学年高考物理主题3电磁场与电磁波初步5电磁波的发现及其应用学案必修3.docx
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学年高考物理主题3电磁场与电磁波初步5电磁波的发现及其应用学案必修3
5 电磁波的发现及其应用
[学科素养与目标要求]
物理观念:
1.了解麦克斯韦电磁场理论,了解电磁波的产生机理.2.知道电磁波的特点,知道电磁场的物质性.3.了解电磁波的应用及其带来的影响.4.知道光是一种电磁波,知道光的能量的不连续性.
科学态度与责任:
1.了解麦克斯韦在物理学发展中的贡献,体会其研究物理问题的方法.2.了解电磁波在现代生活中的应用,激发热爱科学、献身科学的热情.
一、麦克斯韦伟大的预言
1.变化的磁场产生电场
(1)在变化的磁场中放一个闭合的电路,由于穿过电路的磁通量发生变化,电路里会产生感应电流.这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场.
(2)即使在变化的磁场中没有闭合电路,也同样要在空间产生电场.
2.变化的电场产生磁场
变化的电场也相当于一种电流,也在空间产生磁场,即变化的电场在空间产生磁场.
二、电磁波
1.电磁波的产生:
如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场;这个变化的磁场又会引起新的变化的电场……于是,变化的电场和磁场交替产生,由近及远地传播.电磁场这样由近及远地传播,就形成电磁波.
2.特点
(1)电磁波可以在真空中传播.
(2)电磁波的传播速度等于光速.
(3)光在本质上是一种电磁波.
(4)光是以波动形式传播的一种电磁振动.
3.电磁波的波速
(1)波速、波长、频率三者之间的关系:
波速=波长×频率.
电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c=λf.
(2)电磁波在真空中的传播速度c=3.00×108m/s.
三、电磁波谱
1.按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱,叫做电磁波谱.
2.不同波长电磁波的特性
(1)无线电波
波长大于1mm(频率小于300GHz)的电磁波是无线电波.无线电波用于通信和广播.
(2)红外线
①红外线是一种光波,它的波长比无线电波的波长短,比可见光长.
②所有物体都发射红外线,热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强.我们看不见红外线.
③利用红外线遥感可以在飞机或人造卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮.
(3)可见光
可见光的波长在400~760nm之间.
(4)紫外线
波长范围在5~370nm的电磁波是紫外线.可以利用紫外线灭菌消毒.人体接受适量的紫外线照射,能促进钙的吸收,改善身体健康.在紫外线的照射下,许多物质会发出荧光,根据这个特点可以设计防伪措施.
(5)X射线和γ射线
波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线.X射线对生命物质有较强的作用,过量的X射线辐射会引起生物体的病变.X射线能够穿透物质,可以用来检查人体内部器官.
波长最短的电磁波是γ射线,它具有更高的能量.在医学上可以治疗某些癌症,还可用于探测金属部件内部的缺陷.
判断下列说法的正误.
(1)变化的磁场可以产生电场,但变化的电场不能产生磁场.( × )
(2)电磁波在空气中可以传播,在真空中不能传播.( × )
(3)光在真空中的速度与电磁波在真空中的速度相同,光是一种电磁波.( √ )
(4)无线电波、可见光、红外线、紫外线都属于电磁波.( √ )
一、麦克斯韦电磁场理论
1.变化的磁场产生电场
如图1所示,麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路(导体环)是否存在无关.导体环的作用只是用来显示电流的存在.
图1
注意:
在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的;而静电场中的电场线是不闭合的.
2.变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场.(如图2所示).
图2
3.小结
(1)变化的磁场在周围空间产生电场,变化的电场也在周围空间产生磁场.
(2)均匀变化的磁场产生稳定的电场,均匀变化的电场产生稳定的磁场.
(3)振荡的磁场产生同频率振荡的电场,振荡的电场产生同频率振荡的磁场.
(4)周期性变化的电场和磁场相互联系,形成一个统一的场,就是电磁场,而电磁场由近及远地向周围空间传播形成电磁波.
例1
(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是( )
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
答案 AB
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,若无闭合回路,电场仍然存在,A正确;若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场,B对,C、D错.
二、电磁波
1.电磁波的形成
周期性变化的电场和磁场交替产生,形成电磁场,电磁场由近及远传播,形成电磁波.
2.电磁波的特点
(1)电磁波的传播不需要介质.在真空中传播速度等于光速c=3.00×108m/s.
(2)电磁场储存电磁能,电磁波的发射过程就是辐射能量的过程.
(3)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波.
(4)电磁波是电磁场在空中的传播,电磁场是一种客观存在的物质——场物质.
(5)电磁波具有波的一切特性,能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象.
3.麦克斯韦电磁理论的实验验证
赫兹在实验室研究证实了电磁波的存在,并且证明了电磁波与光具有相同的性质,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论.
4.电磁波波速与波长和频率的关系
(1)波长、波速、频率的概念
①在一列水波中,凸起的最高处叫做波峰;凹下的最低处叫做波谷.相邻的两个波峰(或波谷)的距离叫做波长.
②在1s内有多少次波峰或波谷通过,波的频率就是多少.
③用来描述波传播快慢的物理量叫做波速.
(2)波速、波长、频率之间的关系:
波速=波长×频率
(3)对于电磁波,用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速,则有c=λf,电磁波在真空中的传播速度c=3.00×108m/s.
例2
(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A.只要电场和磁场发生变化,就能产生电磁波
B.电磁波的传播需要介质
C.停止发射电磁波,发射出去的电磁波仍能独立存在
D.电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
答案 CD
解析 要想产生持续的电磁波,变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是非均匀变化的,所以A选项错误;电磁波是物质波,电磁波的传播不需要介质,B选项错误;电磁波可以脱离“波源”而独立存在,C选项正确;电磁波具有能量,电磁波传播的过程,也就是能量的传播过程,所以D正确.
例3
电磁波在真空中传播的速度c是3.00×108m/s,有一个广播电台的频率f=90.0MHz,这个电台发射的电磁波的波长λ为( )
A.2.70mB.270m
C.3.00mD.3.33m
答案 D
解析 根据λ=
得,λ=
m≈3.33m.
三、电磁波谱
1.电磁波谱
电磁波谱的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线.它们共同构成了范围广阔的电磁波谱.
2.不同波长的电磁波的比较
名称
特性
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
主要应用
通信、广播
红外探测器、红外体温计
引起视觉
灭菌、消毒、防伪
医学透视、安检
治疗疾病、金属探伤
真空中的速度
都是c=3.00×108m/s
频率
小→大
同介质中速度
大→小
例4
下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象.请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上.
(1)X光机,________.
(2)紫外线灯,________.
(3)理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好.这里的“神灯”是利用________.
A.光的全反射
B.紫外线具有很强的荧光作用
C.紫外线具有杀菌消毒作用
D.X射线具有很强的穿透力
E.红外线具有显著的热效应
F.红外线波长较长,易发生衍射
答案
(1)D
(2)C (3)E
解析
(1)X光机是用来透视人的体内器官的,因此需要具有较强穿透力的电磁波,但又不能对人体造成太大伤害,因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线,选D.
(2)紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用,因此选C.
(3)“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,因此选E.
四、光的能量
1.光是一种电磁波,光能发生反射、折射、干涉、衍射和偏振,光具有波的一切特征.
2.普朗克的能量子概念
(1)能量子:
普朗克认为微观世界带电粒子的能量是不连续的,只能是某一最小能量的整数倍,当带电粒子辐射或吸收能量时,也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射,这样的一份最小能量ε叫做能量子,ε=hν,其中h叫做普朗克常量,实验测得h=6.63×1034J·s,ν为电磁波的频率.
(2)能量的量子化:
在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫做能量的量子化.量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的,即相邻两个值之间有一定距离.
3.爱因斯坦的光子说
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子被称为光量子,简称光子.频率为ν的光子的能量为ε=hν.
4.光的波粒二象性
光子说说明光具有粒子性,光的干涉、衍射说明光具有波动性.所以光既具有波动性,也具有粒子性,即光具有波粒二象性.
例5
光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700nm.400nm、700nm电磁辐射的能量子的值各是多少?
答案 见解析
解析 根据公式ν=
和ε=hν可知:
400nm对应的能量子ε1=h
=6.63×10-34×
J≈4.97×10-19J.
700nm对应的能量子ε2=h
=6.63×10-34×
J≈2.84×10-19J.
1.(电磁波)(多选)关于电磁场和电磁波的说法中正确的是( )
A.电场和磁场总是相互联系的,它们被统称为电磁场
B.电磁场由发生的区域向远处的传播就是电磁波
C.电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s
D.电磁波是一种物质,可以在真空中传播
答案 BCD
2.(电磁波)(多选)关于电磁波,下列说法正确的是( )
A.麦克斯韦用实验成功地证明了电磁波的存在
B.电磁波的传播不需要借助任何介质
C.电磁波的传播过程是电磁场能的传播过程
D.均匀变化的电场一定能形成电磁波
答案 BC
解析 麦克斯韦提出电磁理论,赫兹用实验证明了电磁波的存在,A错误;电磁波可以在真空中传播,B正确;电磁波是将电磁场能传播出去,C正确;均匀变化的电场形成的磁场是稳定的,无法形成电磁波,D错误.
3.(电磁波谱)下列各组电磁波中,按波长由长到短排列正确的是( )
A.红外线、紫外线、可见光、γ射线
B.γ射线、紫外线、红外线、可见光
C.γ射线、紫外线、可见光、红外线
D.红外线、可见光、紫外线、γ射线
答案 D
4.(电磁波的特性)(多选)关于电磁波谱,下列说法中正确的是( )
A.X射线对生命物质有较强的作用,过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B.γ射线是波长最短的电磁波,它的频率比X射线还要高
C.紫外线的频率比紫光低
D.在电磁波谱中,穿透能力最强的是X射线
答案 AB
解析 X射线对生命物质有较强的作用,过量的X射线辐射会引起生物体的病变,选项A正确;γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高,选项B正确;在电磁波谱中从无线电波到γ射线,波长逐渐减小,频率逐渐增大,紫外线的频率比紫光高,在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强,故选项C、D错误.
5.(光能量的量子化)已知某单色光的波长为λ,真空中光速为c,普朗克常量为h,则电磁波辐射的能量子ε的值为( )
A.h
B.
C.
D.以上均不正确
答案 A
解析 由光速、波长的关系可得出光的频率ν=
,从而ε=hν=h
,故A选项正确.
一、选择题
考点一 麦克斯韦电磁场理论
1.(多选)下列说法中,正确的有( )
A.最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B.电磁感应现象是法拉第发现的
C.建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦
D.最早预言电磁波存在的科学家是赫兹
答案 ABC
解析 最早预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦,赫兹用实验证明了电磁波的存在,D项错误;由物理学史的知识可知,A、B、C都是正确的.
2.(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法正确的是( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
答案 BD
解析 麦克斯韦的电磁场理论的核心内容是:
变化的电场周围产生磁场;变化的磁场周围产生电场.对此理论全面正确的理解为:
恒定的电场周围不产生磁场;变化的电场周围可以产生变化磁场或不变化磁场;均匀变化的电场周围产生稳定的磁场;周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场,由变化的磁场产生电场的规律与以上类似,故正确答案为B、D.
3.(多选)关于电磁场的理论,下列说法中正确的是( )
A.变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B.变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的
C.均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的
D.周期性变化的电场在周围空间产生同样频率的周期性变化的磁场
答案 BD
4.(多选)某电场中电场强度随时间变化的图象如图所示,能产生磁场的电场是( )
答案 ABC
解析 根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场,选项A、B、C正确.
考点二 电磁波的理解
5.(多选)下列关于机械波与电磁波的说法正确的是( )
A.声波是机械波,耳朵能够听到声波,是因为耳朵和声源之间有空气
B.水波的传播需要水,没有水就没有水波
C.电磁波传播需要空气,没有空气,即使产生了电磁波也传不出来
D.电磁波的传播速率等于光速,不受其他因素影响
答案 AB
解析 机械波的传播需要介质,在真空中不能传播;电磁波可以在真空中传播,选项A、B正确,C错误;电磁波只有在真空中的速度才等于光速,选项D错误.
考点三 电磁波谱及电磁波的应用
6.(多选)关于光波和无线电波,下列说法正确的是( )
A.都是电磁波
B.都可以在真空中传播
C.在真空中的传播速度都是3×108m/s
D.二者的波长、频率均相同
答案 ABC
解析 光波和无线电波本质上都是电磁波,都可以在真空中传播,在真空中传播的速度都是3×108m/s,所以A、B、C对;光波和无线电波波长、频率不同,所以D错.
7.(多选)在电磁波谱中,下列说法正确的是( )
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
答案 CD
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C、D选项正确.
8.关于电磁波的特性和应用,下列说法正确的是( )
A.红外线和X射线都有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波频率最大的是X射线
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
答案 D
解析 X射线有很高的穿透本领,常用于医学透视人体,红外线没有,A错误;过强的紫外线照射对人的皮肤有害,B错误;电磁波中频率最大的是γ射线,C错误.
9.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是( )
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
答案 B
解析 无论是电磁波还是声波,都可以传递能量和信息,则A项错误;太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波的传播速度不相同,则C项错误;遥控器发出的红外线频率和医院“CT”中的X射线频率不同,它们的波长也不相同,则D项错误.
10.间谍卫星上装有某种遥感照相机,可用来探测军用和民用目标.这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车,即使车队离开,也瞒不过它.这种遥感照相机敏感的电磁波属于( )
A.可见光波段B.红外波段
C.紫外波段D.X射线波段
答案 B
解析 一切物体在任何情况下都辐射红外线,但不能随意辐射可见光、紫外线和X射线,故这种遥感照相机敏感的电磁波属于红外波段,B正确.
二、非选择题
11.频率为5×1014Hz的红光,从10m外的交通信号灯传到你的眼睛,大约需要多长时间?
在这个距离中有多少个波长?
答案 3.3×10-8s 1.7×107个
解析 由c=λf得,该红光的波长λ=
=
m=6.0×10-7m.传到眼睛需要的时间是t=
=
s≈3.3×10-8s,在这个距离中的波长数有n=
=
≈1.7×107(个).
12.波长为50m~100m的无线电波适宜通过电离层的反射向远处传播,这些无线电波的频率范围是多大?
若传到相隔1500km的远处至少需要多长时间?
答案 3×106Hz~6×106Hz 5×10-3s
解析 由c=λf得,f1=
=
Hz=6×106Hz,
f2=
=
Hz=3×106Hz,
所以频率范围为3×106Hz~6×106Hz
由x=ct可得t=
=
s=5×10-3s
13.神光“Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统,利用它可以获得能量为2400J、波长λ=0.35μm的紫外激光.已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s,则该紫外激光所含光子数为多少?
答案 见解析
解析 紫外激光的波长已知,由此可求得紫外激光能量子的值,再根据紫外激光发射的总能量为2400J,即可求得紫外激光所含光子数.
紫外激光能量子的值为ε0=
=
J≈5.68×10-19J.
则该紫外激光所含光子数n=
=
≈4.23×1021(个).