22人教版高中物理新教材選擇性必修第2冊-第2節(jié)-電磁場與電磁波

第四章

電磁振蕩與電磁波第2節(jié)

電磁場與電磁波22人教版高中物理新教材選擇性必修第2冊課標解讀課標要求素養(yǎng)要求1.理解麥克斯韋電磁場理論的兩個支柱:變化的磁場產(chǎn)生電場、變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的電場和磁場相互聯(lián)系形成統(tǒng)一的電磁場。2.了解電磁場在空間傳播形成電磁波。3.了解麥克斯韋電磁場理論以及赫茲實驗在物理學發(fā)展中的貢獻。1.物理觀念:理解電磁場、電磁波及麥克斯韋電磁場理論，了解變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向周圍傳播的“能量觀”及電磁場客觀存在的“物質觀”。2.科學探究:探究電磁場與電磁波的存在。3.科學思維:通過了解麥克斯韋電磁場理論以及赫茲實驗，體會兩位科學家研究物理問題的思想方法。4.科學態(tài)度與責任:通過電磁波發(fā)現(xiàn)的過程，領會人類認識世界的認知規(guī)律，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度。要點一麥克斯韋電磁場理論______①的磁場產(chǎn)生電場，是一個普遍規(guī)律，跟__________②是否存在無關。______③的電荷在空間要產(chǎn)生磁場，從場的觀點出發(fā)，麥克斯韋假設:變化的電場就____④運動的電荷，也會在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場產(chǎn)生磁場。

變化

閉合電路

運動

像要點二電磁波的產(chǎn)生變化的電場和磁場總是__________⑤的，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場。如果在空間某區(qū)域有____________⑥的電場，就會在周圍引起變化的磁場，變化的電場和磁場又會在較遠的空間引起新的變化的電場和磁場。這樣變化的電場和磁場由近及遠地向周圍______⑦，形成了電磁波。

相互聯(lián)系

周期性變化

傳播①磁場存在但不變化可以產(chǎn)生電場嗎?產(chǎn)生電場的根源是什么？

[答案]提示不可以。產(chǎn)生電場的根源不是只要有磁場就行，而是磁場“有”還必須“變”才可以產(chǎn)生電場。②如果在變化的磁場周國不存在閉合電路，是否也產(chǎn)生電場?閉合電路的作用是什么?

[答案]提示只要磁場變化，即使不存在閉合電路，電場仍然產(chǎn)生，閉合電路只是起了一個檢測這個電場存在的作用。若放人的不是閉合電路而是可以自由移動的帶電粒子或小球，它們也會在感應電場的作用下運動起來，說明變化的磁場確實產(chǎn)生了電場。③電荷存在但不運動，可以產(chǎn)生磁場嗎？電荷如何才能產(chǎn)生磁場？電荷產(chǎn)生磁場的根源是什么？

[答案]提示靜止的電荷不產(chǎn)生磁場，只產(chǎn)生靜電場。電荷產(chǎn)生磁場的根源是由于電荷的“動”，這個動，導致了電場的變化，從而產(chǎn)生了磁場。因此是電場的“變化”產(chǎn)生了磁場而不是電場的存在產(chǎn)生了磁場。④這里的“像”指的是什么像？

[答案]提示“像”是指變化的電場與運動的電荷在產(chǎn)生的電場上像，都是電場在變化，因此在周圍空間能產(chǎn)生磁場的條件是“電場的變化”。⑤為什么變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的？

[答案]提示麥克斯韋根據(jù)電磁感應現(xiàn)象提出了“變化的磁場可以產(chǎn)生電場”，他認為自然規(guī)律是統(tǒng)一與和諧的，相信電場與磁場之間有對稱之美，從而提出了“變化的電場也會產(chǎn)生磁場”，當電場、磁場變化起來時，兩者相互聯(lián)系形成不可分割的統(tǒng)一體——電磁場。⑥為什么非得是“周期性變化”的電場才能產(chǎn)生變化的磁場？若電場均勻變化，會產(chǎn)生怎樣的磁場？

[答案]提示若電場均勻變化，產(chǎn)生的磁場就是穩(wěn)定的，這種穩(wěn)定的磁場不會再在周圍空間產(chǎn)生電場，從而無法繼續(xù)感應下去，使得電磁場的傳播中斷。只有電場做周期性變化，才會引起“變化”的磁場，這個變化的磁場才會再在周圍空間產(chǎn)生變化的電場，再產(chǎn)生變化的磁場……，如此循環(huán)產(chǎn)生而不中斷。⑦“傳播”的是什么？電磁波是如何形成的？

[答案]提示傳播的是一種特殊的物質——看不見摸不著的電磁場，同時也伴隨著能量——電場能、磁場能的傳播。這種傳播是電場與磁場在不斷地相互感應中完成的，稱為電磁波。電磁波是運動著的“電磁場”。1.理解電磁場靜電場、靜磁場與電磁場雖然看不見摸不著但客觀存在，屬于自然界一種特殊的物質形態(tài)；電磁場并不是靜電場和靜磁場混在一起疊加而成，而是電場、磁場在不均勻變化時互相感應形成的遵循一定規(guī)律的統(tǒng)一體，有單獨存在的靜電場，有單獨存在的靜磁場，但沒有靜止的電磁場。

（2）電磁波的傳播不需要介質。在真空中，電磁波的傳播速度最快，跟光速相同（光就是一種電磁波）。在介質中的傳播速度比在真空中的傳播速度要小。介質不同傳播速度一般不同。（3）同一種電磁波從一種介質進入另一種介質時，在傳播過程中，頻率或周期不變，變的是速度和波長。電磁波的周期和頻率是由電磁振蕩的周期和頻率決定的，與介質無關。（4）電磁波具有波的共性，能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效應、吸收等現(xiàn)象。（5）電磁波像所有的波一樣攜帶著電磁振動這種振動形式和能量向前傳播，因此電磁波也是傳播能量的一種形式；同時電磁波能夠脫離振源繼續(xù)傳播，類似于機械波。探究點一

電磁場的形成1.電場、磁場有對稱之美，磁場變化（如圖1磁極的靠近或遠離）會產(chǎn)生電場，若磁場變化是均勻的，產(chǎn)生的電場是穩(wěn)定的，電場方向如圖1中水平閉合的電場線；同理，電場變化（如圖2兩電極電荷量增加或減少）也會產(chǎn)生磁場，若電場變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場也是穩(wěn)定的，磁場方向如圖2中水平閉合的磁感線。若電場做周期性變化，它會激發(fā)出和電場同頻率的做周期性變化的磁場，這個變化的磁場又激發(fā)出同頻率的變化的電場，如此循環(huán)……，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生形成不可分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。電場、磁場的變化關系是什么？

[答案]提示1.麥克斯韋電磁場理論要點變化情況磁場產(chǎn)生電場電場產(chǎn)生磁場恒定恒定的磁場不產(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)生恒定的磁場非均勻變化非均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電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周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的變化的電場周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的變化的磁場2.注意變化的電場一定能產(chǎn)生磁場，但不一定能產(chǎn)生變化的磁場，若電場均勻變化將產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，這個穩(wěn)定的磁場不再產(chǎn)生電場；同理，變化的磁場也不一定產(chǎn)生變化的電場，若磁場均勻變化將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，這個穩(wěn)定的電場不再產(chǎn)生磁場。

A.會產(chǎn)生變化的磁場B.會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C.不會產(chǎn)生磁場D.會產(chǎn)生振蕩的磁場

C

變式.某電路中電場隨時間變化的圖像如四個選項圖所示，其中能產(chǎn)生電磁波的是(

)A.B.C.D.

D

解題感悟（1）不僅電荷能產(chǎn)生電場，變化的磁場也能產(chǎn)生電場；不僅電流能夠產(chǎn)生磁場，變化的電場也能產(chǎn)生磁場。（2）深刻理解變化的電場產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場是否變化取決于電場的變化情況；變化的磁場產(chǎn)生電場，產(chǎn)生的電場是否變化也取決于磁場的變化情況。

A.逐漸增強 B.逐漸減弱C.不變 D.無法確定

C

[解析]由圖像可知，磁場在均勻變化，故在磁場周圍產(chǎn)生的電場是穩(wěn)定不變的。

A.小球對玻璃圓環(huán)的壓力不斷增大B.小球受到的磁場力不斷增大C.小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動D.洛倫茲力對小球一直不做功

CD

探究點二

電磁波的存在1.2020年12月1日23時11分我國“嫦娥五號”探測器成功著陸在月球，并利用電磁波傳回了珍貴的著陸影像圖，世界為之矚目!于12月17日返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域安全著陸，任務取得圓滿成功。飛行過程中地面工作人員通過電磁波實現(xiàn)對探測器的控制，同時接收探測器發(fā)回的電磁波信號。有嫦娥五號通過電磁信號傳回的照片震撼全球！圖為嫦娥五號離開月球表面瞬間的珍貴照片。簡述電磁波的形成過程。

[答案]提示電磁波的形成經(jīng)歷了這樣的一系列過程：空間某處有一個隨時間變化的磁場（或電場），這個磁場（或電場）就會產(chǎn)生電場（或磁場）。如果這個電場（或磁場）也是隨時間變化的，那么它就會產(chǎn)生新的磁場（或電場）……，這樣下去，變化的電場、磁場就會在周圍空間由近及遠地向外傳播形成了電磁波。這里感應電場與感應磁場的場線都是閉合的，而且相互正交套連如圖所示。

電磁波的傳播不像機械波的傳播需要介質，它是靠相互感應來完成的，因此不需要介質，可以在真空中傳播。所以，雖然太空和地球間是真空環(huán)境，但不會影響電磁波的往來傳播。1.電磁波的產(chǎn)生和傳播（1）周期性變化的電場、磁場相互感應，會在周圍空間相互套連由近及遠向遠處傳播，從而形成了電磁波。（2）電磁波本身就是一種物質，它可以在真空中傳播，不需要介質。2.電磁波的證實（1）學習麥克斯韋有大膽的猜測意識，感受物理學對稱之美。（2）人類歷史上首次捕捉到了電磁波，成為信息技術發(fā)展的里程碑。例如圖所示是著名物理學家費曼設計的一個實驗，在一塊絕緣板中部安裝一個線圈，并接有電源，板的四周有許多帶負電的小球，將整個裝置懸掛起來，接通電源瞬間，整個圓盤將轉動一下，你知道這是為什么嗎？

[答案]見解析

[解析]解析接通電源瞬間，線圈中產(chǎn)生變化的電流，從而產(chǎn)生變化的磁場，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，該變化的磁場在空間產(chǎn)生電場，帶負電的小球在電場中因受電場力而帶動圓盤轉動一下。變式.根據(jù)赫茲實驗的創(chuàng)意，設計如圖所示的實驗，將電池、導線、銼串聯(lián)起來，當導線頭在銼的表面滑動時，收音機會發(fā)出“咔、咔”的聲音，說明了什么？

[答案]見解析

[解析]解析電池、導線以及銼形成了閉合電路，當導線頭在銼的表面滑動時，電路中會產(chǎn)生周期性變化的電流，向周圍空間發(fā)出電磁波，收音機接收到電磁波信號后發(fā)出聲音。這個實驗證明了電磁波的存在。解題感悟電磁波雖然看不見摸不著，但它是客觀存在。

B

D

探究點三

電磁波與機械波的對比類比是一種有效的學習方法，通過歸類和比較有助于掌握新知識，提高學習效率。在類比過程中，既要找出共同之處，又要抓住不同之處，下面就機械波和電磁波進行類比總結：項目電磁波機械波不同本質電磁現(xiàn)象力學現(xiàn)象激發(fā)由電磁振蕩激發(fā)由質點（波源）振動產(chǎn)生傳播機理是電磁這種物質伴隨電磁運動形式和能量的傳播是機械振動這種振動形式和能量在介質中的傳播項目電磁波機械波介質不需要介質需要介質種類橫波可能是橫波，也可能是縱波周期性位移、加速度等隨時間和空間做周期性變化傳播波速與介質有關，與頻率無關相同續(xù)表

AB

2.下列關于機械波和電磁波的說法正確的是(

)A.電磁波傳播不需要介質，機械波傳播需要介質B.電磁波在任何介質中傳播速率都相同，機械波在同一種介質中傳播速率都相同C.電磁波由真空進入介質傳播時，波長變長D.利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸

A

3.（多選）電磁波與聲波比較，下列說法正確的是(

)A.電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強度、磁感應強度均垂直B.電磁波是電磁場由發(fā)生的區(qū)域向遠處傳播，聲波是聲源的振動向遠處傳播C.由空氣進入水中時，電磁波和聲波速度都將變小D.由空氣進入水中時，電磁波波長變短，聲波波長變長

ABD

1.（多選）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.變化的電場和變化的磁場相互關聯(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

ABC

2.（多選）在空間某處存在一個變化的磁場，則下列說法正確的是(

)A.在變化的磁場周圍一定能產(chǎn)生變化的電場B.在磁場中放一個閉合線圈，線圈里一定有感應電流C.在磁場中放一個閉合線圈，線圈里不一定有感應電流D.變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，跟閉合線圈的存在與否無關

CD

A.B.C.D.

ABD

通過兩個實驗來驗證：變化的磁場可以產(chǎn)生電場，變化的電場可以產(chǎn)生磁場。1.實驗如圖甲所示，當螺線圈內(nèi)通以交流電時，上方與另一線圈串聯(lián)的燈泡發(fā)光，說明線圈中有電流，這里電流的出現(xiàn)，說明有電場激起了電流（若空間沒有導線圈，電場依舊存在），原因是變化的磁場產(chǎn)生了電場。進一步大膽猜想，并得到證實：均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場，非均勻變化的磁場產(chǎn)生同頻率的非均勻變化的電場。2.我們循著麥克斯韋思考的腳步，既然變化的磁場能產(chǎn)生電場，由于電場和磁場具有很多相似之處，依據(jù)自然界的對稱與和諧，變化的電場也可以產(chǎn)生磁場。設計實驗如圖乙所示，在極板之間加泡沫塑料板，板上放一些小磁針按照同心圓放置，讓平行金屬板與交流電源連接，當接通交流電時，觀察到泡沫塑料板上放著的小磁針發(fā)生了偏轉，說明變化的電場產(chǎn)生了磁場，進一步總結：均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場產(chǎn)生同頻率的非均勻變化的磁場。1.（多選）根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，以下敘述正確的是(

)A.工作著的電子鐘周圍空間必有磁場和電場B.打點計時器工作時周圍必有磁場和電場C.變化的磁場可以產(chǎn)生電場，變化的電場也可以產(chǎn)生磁場D.電磁波在同種介質中只能沿直線傳播

ABC2.（多選）下列關于電磁波的說法中正確的是(

)A.只要電場和磁場發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波B.電磁波可以在任何介質中傳播，因此傳播需要介質C.停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨立存在D.電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的

CD

1.如圖所示是赫茲實驗的裝置，其實驗目的是(

)A.測定電磁波的速度 B.驗證電磁波的存在C.測定電磁波的頻率 D.驗證電磁波是否為橫波

B2.（多選）下列說法中正確的有(

)A.最早發(fā)現(xiàn)電和磁有密切聯(lián)系的科學家是奧斯特B.電磁感應現(xiàn)象是法拉第發(fā)現(xiàn)的C.建立電磁場理論初步的科學家是麥克斯韋D.最早預見到有電磁波存在的科學家是赫茲

ABC

B

AD

A.小球受到的向心力大小不變B.小球受到的向心力大小不斷增加C.洛倫茲力對小球做了功D.小球受到的洛倫茲力大小與時間成正比

B

A

A.米波的頻率比厘米波頻率高B.和機械波一樣須靠介質傳播C.同光波一樣會發(fā)生反射現(xiàn)象D.不可能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象

C

8.某閉合電路的電流或電壓隨時間變化的規(guī)律如圖所示，能發(fā)射電磁波的是(

)A.B.C.D.