22人教版高中物理新教材選擇性必修第2冊(cè)-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(cè)課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.理解麥克斯韋電磁場理論的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn)。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(yuǎn)向周圍傳播的“能量觀”及電磁場客觀存在的“物質(zhì)觀”。2.科學(xué)探究:探究電磁場與電磁波的存在。3.科學(xué)思維:通過了解麥克斯韋電磁場理論以及赫茲實(shí)驗(yàn)，體會(huì)兩位科學(xué)家研究物理問題的思想方法。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過電磁波發(fā)現(xiàn)的過程，領(lǐng)會(huì)人類認(rèn)識(shí)世界的認(rèn)知規(guī)律，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。要點(diǎn)一麥克斯韋電磁場理論______①的磁場產(chǎn)生電場，是一個(gè)普遍規(guī)律，跟__________②是否存在無關(guān)。______③的電荷在空間要產(chǎn)生磁場，從場的觀點(diǎn)出發(fā)，麥克斯韋假設(shè):變化的電場就____④運(yùn)動(dòng)的電荷，也會(huì)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(yùn)動(dòng)

像要點(diǎn)二電磁波的產(chǎn)生變化的電場和磁場總是__________⑤的，形成一個(gè)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(huì)在周圍引起變化的磁場，變化的電場和磁場又會(huì)在較遠(yuǎn)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(yuǎn)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(gè)檢測這個(gè)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(dòng)的帶電粒子或小球，它們也會(huì)在感應(yīng)電場的作用下運(yùn)動(dòng)起來，說明變化的磁場確實(shí)產(chǎn)生了電場。③電荷存在但不運(yùn)動(dòng)，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(dòng)”，這個(gè)動(dòng)，導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(yīng)現(xiàn)象提出了“變化的磁場可以產(chǎn)生電場”，他認(rèn)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(duì)稱之美，從而提出了“變化的電場也會(huì)產(chǎn)生磁場”，當(dāng)電場、磁場變化起來時(shí)，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(huì)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(huì)再在周圍空間產(chǎn)生電場，從而無法繼續(xù)感應(yīng)下去，使得電磁場的傳播中斷。只有電場做周期性變化，才會(huì)引起“變化”的磁場，這個(gè)變化的磁場才會(huì)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(zhì)——看不見摸不著的電磁場，同時(shí)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(yīng)中完成的，稱為電磁波。電磁波是運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(shí)互相感應(yīng)形成的遵循一定規(guī)律的統(tǒng)一體，有單獨(dú)存在的靜電場，有單獨(dú)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(zhì)。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(zhì)中的傳播速度比在真空中的傳播速度要小。介質(zhì)不同傳播速度一般不同。（3）同一種電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，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(zhì)無關(guān)。（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(yīng)、吸收等現(xiàn)象。（5）電磁波像所有的波一樣攜帶著電磁振動(dòng)這種振動(dòng)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(shí)電磁波能夠脫離振源繼續(xù)傳播，類似于機(jī)械波。探究點(diǎn)一

電磁場的形成1.電場、磁場有對(duì)稱之美，磁場變化（如圖1磁極的靠近或遠(yuǎn)離）會(huì)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(huì)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(huì)激發(fā)出和電場同頻率的做周期性變化的磁場，這個(gè)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(guān)系是什么？

[答案]提示1.麥克斯韋電磁場理論要點(diǎn)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(gè)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(gè)穩(wěn)定的電場不再產(chǎn)生磁場。

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

C

變式.某電路中電場隨時(shí)間變化的圖像如四個(gè)選項(xiàng)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(qiáng) 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?qū)ΣＡA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(shí)針方向做減速運(yùn)動(dòng)，過一段時(shí)間后，沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動(dòng)D.洛倫茲力對(duì)小球一直不做功

CD

探究點(diǎn)二

電磁波的存在1.2020年12月1日23時(shí)11分我國“嫦娥五號(hào)”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(yù)定區(qū)域安全著陸，任務(wù)取得圓滿成功。飛行過程中地面工作人員通過電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器的控制，同時(shí)接收探測器發(fā)回的電磁波信號(hào)。有嫦娥五號(hào)通過電磁信號(hào)傳回的照片震撼全球！圖為嫦娥五號(hào)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(gè)隨時(shí)間變化的磁場（或電場），這個(gè)磁場（或電場）就會(huì)產(chǎn)生電場（或磁場）。如果這個(gè)電場（或磁場）也是隨時(shí)間變化的，那么它就會(huì)產(chǎn)生新的磁場（或電場）……，這樣下去，變化的電場、磁場就會(huì)在周圍空間由近及遠(yuǎn)地向外傳播形成了電磁波。這里感應(yīng)電場與感應(yīng)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(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，它是靠相互感應(yīng)來完成的，因此不需要介質(zhì)，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(huì)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(yīng)，會(huì)在周圍空間相互套連由近及遠(yuǎn)向遠(yuǎn)處傳播，從而形成了電磁波。（2）電磁波本身就是一種物質(zhì)，它可以在真空中傳播，不需要介質(zhì)。2.電磁波的證實(shí)（1）學(xué)習(xí)麥克斯韋有大膽的猜測意識(shí)，感受物理學(xué)對(duì)稱之美。（2）人類歷史上首次捕捉到了電磁波，成為信息技術(shù)發(fā)展的里程碑。例如圖所示是著名物理學(xué)家費(fèi)曼設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一塊絕緣板中部安裝一個(gè)線圈，并接有電源，板的四周有許多帶負(fù)電的小球，將整個(gè)裝置懸掛起來，接通電源瞬間，整個(gè)圓盤將轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)電的小球在電場中因受電場力而帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一下。變式.根據(jù)赫茲實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)意，設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)，將電池、導(dǎo)線、銼串聯(lián)起來，當(dāng)導(dǎo)線頭在銼的表面滑動(dòng)時(shí)，收音機(jī)會(huì)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(dǎo)線以及銼形成了閉合電路，當(dāng)導(dǎo)線頭在銼的表面滑動(dòng)時(shí)，電路中會(huì)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(jī)接收到電磁波信號(hào)后發(fā)出聲音。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)三

電磁波與機(jī)械波的對(duì)比類比是一種有效的學(xué)習(xí)方法，通過歸類和比較有助于掌握新知識(shí)，提高學(xué)習(xí)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(jī)械波和電磁波進(jìn)行類比總結(jié)：項(xiàng)目電磁波機(jī)械波不同本質(zhì)電磁現(xiàn)象力學(xué)現(xiàn)象激發(fā)由電磁振蕩激發(fā)由質(zhì)點(diǎn)（波源）振動(dòng)產(chǎn)生傳播機(jī)理是電磁這種物質(zhì)伴隨電磁運(yùn)動(dòng)形式和能量的傳播是機(jī)械振動(dòng)這種振動(dòng)形式和能量在介質(zhì)中的傳播項(xiàng)目電磁波機(jī)械波介質(zhì)不需要介質(zhì)需要介質(zhì)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(shí)間和空間做周期性變化傳播波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)相同續(xù)表

AB

2.下列關(guān)于機(jī)械波和電磁波的說法正確的是(

)A.電磁波傳播不需要介質(zhì)，機(jī)械波傳播需要介質(zhì)B.電磁波在任何介質(zhì)中傳播速率都相同，機(jī)械波在同一種介質(zhì)中傳播速率都相同C.電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時(shí)，波長變長D.利用電磁波傳遞信號(hào)可以實(shí)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(shí)，其傳播方向與電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直B.電磁波是電磁場由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，聲波是聲源的振動(dòng)向遠(yuǎn)處傳播C.由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波和聲波速度都將變小D.由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波波長變短，聲波波長變長

ABD

1.（多選）關(guān)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(guān)B.周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場C.變化的電場和變化的磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)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(gè)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(gè)閉合線圈，線圈里一定有感應(yīng)電流C.在磁場中放一個(gè)閉合線圈，線圈里不一定有感應(yīng)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(guān)

CD

A.B.C.D.

ABD

通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)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(shí)驗(yàn)如圖甲所示，當(dāng)螺線圈內(nèi)通以交流電時(shí)，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(dǎo)線圈，電場依舊存在），原因是變化的磁場產(chǎn)生了電場。進(jìn)一步大膽猜想，并得到證實(shí)：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(duì)稱與和諧，變化的電場也可以產(chǎn)生磁場。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(dāng)接通交流電時(shí)，觀察到泡沫塑料板上放著的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明變化的電場產(chǎn)生了磁場，進(jìn)一步總結(jié)：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(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí)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(zhì)中只能沿直線傳播

ABC2.（多選）下列關(guān)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(zhì)中傳播，因此傳播需要介質(zhì)C.停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨(dú)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(shí)驗(yàn)的裝置，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖?

)A.測定電磁波的速度 B.驗(yàn)證電磁波的存在C.測定電磁波的頻率 D.驗(yàn)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(xué)家是奧斯特B.電磁感應(yīng)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(xué)家是麥克斯韋D.最早預(yù)見到有電磁波存在的科學(xué)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(duì)小球做了功D.小球受到的洛倫茲力大小與時(shí)間成正比

B

A

A.米波的頻率比厘米波頻率高B.和機(jī)械波一樣須靠介質(zhì)傳播C.同光波一樣會(huì)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(shí)間變化的規(guī)律如圖所示，能發(fā)射電磁波的是(

)A.B.C.D.