【讲与练】高中物理人教版(2019)必修3：13.4 电磁波的发现及应用学案

4．电磁波的发现及应用课程标准1．了解麦克斯韦电磁场理论的内容。2．知道电磁波的形成及赫兹的实验结论。3．知道电磁波在真空中传播速度及波长、频率和波速的关系。4．了解电磁波谱的组成及各种电磁波的特点、应用。5．了解电磁波的能量及电磁波通信。素养目标物理观念1.知道麦克斯韦电磁场理论，理解麦克斯韦电磁理论的两个要点。2.了解电磁波的形成。掌握波长、频率和波速的关系。3.了解电磁波的特点，知道电磁场的物质性。科学思维1.了解电磁波的发现对人类文明的影响，体会科学家研究物理问题的思维方法。2.了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义。3.了解麦克斯韦和赫兹在物理学发展中的贡献。4.通过实例认识电磁波谱，了解电磁波的组成，知道它们各自的特点及重要应用。知识点1电磁场1．麦克斯韦的电磁场理论：变化的磁场产生电场，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。『判一判』(1)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(×)(2)周期性变化的磁场产生周期性变化的电场。(√)知识点2电磁波1．麦克斯韦推断：周期性变化的电场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。2．麦克斯韦预言：周期性变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。3．机械波的传播离不开介质，电磁波可以在真空中传播。4．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。5．赫兹的贡献：1886年德国科学家赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。『判一判』(3)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播。(√)(4)光是一种电磁波。(√)(5)电磁波的传播速度一定为3×108m/s。(×)『选一选』(2023·云南砚山县第一中学高二阶段练习)手机通信是靠电磁波传播信息的。从理论上预言电磁波存在和第一次用实验证实电磁波存在的物理学家分别是(D)A．安培法拉第B．麦克斯韦法拉第C．法拉第赫兹D．麦克斯韦赫兹解析：从理论上预言电磁波存在的物理学家是麦克斯韦，第一次用实验证实电磁波存在的物理学家是赫兹，故选D。『想一想』“为了您和他人的安全，请您不要在飞机上使用手机和手提电脑。”这句提醒警示语是乘坐飞机的旅客都听过的语言，因为有些空难事故就是由于某位乘客在飞行的飞机中使用手机造成的。如图所示是飞机上的警示标志。1999年广州白云机场飞机降落时，机上有四位旅客同时使用了手机，使飞机降落偏离了8度，险些造成事故；2015年4月27日下午一位旅客在飞往乌鲁木齐的途中使用手机，被处以五百元的治安罚款。请问为什么在飞机上不能使用手机和手提电脑呢(包括游戏机)?答案：由于手机在使用时要发射电磁波，对飞机产生电磁干扰，而飞机上导航系统是非常复杂的，抗干扰能力不是很强，所以如果飞机上的乘客使用了手机，对飞机产生电磁干扰，那么后果将十分可怕。所以，在飞机上不要使用手机和手提电脑。知识点3电磁波谱1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝λf。2．电磁波在真空中的速度：c＝3×108m/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．各种电磁波的应用(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、电视等的信号传播。(2)红外线可以用于加热理疗，可见光可以用于通信。(3)紫外线可以消毒，X射线片可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞。知识点4电磁波的能量1．光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有能量。2．电磁波具有能量，电磁波是一种物质。知识点5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．信息通信都是通过电磁波来传递的。3．电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。『判一判』(6)电磁波具有能量可用于对物体加热，也可以携带信息，用于信息通信。(√)探究麦克斯韦电磁场理论要点提炼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.电磁场的产生如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。典例剖析典题1(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，回路中有电流产生，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；形成电磁场的关键是必须有交替产生的变化的电场和变化的磁场，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。对点训练❶(2022·云南峨山彝族自治县第一中学高二开学考试)下列关于麦克斯韦的电磁场理论说法正确的是(D)A．变化的磁场产生的电场一定是变化的B．不均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生不均匀变化的电场C．稳定的磁场产生不稳定的电场D．周期性变化的磁场在周围空间产生的变化电场解析：均匀变化的磁场产生稳定的电场，选项A错误；不均匀变化的电场不一定产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，选项B错误；稳定的磁场不产生电场，选项C错误；周期性变化的磁场在周围空间产生的同频率变化电场，选项D正确。探究对电磁波的理解要点提炼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＝3.0×108m/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v＝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)在真空中传播时，不同频率的电磁波的速度都相同：v＝c。典例剖析典题2(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，都是由介质决定，与频率无关思路引导：(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。(2)不同频率的电磁波，在同一种介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。解析：选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝eq\f(v,f)，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，所以选项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，所以选项D错误。对点训练❷(多选)各磁场的磁感应强度B随时间t变化的情况如图所示，其中能产生持续电磁波的是(BD)解析：根据麦克斯韦的电磁场理论，恒定的磁场不能产生电场，更不能产生电磁波，故A错误；根据麦克斯韦的电磁场理论，周期性变化的磁场可以产生周期性变化的电场，周期性变化的电场又可以产生周期性变化的磁场，因而可以产生持续的电磁波，故B、D正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，因此不能产生持续的电磁波，故C错误。探究电磁波谱及其应用要点提炼1.电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线等合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱。2．各种不同的电磁波既有共性，又有个性(1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都满足公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间的区别并没有绝对的意义。(2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。3．电磁波谱及其应用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产生视觉荧光效应穿透能力强穿透能力强应用通讯广播、导航等加热理疗照明照相杀菌消毒、医疗等工业探伤、医学透视工业探伤、医学治疗典例剖析典题3(多选)对于电磁波谱，下列说法正确的是(CD)A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限B．γ射线的频率一定大于X射线的频率C．X射线的波长有可能等于紫外线波长D．可见光波长一定比无线电波的短解析：X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确。对点训练❸(多选)下列关于电磁波的说法正确的是(AD)A．微波炉加热食物说明电磁波具有能量B．固定电话通过电磁波传递信息C．电磁波的传播需要介质D．移动电话(手机)既能接收电磁波，也能发射电磁波解析：微波炉加热食物过程中，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，食物增加的能量是微波给它的，可见电磁波具有能量，故A正确；固定电话是通过电流传递信息的，故B错误；电磁波的传播不需要介质，故C错误；移动电话(手机)既能接收电磁波，也能发射电磁波，故D正确。故选AD。电磁波的应用实例——雷达1．雷达的工作原理：利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性工作。2．确定位置的方法：雷达通过转动的天线发射微波信号，这种信号传播的直线性好，遇到障碍物要发生反射，反射信号又被雷达天线接收。测出从发射信号到接收到目标反射信号的时间t，就可以知道目标到雷达的距离s＝eq\f(ct,2)。再根据发射无线电波的方向和倾角，便可以确定障碍物的位置了。案例某高速公路自动测速仪装置如图1所示，雷达向汽车驶来方向发射不连续的电磁波，每次发射时间约为百万分之一秒，两次发射时间间隔为t。当雷达向汽车发射无线电波时，在指示器荧光屏上呈现出一个尖波形；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形波。根据两个波的距离，可以计算出汽车距雷达的距离，根据自动打下的纸带如图2所示，可求出该汽车的车速，请根据给出的t1、t2、t、c求出汽车车速表达式。解析：根据图2所示第一次测量时汽车距雷达距离s1＝eq\f(ct1,2)；第二次测量时汽车距雷达距离s2＝eq\f(ct2,2)。两次发射时间间隔为t，则汽车的速度v＝eq\f(s,t)＝eq\f(s2－s1,t)＝eq\f(c(t2－t1),2t)。注：这里边有一个微小的误差，即t不是两个位置的时间差，准确值应是t－eq\f(t1,2)＋eq\f(t2,2)但eq\f(t1,2)与eq\f(t2,2)相差不大，对v的计算结果影响很小可略去不计，所以采用上式已经够精确的了。答案：v＝eq\f(c(t2－t1),2t)一、电磁场1．麦克斯韦电磁场理论告诉我们(D)A．任何电场周围都要产生磁场B．任何变化的电场都要在周围空间产生变化的磁场C．任何变化的电场都要在周围空间产生恒定的磁场D．周期性变化的电场要在周围空间产生周期性变化的磁场解析：由麦克斯韦电磁场理论可知，变化的电场在周围空间产生磁场，均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场，非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场，周期性变化的电场在周围空间产生周期性变化的磁场，故D正确，A、B、C错误。二、电磁波2．(多选)梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子将在空中产生电磁波，该电磁波(ABE)A．是横波B．是电荷运动产生的C．不能在真空中传播D．只能沿着梳子摇动的方向传播E．在空气中的传播速度约为3×108m/s解析：电磁波是横波，A正确；梳子带电后摇动梳子，电荷发生移动形成变化的电流，变化的电流产生变化的磁场形成电磁波，B正确；电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，C错误；电磁波产生后，可以在任意方向传播，D错误；电磁波在空气中的传播速度约等于光在真空中的传播速度，约为3×108m/s，E正确。3．(2023·天津南开高二期末)现代生活中人类与电磁波结下了不解之缘，关于电磁波下列陈述中符合事实的是(C)A．麦克斯韦首先用实验证实了电磁波的存在B．在真空中电磁波的传播速度小于真空中的光速C．空间有变化的电场(或磁场)存在，不一定能形成电磁波D．把手机放在抽成真空的玻璃盒中，拨打该手机号码，手机由于接收不到电磁波信号而无法接通解析：麦克斯韦首先预言电磁波，而赫兹用实验证实了电磁波的存在，A错误；在真空中电磁波的传播速度等于真空中的光速，B错误；只有周期性变化的电场才能形成电磁波，均匀变化的电场只能产生恒定的磁场，将不能再产生电磁波，C正确；电磁波在真空中也能传播，把手机放在抽成真空的玻璃盒中，手机能接收到电磁波的信号，D错误。三、电磁波谱4．(2022·安徽省蚌埠市第五中学高二下学期检测)按频率由小到大，电磁波谱的排列顺序是(A)A．无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线B．无线电波、可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线C．γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波D．红外线、无线电波、可见光、紫外线、