高中物理新教材同步选择性必修第二册 第4章 2 电磁场与电磁波

2电磁场与电磁波[学习目标]1.知道电磁场的概念及产生过程.2.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律，知道电磁波与机械波的区别．一、电磁场1．变化的磁场产生电场(1)实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流．图1(2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动．(3)实质：变化的磁场产生了电场．2．变化的电场产生磁场麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场．二、电磁波1．电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．2．电磁波的特点：(1)电磁波在空间传播不需要介质；(2)电磁波是横波：电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．(3)电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108m/s.(4)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象．3．电磁波具有能量电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换，电磁波的发射过程是辐射能量的过程，传播过程是能量传播的过程．判断下列说法的正误．(1)在电场周围，一定存在和它联系着的磁场．(×)(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场．(×)(3)电磁波不能在真空中传播．(×)(4)电磁波是横波．(√)(5)电磁波在真空和介质中传播速度相同．(×)(6)只要有电场和磁场，就能产生电磁波．(×)一、电磁场对麦克斯韦电磁场理论的理解(1)变化的磁场产生电场①均匀变化的磁场产生恒定的电场．②非均匀变化的磁场产生变化的电场．③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．(2)变化的电场产生磁场①均匀变化的电场产生恒定的磁场．②非均匀变化的电场产生变化的磁场．③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．关于电磁场理论，下列说法正确的是()A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场答案D解析根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场．针对训练1(2019·首师大附中期末)用麦克斯韦电磁场理论判断如图所示的四组电场产生的磁场(或磁场产生的电场)随时间t的变化规律，其中错误的是()答案C解析恒定的电场不产生磁场，选项A正确；均匀变化的电场产生恒定的磁场，选项B正确；周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场，产生的电场的电场强度与磁场的磁感应强度的变化率成正比，对于正弦曲线，t＝0时，磁场的磁感应强度的变化率最大，故产生的电场的电场强度最大，选项C错误，D正确．二、电磁波导学探究如图2所示的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？图2答案当A、B两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在．知识深化电磁波与机械波的比较名称项目机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性位移随时间和空间做周期性变化电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化传播情况传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速等于光速c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关产生机理由质点(波源)的振动产生由电磁振荡激发波的特点横波或纵波横波干涉和衍射可以发生干涉和衍射(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是()A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108m/sC．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短D．电磁波具有波的一切特征答案ACD解析由电磁波的定义可知A项正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度为3×108m/s，故B项错误；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以可得此时波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故D项正确．针对训练2(多选)下列关于电磁波与声波的说法，正确的是()A．电磁波是电磁场由发生区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变短答案AC解析由电磁波和声波的概念可知A正确．因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误．电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度；声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度，故C正确．无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝eq\f(v,f)及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误．1．(电磁场)下列说法中正确的是()A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场答案C解析根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场．故选C.2.(电磁场)某空间中出现了图3中虚线所示的一组闭合的电场线，这可能是()图3A．在中心点O有一静止的点电荷B．沿AB方向有一段通有恒定电流的直导线C．沿BA方向的磁场在减弱D．沿AB方向的磁场在减弱答案C3．(电磁波)(多选)下列关于机械波与电磁波的说法中，正确的是()A．机械波和电磁波本质上是一致的B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象答案BCD解析机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生．机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项A错误，B、C、D正确．4．(电磁波)(多选)关于电磁波的认识，下列说法正确的是()A．电磁波的传播需要介质B．电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短D．电磁波传播的过程中也传递了能量答案BCD解析周期性变化的电场与磁场相互感应产生，并向外传播，从而形成电磁波，电磁波的传播不需要介质，A错误；电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变，B正确；电磁波由真空进入介质传播时，速度减小，波长变短，C正确；电磁波传播的过程就是能量的传递过程，D正确．考点一电磁场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．周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，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ABC2．(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述中正确的是()A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场B．打点计时器工作时周围必有磁场和电场C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场激发恒定的电场D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直答案ABD3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是()答案C解析A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误．4.如图1所示是空间磁感应强度B随时间t的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应()图1A．逐渐增强B．逐渐减弱C．不变D．无法确定答案C解析由题图可知，磁场均匀增强，根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场产生恒定的电场，故场强E不变，选项C对．5.(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场．当产生的电场的电场线如图2所示时，可能是()图2A．向上方向的磁场在增强B．向上方向的磁场在减弱C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强答案AC解析向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则知感应电场方向如题图中E的方向所示，选项A正确，B错误．同理，当磁场反向(向下)减弱时，感应电场方向同样如题图中E的方向，选项C正确，D错误．考点二电磁波6．下列关于电磁波的说法，正确的是()A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波B．电场随时间变化时，一定产生电磁波C．做非匀变速运动的电荷可以产生电磁波D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在答案C解析只有周期性变化的电场和磁场，才能激发电磁波，而稳定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；均匀变化的电场，产生恒定的磁场，但是恒定的磁场不能产生电场，故不能产生电磁波，B错误；做非匀变速运动的电荷可以在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D错误．7．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是()A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波B．电磁波传播需要介质C．赫兹用实验证实了电磁波的存在D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的答案CD解析如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是稳定的，就不能再产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；赫兹用实验证实了电磁波的存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的．故选C、D.8．关于电磁波传播速度的表达式v＝λf，下列说法正确的是()A．波长越长，传播速度越快B．频率越高，传播速度越快C．发射能量越大，传播速度越快D．电磁波的传播速度与传播介质有关答案D解析在真空中传播时，各类电磁波的传播速度相同．在介质中传播时，传播速度与介质和频率有关．9．电磁波与机械波相比较，下列说法中不正确的是()A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需在介质中B．电磁波与机械波的波动频率都由波源确定C．电磁波、机械波都能发生衍射和干涉现象D．电磁波、机械波都包括横波和纵波答案D10．手机A的号码是133××××0002，手机B的号码是133××××0008.手机A呼叫手机B时，手机B发出响声且屏上显示手机A的号码“133××××0002”，若将手机A置于一透明真空玻璃罩中，用手机B呼叫手机A，则玻璃罩外面的人发现手机A()A．发出响声，并显示手机B的号码“133××××0008”B．不发出响声，但显示手机B的号码“133××××0008”C．不发出响声，但显示手机A的号码“133××××0002”D．既不发出响声，也不显示号码答案B解析声波为机械波，传播需要介质，在真空中不能传播，光波、手机发射的信号均为电磁波，传播不需要介质，可以在真空中传播，故用手机B呼叫手机A时，玻璃罩外的人能看到手机A显示手机B的号码，但听不到声音，故B正确，A、C、D错误．11．甲坐在人民大会堂台前60m处听报告，乙坐在家里离电视机5m处听电视转播，已知乙所在处与人民大会堂相距1000km，不考虑其他因素，则(空气中声速为340m/s)()A．甲先听到声音 B．乙先听到声音C．甲、乙同时听到声音 D．不能确定答案B解析声音传到甲所需时间为t1＝eq\f(60,340)s≈0.176s；传到乙所需时间为t2＝eq\f(1×106,3×108)s＋eq\f(5,340)s≈0.018s，故B正确．12．具有NFC(近距离无线通讯技术)功能的两只手机在间距小于10cm时可以通过________(选填“声波”或“电磁波”)直接传输信息，其载波频率为1.4×107Hz，电磁波在空气中的传播速度为3.0×108m/s，则该载波的波长为________m(保留2位有效数字)．答案电磁波21解析具有NFC(近距离无线通讯技术)功能的两只手机在间距小于10cm时可以通过电磁波直接传输信息．由v＝λf得该载波的波长λ＝eq\f(v,f)＝eq\f(3.0×108,1.4×107)m≈21m.13．有一LC振荡电路，电感为30μH，电容可调范围为1.2～270pF.求：(1)电路产生电磁波的频率范围；(2)最大