【導(dǎo)學(xué)練】高中物理人教版(2019)必修3：13.4電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用導(dǎo)學(xué)案

4．電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用核心素養(yǎng)定位物理觀念了解電磁波是一種特殊物質(zhì)，電磁波能傳遞能量和信息．科學(xué)思維(1)體驗赫茲證明麥克斯韋預(yù)言電磁波存在的實驗過程和實驗方法，領(lǐng)會物理理論和實驗的相互結(jié)合對科學(xué)發(fā)展的巨大作用．(2)了解電磁波譜中各波段的主要特性及其在科技、經(jīng)濟(jì)和社會信息化等方面的主要應(yīng)用．知道可見光是電磁波譜家族中的一個頻段．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任了解人類發(fā)現(xiàn)電磁波的歷史，知道麥克斯韋、赫茲等物理學(xué)家對電磁波的發(fā)現(xiàn)做出的貢獻(xiàn)，領(lǐng)會在電磁波的發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學(xué)方法和科學(xué)精神．一、電磁場1．麥克斯韋電磁場理論的兩個基本觀點：變化的磁場產(chǎn)生了電場；______的電場產(chǎn)生磁場．B變化時的電磁感應(yīng)現(xiàn)象2．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________.二、電磁波1．產(chǎn)生：________變化的電場和________變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成電磁波．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲證實了電磁波的存在．2．特點(1)電磁波________在真空中傳播．光的傳播不需要介質(zhì)，但光在介質(zhì)中也能傳播，如在水中、玻璃中傳播．(2)電磁波在真空中的速度等于________．(3)光在本質(zhì)上是一種電磁波．即光是以________形式傳播的一種電磁振動．三、電磁波譜電磁波的能量電磁波通信1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的________或________大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜．(2)電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系是c＝________．(3)電磁波在真空中的速度c＝________．(4)各種電磁波按波長由大到小排列順序為：________、紅外線、________、________、X射線、γ射線．(5)各種電磁波的特性①無線電波：用于________、衛(wèi)星通信、________等的信號傳輸．②紅外線：用來________等．③可見光：照亮自然界，也可用于________．④紫外線：用于________．⑤X射線：用于診斷病情．⑥γ射線：可以摧毀________________．2．電磁波的能量(1)光是一種電磁波，光具有能量．(2)電磁波具有________，電磁波是一種物質(zhì)．【情境思考】赫茲的實驗，如圖所示．實驗現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)線圈的兩個金屬球間有電火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)的兩個金屬小球間也跳過電火花．判斷以下問題．(1)赫茲實驗證明了電磁波的存在．()(2)電磁波不需要介質(zhì)就可在真空中傳播．()(3)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108m/s.()(4)麥克斯韋預(yù)言并驗證了電磁波的存在．()(5)電磁波是帶有能量的，在介質(zhì)中傳播時能把部分能量傳遞給介質(zhì)．()拓展1波的衍射是波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象．當(dāng)障礙物或孔的尺寸比波長更小或與波長相差不多時，發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象(在選擇性必修第一冊中學(xué)習(xí))．如圖所示是水波的衍射，圖甲中孔的尺寸比水波的波長小，發(fā)生了明顯的衍射現(xiàn)象．拓展2X射線(X-ray)和γ射線(γ-ray)的應(yīng)用“CT”是“計算機(jī)輔助X射線斷層攝影”的簡稱．X射線以不同角度照射人體，計算機(jī)對其投影進(jìn)行分析，給出類似于生理切片一樣的人體組織照片．醫(yī)生可以從中看出是否發(fā)生了病變．在工業(yè)上，利用X射線檢查金屬零件內(nèi)部的缺陷．機(jī)場、車站等地進(jìn)行安全檢查時，X射線能輕而易舉地窺見箱內(nèi)的物品．波長最短的電磁輻射是γ射線，它具有很高的能量．γ射線能破壞生命物質(zhì)．把這個特點應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，可以摧毀病變的細(xì)胞，用來治療某些癌癥．γ射線的穿透能力很強，可用于探測金屬部件內(nèi)部的缺陷．目標(biāo)一麥克斯韋電磁場理論的理解【歸納】——————————————————○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】——————————————————○例1(多選)關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．變化的電場周圍產(chǎn)生的磁場一定是變化的B．變化的電場周圍產(chǎn)生的磁場不一定是變化的C．均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生的電場也是均勻變化的D．周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的周期性變化的磁場思維提升理解麥克斯韋的電磁場理論的關(guān)鍵掌握四個關(guān)鍵詞，“恒定的”“均勻變化的”“非均勻變化的”“周期性變化的(即振蕩的)”，這些都是對時間來說的，是時間的函數(shù)．[訓(xùn)練1]根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是()A．有電場的空間一定存在磁場，有磁場的空間也一定能產(chǎn)生電場B．在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場C．均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場D．周期性變化的磁場周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場[訓(xùn)練2](多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論判斷下列表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中(每個選項中的上圖是表示變化的場，下圖是表示變化的場產(chǎn)生的另外的場)，正確的是()目標(biāo)二電磁波【歸納】——————————————————○1．電磁波的形成周期性變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，形成電磁場，電磁場由近及遠(yuǎn)傳播，形成電磁波．2．電磁波的特點(1)在傳播方向上，任意一點的E和B都隨時間周期性變化，E和B相互垂直，且與電磁波的傳播方向垂直，如圖．電磁波是橫波．(2)電磁波可以在真空中傳播．電磁波在真空中傳播的速度等于光速c＝3×108m/s.(3)電磁場儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程．(4)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．(5)電磁波是電磁場在空間中的傳播，電磁場是一種客觀存在的物質(zhì)——場物質(zhì)．3．電磁波的波速對于電磁波，用λ表示電磁波的波長、f表示頻率、c表示波速，則有c＝λf.【典例】——————————————————○例22022年6月5日，中央電視臺對神舟十四號飛船與天和核心艙交會對接進(jìn)行了直播，其間航天員與北京飛控中心保持通話聯(lián)絡(luò)，直播畫面通過電磁波傳送到地面接收站．下列關(guān)于電磁波和聲波的說法正確的是()A．電磁波是橫波，聲波是縱波B．電磁波跟聲波一樣，只能在介質(zhì)中傳播C．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并用實驗驗證了電磁波的存在D．航天員講話時畫面能與聲音同步，說明電磁波與聲波具有相同的傳播速度[訓(xùn)練3]關(guān)于電磁波，下列說法不正確的是()A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)B．周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波C．電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強度方向、磁感應(yīng)強度方向均垂直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[訓(xùn)練4]使用藍(lán)牙耳機(jī)接聽手機(jī)來電，其信號傳輸?shù)氖疽鈭D如圖所示，已知可見光的頻率范圍是4.2×1014A．是藍(lán)光B．波長比手機(jī)通信的電磁波波長短C．在真空中的傳播速度大小為340m/sD．在真空中的傳播速度比可見光傳播的速度小目標(biāo)三電磁波譜及電磁波的應(yīng)用【歸納】——————————————————○1．電磁波譜電磁波按波長由大到小排列順序為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．它們共同構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜．2．不同電磁波的特性和用途種類波長范圍特性應(yīng)用無線電波大于1mm波動能力強通信、廣播、射電望遠(yuǎn)鏡紅外線760～106nm熱作用強烘干、紅外遙感、測溫、夜視儀可見光400～760nm感光性強照明、照相紫外線10～400nm化學(xué)作用、熒光作用消毒、熒光效應(yīng)、促使人體合成維生素DX射線0.001～10nm較強的穿透能力透視人體、檢查金屬零件的質(zhì)量γ射線小于10－3nm穿透能力最強醫(yī)學(xué)上的γ刀技術(shù)、探測金屬內(nèi)部的缺陷【典例】——————————————————○例3下列有關(guān)電磁波的特性和應(yīng)用，說法正確的是()A．紅外線和X射線都有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體B．過強的紫外線照射人體，有利于人的皮膚健康C．電磁波中頻率最高的為γ射線，可用于消毒D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光例4(多選)關(guān)于電磁波的應(yīng)用，下列說法正確的是()A．紅外線、X射線、γ射線中紅外線的波長最短B．銀行的驗鈔機(jī)和家用電器的遙控器發(fā)出的光都是紫外線C．微波可用于廣播及其他信號的傳播D．X射線可以用于診斷病情，γ射線可以摧毀病變的細(xì)胞[訓(xùn)練5]電磁波在生活中有著廣泛的應(yīng)用，不同波長的電磁波具有不同的特性，因此也有不同的應(yīng)用．下列器件與其所應(yīng)用的電磁波對應(yīng)關(guān)系不正確的是()A．雷達(dá)——無線電波B．手機(jī)——X射線C．紫外消毒柜——紫外線D．遙控器——紅外線[訓(xùn)練6]驗鈔機(jī)發(fā)出的光能使鈔票上的熒光物質(zhì)發(fā)光，電視機(jī)、空調(diào)的遙控器發(fā)出的光能控制電視機(jī)、空調(diào)的工作狀態(tài)．對于它們發(fā)出的光，以下判斷正確的是()A．它們發(fā)出的都是紅外線B．它們發(fā)出的都是紫外線C．驗鈔機(jī)發(fā)出的是紅外線，遙控器發(fā)出的是紫外線D．驗鈔機(jī)發(fā)出的是紫外線，遙控器發(fā)出的是紅外線[訓(xùn)練7]間諜衛(wèi)星上裝有某種遙感照相機(jī)，可用來探測軍用和民用目標(biāo)．這種照相機(jī)能拍到晚上行駛的汽車，即使汽車不開燈行駛，也瞞不過它．這種遙感照相機(jī)敏感的電磁波屬于()A．可見光波段B．紅外波段C．紫外波段D．X射線波段1．5G是“第五代移動通信技術(shù)”的簡稱，目前世界各國正大力發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波通信頻率在3.0GHz以上的超高頻段和極高頻段，比目前4G及以下網(wǎng)絡(luò)(通信頻率在0.3GHz～3.0GHz的特高頻段)擁有更大的帶寬和更快的傳輸速率.5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率(指單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小)可達(dá)20Gbps.關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波，下列說法正確的是()A．在真空中的傳播速度更快B．在真空中的波長更長C．在真空中的波長與4G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波相同D．頻率更高，相同時間傳遞的信息量更大2．在電磁波譜中，下列說法正確的是()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射線的波長一定大于可見光的波長D．可見光的波長一定比無線電波的波長短3．隱形飛機(jī)的原理是在飛機(jī)研制過程中設(shè)法降低其可探測性，使之不易被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊．根據(jù)你所學(xué)的物理知識，判斷下列說法正確的是()A．運用隱蔽色涂層，無論距你多近的距離，你也不能看到它B．使用吸收雷達(dá)電磁波的材料，在雷達(dá)屏幕上顯示的反射信息很小、很弱，很難被發(fā)現(xiàn)C．使用吸收雷達(dá)電磁波涂層后，傳播到復(fù)合金屬機(jī)翼上的電磁波在機(jī)翼上不會產(chǎn)生感應(yīng)電流D．主要是對發(fā)動機(jī)、噴氣尾管等因為高溫容易產(chǎn)生紫外線輻射的部位采取隔熱、降溫等措施，使其不易被對方發(fā)現(xiàn)和攻擊4．航天員在太空授課的畫面通過電磁波傳輸?shù)降孛娼邮照荆铝嘘P(guān)于電磁波的說法正確的是()A．發(fā)射前為使電磁波攜帶信號需對其進(jìn)行解調(diào)B．電磁波傳播過程能量不會損失C．電磁波在傳播時遇到導(dǎo)體，導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流D．不同波長的電磁波，在真空中的傳播速度大小不同5.如圖所示，共享單車打通了公共交通的“最后一公里”，方便了居民出行．共享單車上的定位技術(shù)，可以給單車精準(zhǔn)定位．單車在被騎行過程中車內(nèi)電池自行充電，滿足定位和自動開鎖等過程中的用電．用戶僅需用手機(jī)上的客戶端軟件(APP)掃描二維碼，即可自動開鎖，騎行時手機(jī)APP上能實時顯示單車的位置，騎行到指定的停車區(qū)域時才可以順利還車，還車關(guān)鎖后APP就顯示計時、計價、里程等信息．根據(jù)以上信息，下列說法正確的是()A．單車是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)充電的B．單車和手機(jī)之間是利用聲波傳遞信息的C．單車某個時刻的位置是主要借助用戶手機(jī)確定的D．由手機(jī)APP上的顯示信息，可求出騎行的平均速度6．回答以下關(guān)于微波爐的問題．(1)微波是頻率為300MHz～30000MHz的無線電波，微波爐的工作頻率多選用915MHz或2450MHz.從同樣使用微波的其他設(shè)備角度考慮，為什么微波爐要選用這樣的頻率？(2)微波爐門上一般都安裝有安全聯(lián)鎖開關(guān)，它能確保爐門打開時，微波爐不能工作，爐門關(guān)上時，微波爐才能工作，并且微波爐的玻璃門也要安裝網(wǎng)狀金屬片．請分析這樣設(shè)計的原因．(3)為什么不能將金屬器皿或鑲有金銀花邊的碗碟放進(jìn)微波爐中使用？(4)為什么不能將盒裝的牛奶放進(jìn)微波爐加熱？4．電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用導(dǎo)學(xué)掌握必備知識一、1．變化2．電磁場二、1．周期性周期性2．(1)可以(2)光速(3)波動三、1．(1)波長頻率(2)λf(3)3×108m/s(4)無線電波可見光紫外線(5)①廣播電視②加熱理療③通信④消毒⑥病變的細(xì)胞2．(2)能量情境思考答案：(1)√(2)√(3)√(4)×(5)√共研突破關(guān)鍵能力目標(biāo)一[例1]解析：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生磁場，但產(chǎn)生的磁場不一定是變化的，如均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，故A錯誤，B正確；均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，故C錯誤；周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的周期性變化的磁場，故D正確．答案：BD[訓(xùn)練1]解析：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，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)生變化的磁場，故D正確．答案：D[訓(xùn)練2]解析：選項A中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知，其周圍空間不會產(chǎn)生電場，下圖是與其不對應(yīng)的；選項B中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B正確；選項C中的上圖是周期性變化的磁場，它能產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場，且相位相差π2答案：BC目標(biāo)二[例2]解析：電磁波的傳播方向和振動方向垂直，是橫波，聲波的振動方向和傳播方向平行則是縱波，故A正確；電磁波的傳播不依賴介質(zhì)，聲波是機(jī)械波只能在介質(zhì)中傳播，故B錯誤；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實驗驗證了電磁波的存在，故C錯誤；航天員講話時畫面能與聲音同步，但電磁波的速度為光速，聲波的傳播速度為340m/s，兩者差距很大，故D錯誤．答案：A[訓(xùn)練3]解析：電磁波在真空中的傳播速度均相同，與電磁波的頻率無關(guān)，故A正確；周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，由近及遠(yuǎn)的傳播形成電磁波，故B正確；電磁波是橫波，每一處的電場強度和磁場強度總是相互垂直的，且與波的傳播方向垂直，故C正確；利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信，電磁波也能通過電纜、光纜傳輸，故D錯誤．答案：D[訓(xùn)練4]解析：由題意可得，藍(lán)牙通信的電磁波頻率小于可見光頻率，故不可能是藍(lán)光，故A錯誤；由圖可知，藍(lán)牙通信的電磁波比手機(jī)通信的電磁波頻率大，由c＝λf可知，頻率越大，波長越短，故藍(lán)牙通信的電磁波波長比手機(jī)通信的電磁波波長短，故B正確；在真空中電磁波的傳播速度大小均為c＝3×108m/s，故C、D錯誤．故選B.答案：B目標(biāo)三[例3]解析：X射線有很高的穿透本領(lǐng)，醫(yī)學(xué)上常用于透視人體，紅外線不能，故A錯誤；過強的紫外線照射對人的皮膚有害，故B錯誤；電磁波中頻率最高的為γ射線，可以摧毀病變的細(xì)胞，故C錯誤；紫外線和X射線都可以使感光底片感光，故D正確．答案：D[例4]解析：紅外線、X射線、γ射線中紅外線的頻率最小，波長最長，故A錯誤；銀行的驗鈔機(jī)發(fā)出的光是紫外線，家用電器的遙控器發(fā)出的光是紅外線，故B錯誤；微波不但能加熱物體，而且能傳播信息，故可以用于通信、廣播及其他信號的傳輸，故C正確；X射線有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體，γ射線有極強的穿透能力和很高的能量，可以摧毀病變的細(xì)胞，故D正確．答案：CD[訓(xùn)練5]解析：雷達(dá)是利用了無線電波中微波來測距的，故A正確；手機(jī)采用的是無線電波，X射線對人體有很大的輻射，不能用于通信；故B錯誤；紫外線具有很強的消毒作用，故C正確；紅外線可以用于遙控器，故D正確．答案：B[訓(xùn)練6]解析：紫外線有較強的熒光作用，能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光，故驗鈔機(jī)發(fā)出的是紫外線；紅外線波長較長，容易發(fā)生衍射，故能很方便地遙控家用電器，A、B、C錯誤，D正確．答案：D[訓(xùn)練7]解析：所有的物體都能發(fā)出紅外線，熱的物體的紅外輻射比冷的物體的強，間諜衛(wèi)星上裝的遙感照相機(jī)，實際上是紅外探測器，它能在較冷的背景上探測出較熱物體的紅外輻射，這是紅外攝影的基礎(chǔ)．再者，紅外線波長比其他波(如可見光、紫外線、X射線)的長，有較好地穿透云霧的能力．故選B.答案：B精練落實學(xué)科素養(yǎng)1．解析：無線電波在真空中的傳播速度與光速相同，保持不變，其速度與頻率沒有關(guān)系，故A錯誤；由c＝λf知，頻率變大，波長變短，故B、C錯誤；無線電波頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大，故D正確．答案：D2．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；可見光的波長一定比X射線的波長長，比無線電波的波長短，故C錯誤，D正確．答案：D3．解析：雷達(dá)向外發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波遇到飛機(jī)時就要發(fā)生反射，雷達(dá)通過接收反射回來的電磁波，就可以測定飛機(jī)的位置，飛機(jī)運用隱蔽色涂層后還要反射電磁波，故A錯誤；使用吸收雷達(dá)電磁波的材料，可以減少電磁波的反射，故B正確；使用吸收雷達(dá)電磁波