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）.