【講與練】高中物理人教版(2019)必修3：13.4 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用學案

4．電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用課程標準1．了解麥克斯韋電磁場理論的內(nèi)容。2．知道電磁波的形成及赫茲的實驗結(jié)論。3．知道電磁波在真空中傳播速度及波長、頻率和波速的關(guān)系。4．了解電磁波譜的組成及各種電磁波的特點、應用。5．了解電磁波的能量及電磁波通信。素養(yǎng)目標物理觀念1.知道麥克斯韋電磁場理論，理解麥克斯韋電磁理論的兩個要點。2.了解電磁波的形成。掌握波長、頻率和波速的關(guān)系。3.了解電磁波的特點，知道電磁場的物質(zhì)性?？茖W思維1.了解電磁波的發(fā)現(xiàn)對人類文明的影響，體會科學家研究物理問題的思維方法。2.了解麥克斯韋電磁場理論在物理學發(fā)展史上的意義。3.了解麥克斯韋和赫茲在物理學發(fā)展中的貢獻。4.通過實例認識電磁波譜，了解電磁波的組成，知道它們各自的特點及重要應用。知識點1電磁場1．麥克斯韋的電磁場理論：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。2．電磁場：變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場?！号幸慌小?1)電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場。(×)(2)周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性變化的電場。(√)知識點2電磁波1．麥克斯韋推斷：周期性變化的電場在空間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。2．麥克斯韋預言：周期性變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播，形成電磁波。3．機械波的傳播離不開介質(zhì)，電磁波可以在真空中傳播。4．光的電磁理論：光是以波動形式傳播的一種電磁振動，電磁波的速度等于光速。5．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。『判一判』(3)電磁波可以在介質(zhì)中傳播，也可以在真空中傳播。(√)(4)光是一種電磁波。(√)(5)電磁波的傳播速度一定為3×108m/s。(×)『選一選』(2023·云南硯山縣第一中學高二階段練習)手機通信是靠電磁波傳播信息的。從理論上預言電磁波存在和第一次用實驗證實電磁波存在的物理學家分別是(D)A．安培法拉第B．麥克斯韋法拉第C．法拉第赫茲D．麥克斯韋赫茲解析：從理論上預言電磁波存在的物理學家是麥克斯韋，第一次用實驗證實電磁波存在的物理學家是赫茲，故選D?！合胍幌搿弧盀榱四退说陌踩?，請您不要在飛機上使用手機和手提電腦?！边@句提醒警示語是乘坐飛機的旅客都聽過的語言，因為有些空難事故就是由于某位乘客在飛行的飛機中使用手機造成的。如圖所示是飛機上的警示標志。1999年廣州白云機場飛機降落時，機上有四位旅客同時使用了手機，使飛機降落偏離了8度，險些造成事故；2015年4月27日下午一位旅客在飛往烏魯木齊的途中使用手機，被處以五百元的治安罰款。請問為什么在飛機上不能使用手機和手提電腦呢(包括游戲機)?答案：由于手機在使用時要發(fā)射電磁波，對飛機產(chǎn)生電磁干擾，而飛機上導航系統(tǒng)是非常復雜的，抗干擾能力不是很強，所以如果飛機上的乘客使用了手機，對飛機產(chǎn)生電磁干擾，那么后果將十分可怕。所以，在飛機上不要使用手機和手提電腦。知識點3電磁波譜1．電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系：c＝λf。2．電磁波在真空中的速度：c＝3×108m/s。3．電磁波譜：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。4．各種電磁波的應用(1)無線電波中的長波、中波、短波可以用于廣播及其他信號的傳輸，微波可以用于衛(wèi)星通信、電視等的信號傳播。(2)紅外線可以用于加熱理療，可見光可以用于通信。(3)紫外線可以消毒，X射線片可以用于診斷病情，γ射線可以摧毀病變的細胞。知識點4電磁波的能量1．光是一種電磁波——傳播著的電磁場，光具有能量。2．電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)。知識點5電磁波通信1．電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相互滲透、相互兼容，逐步整合成為統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。2．信息通信都是通過電磁波來傳遞的。3．電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以無線傳播?！号幸慌小?6)電磁波具有能量可用于對物體加熱，也可以攜帶信息，用于信息通信。(√)探究麥克斯韋電磁場理論要點提煉1.對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場2.電磁場的產(chǎn)生如果在空間某處有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。典例剖析典題1(多選)下列關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是(AB)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(guān)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(guān)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，回路中有電流產(chǎn)生，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；形成電磁場的關(guān)鍵是必須有交替產(chǎn)生的變化的電場和變化的磁場，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。對點訓練?(2022·云南峨山彝族自治縣第一中學高二開學考試)下列關(guān)于麥克斯韋的電磁場理論說法正確的是(D)A．變化的磁場產(chǎn)生的電場一定是變化的B．不均勻變化的電場產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場產(chǎn)生不均勻變化的電場C．穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生不穩(wěn)定的電場D．周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生的變化電場解析：均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，選項A錯誤；不均勻變化的電場不一定產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，選項B錯誤；穩(wěn)定的磁場不產(chǎn)生電場，選項C錯誤；周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生的同頻率變化電場，選項D正確。探究對電磁波的理解要點提煉1.電磁波的特點(1)電磁場中儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程。(2)只有周期性變化的電場和磁場相互激發(fā)才能形成電磁波。(3)電磁波可以在真空中傳播，因為電磁波本身就是一種物質(zhì)——場物質(zhì)，所以傳播時不再需要其他介質(zhì)。(4)任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小。2．波長、頻率與波速之間的關(guān)系波速＝波長×頻率，即v＝λf。(1)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，波長、波速的大小與介質(zhì)有關(guān)。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，在介質(zhì)中的速度都比在真空中速度小。(2)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同。(3)在真空中傳播時，不同頻率的電磁波的速度都相同：v＝c。典例剖析典題2(多選)電磁波與聲波比較，下列敘述中正確的是(ABC)A．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)B．由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進入水中時，電磁波波長變小，聲波波長變大D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)思路引導：(1)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，在真空中，不同頻率的電磁波傳播速度是相同的(都等于光速)。(2)不同頻率的電磁波，在同一種介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小。解析：選項A、B均與事實相符，所以A、B正確；根據(jù)λ＝eq\f(v,f)，電磁波波速變小，頻率不變，波長變小；聲波速度變大，頻率不變，波長變大，所以選項C正確；電磁波在介質(zhì)中的速度，與介質(zhì)有關(guān)，也與頻率有關(guān)，在同一種介質(zhì)中，頻率越大，波速越小，所以選項D錯誤。對點訓練?(多選)各磁場的磁感應強度B隨時間t變化的情況如圖所示，其中能產(chǎn)生持續(xù)電磁波的是(BD)解析：根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，恒定的磁場不能產(chǎn)生電場，更不能產(chǎn)生電磁波，故A錯誤；根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，周期性變化的磁場可以產(chǎn)生周期性變化的電場，周期性變化的電場又可以產(chǎn)生周期性變化的磁場，因而可以產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，故B、D正確；均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場，而恒定的電場不能再產(chǎn)生磁場，因此不能產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，故C錯誤。探究電磁波譜及其應用要點提煉1.電磁波譜：按電磁波的波長或頻率大小的順序把他們排列成譜。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線(X射線)、γ射線等合起來，便構(gòu)成了范圍非常廣闊的電磁波譜。2．各種不同的電磁波既有共性，又有個性(1)共性：它們在本質(zhì)上都是電磁波，它們的行為服從相同的規(guī)律，都滿足公式v＝fλ，它們在真空中的傳播速度都是c＝3.0×108m/s，它們的傳播都不需要介質(zhì)，各波段之間的區(qū)別并沒有絕對的意義。(2)個性：不同電磁波的頻率或波長不同，表現(xiàn)出不同的特性。3．電磁波譜及其應用波譜無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線特性波動性強熱作用產(chǎn)生視覺熒光效應穿透能力強穿透能力強應用通訊廣播、導航等加熱理療照明照相殺菌消毒、醫(yī)療等工業(yè)探傷、醫(yī)學透視工業(yè)探傷、醫(yī)學治療典例剖析典題3(多選)對于電磁波譜，下列說法正確的是(CD)A．各種電磁波有明顯的頻率和波長區(qū)域界限B．γ射線的頻率一定大于X射線的頻率C．X射線的波長有可能等于紫外線波長D．可見光波長一定比無線電波的短解析：X射線和γ射線、X射線和紫外線有一部分頻率重疊，界限不明顯，故A、B錯誤，C正確；可見光波長一定比無線電波波長短，故D正確。對點訓練?(多選)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(AD)A．微波爐加熱食物說明電磁波具有能量B．固定電話通過電磁波傳遞信息C．電磁波的傳播需要介質(zhì)D．移動電話(手機)既能接收電磁波，也能發(fā)射電磁波解析：微波爐加熱食物過程中，食物中的水分子在微波的作用下熱運動加劇，內(nèi)能增加，溫度升高，食物增加的能量是微波給它的，可見電磁波具有能量，故A正確；固定電話是通過電流傳遞信息的，故B錯誤；電磁波的傳播不需要介質(zhì)，故C錯誤；移動電話(手機)既能接收電磁波，也能發(fā)射電磁波，故D正確。故選AD。電磁波的應用實例——雷達1．雷達的工作原理：利用電磁波遇到障礙物發(fā)生反射的特性工作。2．確定位置的方法：雷達通過轉(zhuǎn)動的天線發(fā)射微波信號，這種信號傳播的直線性好，遇到障礙物要發(fā)生反射，反射信號又被雷達天線接收。測出從發(fā)射信號到接收到目標反射信號的時間t，就可以知道目標到雷達的距離s＝eq\f(ct,2)。再根據(jù)發(fā)射無線電波的方向和傾角，便可以確定障礙物的位置了。案例某高速公路自動測速儀裝置如圖1所示，雷達向汽車駛來方向發(fā)射不連續(xù)的電磁波，每次發(fā)射時間約為百萬分之一秒，兩次發(fā)射時間間隔為t。當雷達向汽車發(fā)射無線電波時，在指示器熒光屏上呈現(xiàn)出一個尖波形；在收到反射回來的無線電波時，在熒光屏上呈現(xiàn)第二個尖形波。根據(jù)兩個波的距離，可以計算出汽車距雷達的距離，根據(jù)自動打下的紙帶如圖2所示，可求出該汽車的車速，請根據(jù)給出的t1、t2、t、c求出汽車車速表達式。解析：根據(jù)圖2所示第一次測量時汽車距雷達距離s1＝eq\f(ct1,2)；第二次測量時汽車距雷達距離s2＝eq\f(ct2,2)。兩次發(fā)射時間間隔為t，則汽車的速度v＝eq\f(s,t)＝eq\f(s2－s1,t)＝eq\f(c(t2－t1),2t)。注：這里邊有一個微小的誤差，即t不是兩個位置的時間差，準確值應是t－eq\f(t1,2)＋eq\f(t2,2)但eq\f(t1,2)與eq\f(t2,2)相差不大，對v的計算結(jié)果影響很小可略去不計，所以采用上式已經(jīng)夠精確的了。答案：v＝eq\f(c(t2－t1),2t)一、電磁場1．麥克斯韋電磁場理論告訴我們(D)A．任何電場周圍都要產(chǎn)生磁場B．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場C．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場D．周期性變化的電場要在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場解析：由麥克斯韋電磁場理論可知，變化的電場在周圍空間產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，故D正確，A、B、C錯誤。二、電磁波2．(多選)梳子在梳頭后帶上電荷，搖動這把梳子將在空中產(chǎn)生電磁波，該電磁波(ABE)A．是橫波B．是電荷運動產(chǎn)生的C．不能在真空中傳播D．只能沿著梳子搖動的方向傳播E．在空氣中的傳播速度約為3×108m/s解析：電磁波是橫波，A正確；梳子帶電后搖動梳子，電荷發(fā)生移動形成變化的電流，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場形成電磁波，B正確；電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，C錯誤；電磁波產(chǎn)生后，可以在任意方向傳播，D錯誤；電磁波在空氣中的傳播速度約等于光在真空中的傳播速度，約為3×108m/s，E正確。3．(2023·天津南開高二期末)現(xiàn)代生活中人類與電磁波結(jié)下了不解之緣，關(guān)于電磁波下列陳述中符合事實的是(C)A．麥克斯韋首先用實驗證實了電磁波的存在B．在真空中電磁波的傳播速度小于真空中的光速C．空間有變化的電場(或磁場)存在，不一定能形成電磁波D．把手機放在抽成真空的玻璃盒中，撥打該手機號碼，手機由于接收不到電磁波信號而無法接通解析：麥克斯韋首先預言電磁波，而赫茲用實驗證實了電磁波的存在，A錯誤；在真空中電磁波的傳播速度等于真空中的光速，B錯誤；只有周期性變化的電場才能形成電磁波，均勻變化的電場只能產(chǎn)生恒定的磁場，將不能再產(chǎn)生電磁波，C正確；電磁波在真空中也能傳播，把手機放在抽成真空的玻璃盒中，手機能接收到電磁波的信號，D錯誤。三、電磁波譜4．(2022·安徽省蚌埠市第五中學高二下學期檢測)按頻率由小到大，電磁波譜的排列順序是(A)A．無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線B．無線電波、可見光、紅外線、紫外線、X射線、γ射線C．γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波D．紅外線、無線電波、可見光、紫外線、