光。思考并回答下列问题。
1.灯泡回路没有电源,灯泡为什么能发光


2.电路中的自由电荷发生定向移动的条件是什么 上述实验说明了什么


3.若把线圈移开,它原来所处的空间有电场吗


4.麦克斯韦假设变化的电场就像运动的电荷,也会在空间产生磁场,有实验基础吗


1.麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点:
(1)变化的磁场会在周围空间产生①　　。
(2)变化的电场会在周围空间产生②　　。
2.电磁场与电磁波
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③　　。如果在空间某区域中有④　　变化的电场,那么它就在空间周围引起变化的磁场;这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是,变化的⑤　　和变化的⑥　　交替产生,由近及远向周围传播,形成了⑦　　。
应用　探究电磁场的形成
四组电场产生的磁场(或磁场产生的电场)
随时间t的变化规律如图所示,其中错误的是 (　　)
A　　　　　　　　B
C　　　　　　　　D
(1)恒定的电场能否产生磁场 恒定的磁场能否产生电场
(2)均匀变化的磁场周围产生怎样的电场 均匀变化的电场周围产生怎样的磁场

归纳总结
任务2　电磁波
我们在选择性必修第一册中已经学习了机械波有关知识,机械波有横波和纵波之分,且能够传递能量;能发生反射、折射、干涉和衍射;靠介质传播,波速v=λf。阅读课本“电磁波”部分的内容,回答下列问题。
1.电磁波能在真空中传播吗 为什么


2.电磁波在真空中的传播速度与光速相同吗 麦克斯韦认为光是什么


3.电磁波是纵波还是横波

4.谁首先发现了电磁波的存在 自然界中物质存在有哪两种形式

电磁波
(1)电磁波的产生:变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的,这种变化的⑧　　在空间的传播形成了电磁波。
(2)电磁波的特点:电磁波是⑨　　,电磁波在空间传播⑩　　介质;在真空中,电磁波的传播速度c=　　m/s。
(3)　　通过实验发现电磁波与机械波一样,能发生反射、　　、干涉和　　等现象。
演示实验
如图所示,将一对抛光的金属小球连接到产生高电压的感应圈的两端,两球之间保留很小的空气间隙。仪器的另一部分是弯成环状的导线,导线两端也安装两个金属小球,小球之间也有空隙。把这个导线环放在距感应圈不太远的位置,接通感应圈的电流。会发现: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有火花跳过。请解释实验观察到的现象。
应用　电磁波与机械波的区别
(多选)关于电磁波与声波,下列说法正确的是 (　　)
A.电磁波是电磁场由发生区域向远处传播形成的,声波是声源的振动向远处传播形成的
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,声波的波长变短
(1)波的频率由什么决定
(2)波从一种介质进入另一种介质,什么物理量不变

归纳总结 机械波电磁波周期性变化 的物理量位移随时间和空间做周期性变化电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化传播传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关传播无需介质,在真空中波速总等于光速,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系产生由质点(波源)的振动产生由周期性变化的电流(电磁振荡)激发干涉可以发生可以发生衍射可以发生可以发生波的类别可能是横波也可能是纵波横波
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(原创)(多选)根据麦克斯韦电磁场理论,下列“场”能产生电磁波的是 (　　)
A.电场强度E=kt(k为常数)的电场
B.磁感应强度B=kt(k为常数)的磁场
C.电场强度E=E0sin ωt的电场
D.磁感应强度B=B0sin ωt的磁场
2.(任务1)(多选)根据麦克斯韦电磁场理论可知,变化的磁场可以产生电场,若产生的电场的电场线如图所示,则可能是 (　　)
A.方向向上的磁场在增强
B.方向向上的磁场在减弱
C.方向向下的磁场在增强
D.方向向下的磁场在减弱
3.(任务2)类比是一种有效的学习方法,通过归类和比较,有助于掌握新知识,提高学习效率。在类比过程中,既要找出共同之处,又要抓住不同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比,总结出下列内容,其中不正确的是 (　　)
A.机械波的频率、波长和波速三者满足的关系,对电磁波也适用
B.机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C.机械波的传播依赖于介质,而电磁波可以在真空中传播
D.机械波既有横波又有纵波,而电磁波只有纵波
4.(任务2)手机A的号码是12345670002,手机B的号码是12345670008。手机A拨叫手机B时,手机B发出响声且屏上显示A的号码“12345670002”,若将手机A置于一透明真空玻璃罩中,用手机B拨叫手机A,则在玻璃罩外面的人发现手机A (　　)
A.发出响声,并显示B的号码“12345670008”
B.不发出响声,但显示B的号码“12345670008”
C.不发出响声,但显示A的号码“12345670002”
D.既不发出响声,也不显示号码
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:麦克斯韦从场的观点出发,认为电路中能产生感应电流,是因为变化的磁场产生了电场。
思考2: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。
判断　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.由于螺线管中交变电流产生的磁场在不断变化,所以穿过线圈的磁通量不断变化,线圈中产生感应电动势,形成感应电流,小灯泡发光。
2.自由电荷只有受电场力作用才能发生定向移动。实验表明,变化的磁场在线圈周围形成电场。
3.由上面的电磁感应现象,我们可以很自然地提出一个假设:变化的磁场产生电场。若把线圈移开,它原来所处的空间依然存在电场。
4.没有。麦克斯韦根据电磁感应现象提出“变化的磁场产生电场”这一假设,然后又根据对称性思维提出“变化的电场产生磁场”这一假设。
知识生成　①电场　②磁场　③电磁场　④周期性　⑤电场　⑥磁场　⑦电磁波
应用探究
例1　【答案】C
【提示】(1)否,否;(2)恒定的电场;恒定的磁场。
【解析】恒定的电场不产生磁场,A项正确;均匀变化的电场产生恒定的磁场,B项正确;周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场,产生的电场的电场强度与磁场的磁感应强度的变化率成正比,对于正弦曲线,t=0时,磁场的磁感应强度的变化率最大,故产生的电场的电场强度最大,C项错误,D项正确。
任务2
问题引领
1.能,因为电磁波的传播,靠的是电和磁的相互“感应”,而不是靠介质的机械传递。
2.麦克斯韦从理论上预见,电磁波在真空中的传播速度等于光速c,并且麦克斯韦由此预言了光是电磁波。
3.电磁波在真空中传播时,它的电场强度E与磁感应强度B互相垂直,而且二者均与波的传播方向垂直,如图所示,所以电磁波是横波。
4.赫兹首先发现了电磁波的存在。物质存在有两种形式:一种是由原子和分子构成的实物,另一种则是以电磁场为代表的场。
知识生成　⑧电磁场　⑨横波　⑩不需要　3.0×108　赫兹　折射　衍射
应用探究
活动　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。这个实验证明了电磁波是真实存在的。
例2　【答案】AC
【提示】(1)由波源振动的频率决定;(2)频率。
【解析】由电磁波和声波的概念可知A项正确。电磁波可以在真空中传播,而声波属于机械波,它的传播需要介质,不能在真空中传播,B项错误。电磁波在空气中的传播速度近似等于在真空中的传播速度,大于在水中的传播速度;声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度,C项正确。无论是电磁波还是声波,从一种介质进入另一种介质时频率都不变,所以由波长λ=及它们在不同介质中的传播速度可知,由空气进入水中时,电磁波的波长变短,声波的波长变长,D项错误。
随堂检测·精评价
1.CD　【解析】根据麦克斯韦电磁场理论,均匀变化的电场周围只能产生稳定的磁场,不能产生电磁波,A、B两项不符合题意;周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场,周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场,C、D两项符合题意。
2.AD　【解析】判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律,本题只不过是用电场线方向代替了电流方向。方向向上的磁场增强时,感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下,根据安培定则知感应电流方向如图中E的方向所示,A项正确,B项错误。同理,当向下的磁场减弱时,也会得到如图中E的方向的感应电场,C项错误,D项正确。
3.D　【解析】电磁波是电磁场传播形成的,在传播过程中电场的电场强度E和磁场的磁感应强度B的方向都与波的传播方向垂直,所以电磁波应为横波,故D项符合题意。
4.B　【解析】声波为机械波,传播需要介质,在真空中不能传播;光波、手机发射的信号均为电磁波,传播不需要介质,在介质、真空中均可传播,故用手机B拨叫手机A时,在玻璃罩外的人能看到手机A显示的手机B的号码,但听不到声音,故B项正确。

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