2024年高中物理新教材同步 必修第三冊 第13章　4　電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用

4電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用[學習目標]1.了解麥克斯韋電磁場理論，知道電磁場的概念。2.知道電磁波的特點，掌握電磁波波長、頻率、波速之間的關系(重點)。3.知道電磁波譜中各種電磁波的排列順序，了解各種電磁波的應用，了解電磁波的能量(重點)。一、電磁場1．麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場①在變化的磁場中放入一個閉合電路，由于穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中會產(chǎn)生感應電流。這個現(xiàn)象的實質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了電場。②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣會在空間產(chǎn)生電場。(2)變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場就像導線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場產(chǎn)生磁場。2．電磁場：變化的電場和磁場互相聯(lián)系，所形成的不可分割的統(tǒng)一體。例1(多選)下列關于電磁場理論的敘述正確的是()A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關B．周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場C．變化的電場和穩(wěn)定的磁場相互關聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場D．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場答案AB解析變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當電場中有閉合回路時，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，A正確；周期性變化的磁場產(chǎn)生的電場一定也是周期性變化的，且頻率相同，B正確；周期性變化的電場和變化的磁場相互關聯(lián)，形成電磁場，C錯誤；只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，只有變化的磁場才能產(chǎn)生電場，D錯誤。對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的磁場不產(chǎn)生電場恒定的電場不產(chǎn)生磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場二、電磁波1．(1)麥克斯韋的偉大預言：周期性變化的電場引起周期性變化的磁場，這個變化的磁場又引起新的變化的電場，這樣變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播，形成電磁波。(2)電磁波可以在真空中傳播，因為電磁波的傳播靠的是電場和磁場的相互“激發(fā)”，不需要傳播介質(zhì)。說明電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但它也可以在其他介質(zhì)如光纖中傳播，且速度都比在真空中的小。(3)光的電磁理論：光是以波動形式傳播的一種電磁振動，電磁波在真空中的傳播速度等于光速，即c＝3×108m/s。(4)赫茲的貢獻：1886年，德國科學家赫茲通過實驗捕捉到了電磁波，證實了麥克斯韋的電磁場理論。(5)電磁場中儲存著能量，電磁波的發(fā)射過程就是輻射電磁能的過程。2．波長、頻率與波速之間的關系(1)波速＝波長×頻率，即c＝λf。(2)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關，而波長、波速的大小與介質(zhì)有關，所以同一電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，波速、波長發(fā)生改變。(3)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同。(1)變化的電場一定在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場。(×)(2)麥克斯韋首先預言了電磁波的存在，赫茲最先用實驗證實了電磁波的存在。(√)(3)電磁波依賴于介質(zhì)才能傳播。(×)例2(2022·河北師范大學附屬中學高二階段練習)有一個廣播電臺的頻率f＝90.0MHz，這個電臺發(fā)射的電磁波的波長λ為()A．2.70m B．270mC．3.00m D．3.33m答案D解析這個電臺發(fā)射的電磁波的波長λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,90×106)m≈3.33m，故選D。三、電磁波譜1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜。(2)各種電磁波按波長由大到小排列順序為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。2．不同電磁波的特性和用途種類波長范圍特性應用無線電波大于1mm波動能力強通信、廣播、射電望遠鏡紅外線760～106nm熱作用強烘干、紅外遙感、測溫、夜視儀可見光400～760nm感光性強照明、照相紫外線10～400nm化學作用、熒光作用消毒、熒光效應、促使人體合成維生素DX射線0.001～10nm較強的穿透能力透視人體、檢查金屬零件的質(zhì)量γ射線小于10－3nm穿透能力最強醫(yī)學上的γ刀技術、探測金屬內(nèi)部的缺陷(1)過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康。(×)(2)電磁波頻率最大的是γ射線，醫(yī)學上常用它進行人體透視檢查。(×)(3)紫外線和X射線都可以使感光底片感光。(√)例3(2022·濟寧市育才中學高二期中)關于電磁波譜及對一些應用的解釋，下列說法中不正確的是()A．X射線對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變B．紫外驗鈔機是利用紫外線的化學作用C．紅外遙感技術利用了一切物體都在不停地輻射紅外線的特點D．γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高答案B解析X射線具有較強的穿透能力，對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變，故A正確；紫外驗鈔機是利用紫外線的熒光效應，故B錯誤；紅外遙感技術利用了一切物體都不停地輻射紅外線的現(xiàn)象，從而通過接收到的紅外線來感知物體，故C正確；γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高，故D正確。針對訓練紅外遙感衛(wèi)星通過接收地面物體發(fā)出的紅外輻射來探測地面物體的狀況。地球大氣中的水(H2O)、二氧化碳(CO2)能強烈吸收某些波長范圍的紅外輻射，即地面物體發(fā)出的某些波長的電磁波，只有一部分能夠通過大氣層被遙感衛(wèi)星接收。如圖所示為水和二氧化碳對某一波段不同波長電磁波的吸收情況。由圖可知，在該波段紅外遙感衛(wèi)星大致能夠接收到的波長范圍為()A．2.5～3.5μm B．4～4.5μmC．5～7μm D．8～13μm答案D解析由題圖可知8～13μm波段的電磁波，水和二氧化碳幾乎均不吸收，故選D。四、電磁波的能量電磁波通信1．電磁波的能量(1)電磁波是物質(zhì)存在的一種特殊形式電磁波和我們學過的電場、磁場一樣，是一種特殊的物質(zhì)，不是由分子、原子所組成的，與通常的實物不同，但它是客觀存在的。(2)電磁波具有能量從場的觀點來看，電場具有電場能，磁場具有磁場能，電磁場具有電磁能，電磁波發(fā)射的過程就是輻射能量的過程，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播。2．電磁波通信(1)傳播途徑電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以無線傳播。有線傳播利用金屬導線、光纖等有形媒介傳送信息，如臺式電腦、電話等。無線傳播僅利用電磁波而不通過線纜傳遞信息，如收音機、手機、GPS、無線鼠標等。(2)傳輸特點電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大，由于光的頻率比無線電波的頻率高得多，因此光纜可以傳遞大量的信息。例4(2022·武漢市華中師大一附中期中)5G是“第五代移動通信技術”的簡稱，目前世界各國正大力發(fā)展5G網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡使用的無線電波通信頻率在3.0GHz以上的超高頻段和極高頻段，比目前4G及以下網(wǎng)絡(通信頻率在0.3～3.0GHz的特高頻段)擁有更大的帶寬和更快的傳輸速率。5G網(wǎng)絡的傳輸速率(指單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小)可達10Gbps，是4G網(wǎng)絡的50～100倍。關于5G網(wǎng)絡使用的無線電波，下列說法正確的是()A．在真空中的傳播速度更快B．在真空中的波長更長C．在真空中的波長與4G網(wǎng)絡使用的無線電波相同D．頻率更高，相同時間傳遞的信息量更大答案D解析無線電波在真空中的傳播速度與光速相同，保持不變，其速度與頻率沒有關系，A錯誤；由c＝λf，知頻率變大，波長變短，B、C錯誤；無線電波頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大，D正確。課時對點練考點一麥克斯韋電磁場理論1．(多選)在電磁學發(fā)展的過程中，許多科學家做出了貢獻。下列說法正確的是()A．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應B．法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象C．麥克斯韋預言了電磁波的存在，楞次用實驗證實了電磁波的存在D．庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值答案ABD解析奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，A、B正確；麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，C錯誤；庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值，D正確。2．關于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場B．非均勻變化的電場產(chǎn)生的磁場一定是均勻變化的C．均勻變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場D．均勻變化的電場一定產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場答案D解析穩(wěn)定的電場不能產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定的磁場不能產(chǎn)生電場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，非均勻變化的電場產(chǎn)生非均勻變化的磁場，故D正確。3．(多選)某電場中電場強度隨時間變化的圖像如選項圖所示，能產(chǎn)生磁場的電場是()答案ABC解析根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場產(chǎn)生磁場，選項A、B、C正確?？键c二電磁波及電磁波譜4．(多選)關于電磁場和電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波由真空進入介質(zhì)中，頻率不變B．周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地傳播，形成電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，只能在真空中傳播D．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度都是3×108m/s答案AB解析頻率由波源決定，與介質(zhì)無關，故電磁波由真空進入介質(zhì)中，頻率不變，A正確；周期性變化的電場產(chǎn)生周期性變化的磁場，由近及遠地傳播，形成電磁波，B正確；電磁波是一種物質(zhì)，可以不依賴介質(zhì)傳播，電磁波在真空中的傳播速度是3×108m/s，在不同介質(zhì)中傳播速度不一樣，C、D錯誤。5．下列各組電磁波中，按波長由小到大排列的是()A．γ射線、紫外線、紅外線、可見光B．γ射線、紫外線、可見光、紅外線C．紅外線、可見光、紫外線、γ射線D．紫外線、可見光、紅外線、γ射線答案B解析依照波長由長到短，電磁波譜可大致分為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線，故選B。6．(2023·常州市高二階段練習)關于電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波跟聲波一樣，只能在介質(zhì)中傳播B．電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量C．遙控器發(fā)出的紅外線的頻率比醫(yī)院CT中的X射線的頻率大D．各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度不同答案B解析電磁波可以在真空中傳播，故A錯誤；電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量，故B正確；根據(jù)電磁波譜可知，遙控器發(fā)出的紅外線的頻率比醫(yī)院CT中的X射線的頻率小，故C錯誤；各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度都等于真空中的光速c，故D錯誤。7．電磁波在日常生活中有著廣泛的應用。下列說法正確的是()A．微波爐加熱食物是利用了紅外線的熱效應B．紅外線應用在探測技術中，是利用了它穿透本領強的特性C．醫(yī)院用X射線進行透視，是因為它是各種電磁波中穿透能力最強的D．利用紫外線滅菌消毒，是因為紫外線具有較高的能量答案D解析微波爐加熱食物是利用微波進行加熱的，A錯誤；紅外探測技術是基于一切物體都在輻射紅外線，用紅外探測器接收物體發(fā)出的紅外線，然后進行分析，從而得知被測物體的信息，B錯誤；γ射線的穿透能力比X射線的穿透能力強，C錯誤；利用紫外線具有較高的能量，可以進行滅菌消毒，D正確。8．(多選)(2023·合肥一中期中)下列能說明電磁波具有能量的是()A．可見光射入人的眼睛，人看到物體B．放在紅外線區(qū)域的溫度計升溫很慢C．電臺發(fā)射的電磁波在收音機的天線里感應出了電流D．γ射線的穿透能力強，可用于探測金屬部件內(nèi)部的缺陷答案ACD解析人眼看到物體，說明人眼感受到了可見光的能量，A項正確；紅外線具有熱效應，會使放在該區(qū)域的溫度計升溫很快，說明紅外線具有能量，B錯誤；電臺發(fā)射的電磁波在收音機的天線里感應出了電流，電流的能量來源于電磁波，C項正確；γ射線的穿透能力強，說明γ射線具有很高的能量，D項正確。9．關于現(xiàn)代通信和電磁波，下列敘述正確的是()A．光纖通信傳輸?shù)男畔⒘亢艽螅饕糜跓o線電廣播B．衛(wèi)星通信利用人造衛(wèi)星作為中繼站進行通信C．電磁波的應用對人類有利無害D．電磁波不能在真空中傳播答案B解析光纖通信以光為載體，需要用到光導纖維，不是無線傳播，故A錯誤；由于微波的性質(zhì)更接近于光波，大致沿直線傳播，不能沿地球表面繞行，同時在傳輸過程中信號存在衰減等，因此人類用通信衛(wèi)星作中繼站，故B正確；電磁波的種類很多，長期被一些射線或微波照射會對人體產(chǎn)生危害，故C錯誤；電磁波的傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播，故D錯誤。10．(多選)目前雷達發(fā)射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內(nèi)。下列關于雷達和電磁波的說法正確的是()A．真空中上述雷達發(fā)射的電磁波的傳播速度為3×108m/sB．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的C．測出從發(fā)射電磁波到接收到反射波的時間間隔可以確定雷達和目標的距離D．雷達使用的是無線電波的微波波段答案ACD解析真空中電磁波的傳播速度為3×108m/s，A正確；電磁波是由周期性變化的電場和磁場產(chǎn)生的，B