13-4-電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用(解析版)(人教2019必修第三冊-)

第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步13.4電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)課標(biāo)解讀1．知道麥克斯韋電磁場理論及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。2．了解電磁波的基本特點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)過程及傳播規(guī)律，知道電磁波與機(jī)械波的區(qū)別。1．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)家對電磁波發(fā)現(xiàn)做出的巨大貢獻(xiàn)，領(lǐng)會在電磁波的發(fā)現(xiàn)過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法和科學(xué)精神。2．體驗(yàn)赫茲證明麥克斯韋預(yù)言的電磁波存在的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)方法，領(lǐng)會物理理論和實(shí)驗(yàn)的相互配合對科學(xué)發(fā)展的巨大作用。3．了解電磁波本身是一種特殊物質(zhì)，電磁波能傳遞能量和信息。4．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。知識精講知識精講知識點(diǎn)01電磁場1．麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場①在變化的磁場中放入一個閉合電路，由于穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流．這個現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了電場．②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣會在空間產(chǎn)生電場．(2)變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場產(chǎn)生磁場．2．電磁場：變化的電場和磁場互相聯(lián)系，所形成的不可分割的統(tǒng)一體．【即學(xué)即練1】(多選)按照麥克斯韋的電磁場理論,以下說法中正確的是 ()A.恒定的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場,恒定的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場B.變化的電場周圍產(chǎn)生磁場,變化的磁場周圍產(chǎn)生電場C.均勻變化的電場周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場,均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生均勻變化的電場D.均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場【答案】BD【解析】根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論可知,恒定的電場周圍不產(chǎn)生磁場,恒定的磁場周圍也不產(chǎn)生電場。變化的電場周圍才產(chǎn)生磁場,變化的磁場周圍才產(chǎn)生電場,故A錯誤;均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場,均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,只有非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場,故C錯誤,B、D正確。知識點(diǎn)02電磁波1．產(chǎn)生：周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成電磁波．2．特點(diǎn)(1)電磁波可以在真空中傳播．(2)電磁波的傳播速度等于光速．(3)光在本質(zhì)上是一種電磁波．即光是以波動形式傳播的一種電磁振動．【即學(xué)即練2】(多選)關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是()A．只要電場或磁場發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波B．麥克斯韋首先預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在C．電磁波和機(jī)械波都依賴于介質(zhì)才能傳播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【答案】BD【解析】要想產(chǎn)生電磁波，變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)必須是周期性變化的，A錯誤；麥克斯韋首先預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，選項B正確；電磁波可以在真空中傳播，選項C錯誤；電磁波具有能量，電磁波的傳播過程，也就是能量的傳播過程，D正確．知識點(diǎn)03電磁波譜電磁波的能量電磁波通信1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的波長或頻率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＝λf.(3)電磁波在真空中的速度c＝3×108m/s.(4)各種電磁波按波長由大到小排列順序?yàn)椋簾o線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．(5)各種電磁波的特性①無線電波：用于廣播、衛(wèi)星通信、電視等的信號傳輸．②紅外線：用來加熱理療等．③可見光：照亮自然界，也可用于通信．④紫外線：用于消毒．⑤X射線：用于診斷病情．⑥γ射線：可以摧毀病變的細(xì)胞．2．電磁波的能量(1)光是一種電磁波，光具有能量．(2)電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)．【即學(xué)即練3】(多選)關(guān)于電磁波譜，下列說法中正確的是()A．X射線對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變B．γ射線是波長最短的電磁波C．紫外線的頻率比紫光低D．在電磁波譜中，穿透能力最強(qiáng)的是X射線【答案】AB【解析】X射線對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變，選項A正確；γ射線是波長最短的電磁波，選項B正確；在電磁波譜中從無線電波到γ射線，波長逐漸減小，頻率逐漸增大，紫外線的頻率比紫光高，在電磁波譜中γ射線的穿透能力最強(qiáng)，選項C、D錯誤．能力拓展能力拓展考法01麥克斯韋電磁場理論及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1．麥克斯韋電磁場理論(1)電磁場理論的核心之一：變化的磁場產(chǎn)生電場如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里會產(chǎn)生感應(yīng)電流，其實(shí)質(zhì)是變化的磁場在它周圍產(chǎn)生了電場，電路中的自由電荷在電場力作用下做定向運(yùn)動，形成了感應(yīng)電流，即使在變化的磁場周圍沒有閉合電路同樣可以產(chǎn)生電場。(2)電磁場理論的核心之二：變化的電場產(chǎn)生磁場麥克斯韋認(rèn)為：由電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性和變化的磁場能產(chǎn)生電場的觀點(diǎn)猜想變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場。如圖所示，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，在給電容器充電的時候，不僅導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產(chǎn)生磁場。2．對麥克斯韋電磁場理論的理解(1)恒定的電場不產(chǎn)生磁場。(2)恒定的磁場不產(chǎn)生電場。(3)均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場。(4)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場。(5)周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場。(6)周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場。【典例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【答案】D【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，D正確?？挤?2電磁波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(diǎn)(1)在傳播方向上，任意一點(diǎn)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(2)電磁波可以在真空中傳播．電磁波在真空中傳播速度等于光速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2】具有NFC(近距離無線通信技術(shù))功能的兩只手機(jī)在間距小于10cm時可以通過電磁波直接傳輸信息,其載波頻率為1.4×107Hz,電磁波在空氣中的傳播速度為3.0×108m/s,則該載波的波長為m(保留兩位有效數(shù)字)。【答案】21【解析】由波速公式c=λf得波長λ=cf=3×10考法03電磁波譜1．電磁波譜電磁波按波長由大到小排列順序?yàn)闊o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．不同波長的電磁波的比較名稱特性無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線主要應(yīng)用通信、廣播紅外探測器、紅外體溫計引起視覺滅菌、消毒、防偽醫(yī)學(xué)透視、安檢治療疾病、金屬探傷真空中的速度c＝3×108m/s頻率小→大【典例3】紅外線、無線電波、γ射線、可見光等都屬于電磁波,則下列選項中,按照波長由大到小順序排列正確的是 ()A.紅外線、無線電波、γ射線、可見光B.紅外線、可見光、γ射線、無線電波C.無線電波、紅外線、可見光、γ射線D.γ射線、可見光、紅外線、無線電波【答案】C【解析】電磁波按照波長由大到小的順序排列為:無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線,選項C正確,A、B、D錯誤。分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1.人們?yōu)榱思o(jì)念德國科學(xué)家赫茲對人類的貢獻(xiàn),把頻率的單位定為“赫茲”。赫茲對人類的突出貢獻(xiàn)是 ()A.通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在B.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了磁場對通電導(dǎo)線有力的作用C.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電荷之間相互作用力的規(guī)律D.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的規(guī)律【答案】A【解析】1886年,德國科學(xué)家赫茲通過實(shí)驗(yàn)捕捉到了電磁波,證實(shí)了電磁波的存在,人們?yōu)榱思o(jì)念他,把頻率的單位定為赫茲,選項A正確。2.電磁波在真空中傳播的速度c＝3×108m/s，有一個廣播電臺的頻率f＝90.0MHz，這個電臺發(fā)射的電磁波的波長λ為()A．2.70m B．270mC．3.00m D．3.33m【答案】D【解析】根據(jù)c＝λf可得，λ＝eq\f(3×108,90.0×106)m≈3.33m.3.(多選)某電場中電場強(qiáng)度隨時間變化的圖像如選項圖所示，能產(chǎn)生磁場的電場是()【答案】ABC【解析】根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場產(chǎn)生磁場，選項A、B、C正確．4.(多選)關(guān)于光波和無線電波，下列說法正確的是()A．都是電磁波B．都可以在真空中傳播C．在真空中的傳播速度都是3×108m/sD．二者的波長、頻率均相同【答案】ABC【解析】光波和無線電波本質(zhì)上都是電磁波，都可以在真空中傳播，在真空中傳播的速度都是3×108m/s，A、B、C對；光波和無線電波波長、頻率不同，D錯．5.(多選)下列關(guān)于磁場、電場及電磁波的說法中正確的是()A．均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生均勻變化的電場B．只要空間某處的電場或磁場發(fā)生變化，就會在其周圍產(chǎn)生電磁波C．赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在D．只有空間某個區(qū)域有振蕩變化的電場或磁場，才能產(chǎn)生電磁波【答案】CD【解析】均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場，故A錯誤；均勻變化的電場或磁場只能產(chǎn)生恒定的磁場或電場，不會產(chǎn)生電磁波，故B錯誤；電磁波最早由麥克斯韋預(yù)測，由赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，故C正確；電磁波由振蕩變化的電場或磁場產(chǎn)生，故D正確。6.下列說法中正確的是()A．變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場B．電磁波按波長從長到短順序排列依次是：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波C．X射線的穿透本領(lǐng)比γ射線更強(qiáng)D．電磁波在真空中的傳播速度等于光速【答案】D【解析】根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，選項A錯誤；電磁波按波長從短到長順序排列依次是：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波，選項B錯誤；γ射線的穿透本領(lǐng)比X射線更強(qiáng)，選項C錯誤；電磁波在真空中的傳播速度等于光速，選項D正確．7.下列說法正確的是()A．根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場周圍存在變化的磁場B．紅外線遙感技術(shù)是利用紅外線的化學(xué)作用C．在醫(yī)院里常用紫外線對病房和手術(shù)室消毒，是因?yàn)樽贤饩€比紅外線的熱效應(yīng)顯著D．工業(yè)上的金屬探傷是利用γ射線具有較強(qiáng)的穿透能力【答案】D【解析】根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場周圍存在磁場，不一定是變化的磁場，選項A錯誤；紅外線遙感技術(shù)是利用紅外線的衍射作用和熱效應(yīng)，選項B錯誤；在醫(yī)院里常用紫外線對病房和手術(shù)室消毒，是因?yàn)樽贤饩€具有殺菌消毒的化學(xué)作用，選項C錯誤；工業(yè)上的金屬探傷是利用γ射線具有較強(qiáng)的穿透能力，選項D正確．8.關(guān)于生活中遇到的各種波，下列說法正確的是()A．電磁波可以傳遞信息，聲波不能傳遞信息B．手機(jī)在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波C．太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同D．遙控器發(fā)出的紅外線波長和醫(yī)院“CT”中的X射線波長相同【答案】B【解析】無論是電磁波還是聲波，都可以傳遞能量和信息，A項錯誤；手機(jī)通話時，打電話人的手機(jī)將聲波轉(zhuǎn)化成電磁波，接收者的手機(jī)再將電磁波轉(zhuǎn)換成聲波，B項正確；太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波的傳播速度不相同，C項錯誤；遙控器發(fā)出的紅外線頻率和醫(yī)院“CT”中的X射線頻率不同，它們的波長也不相同，D項錯誤．題組B能力提升練9.(多選)目前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內(nèi)．下列關(guān)于雷達(dá)和電磁波的說法正確的是()A．真空中上述雷達(dá)發(fā)射的電磁波的傳播速度為3×108m/sB．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的C．測出從發(fā)射電磁波到接收到反射波的時間間隔可以確定雷達(dá)和目標(biāo)的距離D．雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段【答案】ACD【解析】真空中電磁波的傳播速度為3×108m/s，A正確；電磁波是由周期性變化的電場和磁場產(chǎn)生的，B錯誤；由雷達(dá)的工作原理可知，C正確；雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段，D正確．10.下列四個選項中的四種磁場變化情況,能產(chǎn)生如圖所示電場的是 ()【答案】B【解析】由麥克斯韋電磁場理論知:均勻變化的磁場才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電場,選項B正確。11.如圖所示的四種電場變化情況,能發(fā)射電磁波的是 ()【答案】D【解析】圖A是穩(wěn)定的電場,不能產(chǎn)生磁場;圖B與圖C是均勻變化的電場,產(chǎn)生恒定的磁場,也不能形成電磁波;圖D是周期性變化的電場,會產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場,能形成電磁場,向外發(fā)射電磁波,選項D正確,A、B、C錯誤。12.(多選)甲、乙兩種磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t變化的規(guī)律如圖所示,下列說法正確的是 ()A.磁場甲能夠產(chǎn)生電場B.磁場甲能夠產(chǎn)生電磁波C.磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時產(chǎn)生的電場最強(qiáng)D.磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時產(chǎn)生的電場最強(qiáng)【答案】AD【解析】根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,均勻變化的磁場甲能產(chǎn)生穩(wěn)定的電場,不能產(chǎn)生電磁波,選項A正確,B錯誤;周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場,磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時,產(chǎn)生的電場最弱,磁場乙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時,產(chǎn)生的電場最強(qiáng),選項C錯誤,D正確。13.頻率為5×1014Hz的紅光，從10m外的交通信號燈直接傳到你的眼睛，大約需要多長時間？在這個距離中有多少個波長？【答案】3.3×10－8s1.7×107個【解析】傳到眼睛需要的時間是t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.3×10－8s，由c＝λf得，該紅光的波長λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,5×1014)m＝6×10－7m．在這個距離中的波長數(shù)有n＝eq\f(x,λ)＝eq\f(10,6×10－7)≈1.7×107(個)．題組C培優(yōu)拔尖練14.雷達(dá)是一種利用電磁波來測定物體位置和速度的設(shè)備,某防空雷達(dá)發(fā)現(xiàn)一架飛機(jī)正在以水平速度朝雷達(dá)正上方勻速飛來,已知該雷達(dá)發(fā)射相鄰兩次電