人教版高中物理新教材同步讲义 必修第三册 第13章　4　电磁波的发现及应用（含解析）

4电磁波的发现及应用[学习目标]1.了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念.2.知道电磁波的特点，掌握电磁波波长、频率、波速之间的关系.3.知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量．一、电磁场1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场产生电场①在变化的磁场中放入一个闭合电路，由于穿过电路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流．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，也同样会在空间产生电场．(2)变化的电场产生磁场变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场．2．电磁场：变化的电场和磁场互相联系，所形成的不可分割的统一体．二、电磁波1．产生：周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，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．即光是以波动形式传播的一种电磁振动．三、电磁波谱电磁波的能量电磁波通信1．电磁波谱(1)概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱．(2)电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c＝λf.(3)电磁波在真空中的速度c＝3×108m/s.(4)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．(5)各种电磁波的特性①无线电波：用于广播、卫星通信、电视等的信号传输．②红外线：用来加热理疗等．③可见光：照亮自然界，也可用于通信．④紫外线：用于消毒．⑤X射线：用于诊断病情．⑥γ射线：可以摧毁病变的细胞．2．电磁波的能量(1)光是一种电磁波，光具有能量．(2)电磁波具有能量，电磁波是一种物质．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、红外线、可见光、紫外线都属于电磁波．(√)一、麦克斯韦电磁场理论1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场周围会产生电场麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的电场总是存在的，如图所示．(2)变化的电场周围会产生磁场麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生磁场．2．对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的磁场不产生电场恒定的电场不产生磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场周期性变化的磁场在周围空间产生同频率的周期性变化的电场周期性变化的电场在周围空间产生同频率的周期性变化的磁场例1(2021·南宁一中月考)关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A．电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B．稳定的电场周围产生稳定的磁场，稳定的磁场周围产生稳定的电场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．周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场答案D解析稳定的电场不能产生磁场，稳定的磁场不能产生电场，A、B错误；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，C错误；根据麦克斯韦电磁场理论，可知周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场，D正确．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)在传播方向上，任意一点的E和B都随时间周期性变化，E和B相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直．如图．(2)电磁波可以在真空中传播．电磁波在真空中传播速度等于光速c＝3×108m/s.(3)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．(4)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．(5)电磁波是电磁场在空间中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质．3．电磁波的波速对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf.例2(多选)关于电磁波，下列说法中正确的是()A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波B．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在C．电磁波和机械波都依赖于介质才能传播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BD解析要想产生电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在，选项B正确；电磁波可以在真空中传播，选项C错误；电磁波具有能量，电磁波的传播过程，也就是能量的传播过程，D正确．例3电磁波在真空中传播的速度c＝3×108m/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．2.70m B．270mC．3.00m D．3.33m答案D解析根据c＝λf可得，λ＝eq\f(3×108,90.0×106)m≈3.33m．故选D.三、电磁波谱1．电磁波谱电磁波按波长由大到小排列顺序为无线电波、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．不同电磁波的特性和用途种类波长范围特性应用无线电波大于1mm波动能力强通信、广播、射电望远镜红外线760～106nm热作用强烘干、红外遥感、测温、夜视仪可见光400～760nm感光性强照明、照相紫外线10～400nm化学作用、荧光作用消毒、荧光效应、促使人体合成维生素DX射线0.001～10nm较强的穿透能力透视人体、检查金属零件的质量γ射线小于10－3nm穿透能力最强医学上的γ刀技术、探测金属内部的缺陷例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．红外线具有显著的热效应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答案(1)D(2)C(3)A解析(1)X光机是用来透视人体内的器官的，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的伤害，因此采用了X射线，因此选D.(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A.四、电磁波的能量电磁波通信1．电磁波的能量(1)电磁波是物质存在的一种特殊形式电磁波和我们学过的电场、磁场一样，是一种特殊的物质，不是由分子、原子所组成的，与通常的实物不同，但它是客观存在的，具有通常物质所具有的质量和能量等客观属性．(2)电磁波具有能量从场的观点来看，电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波发射的过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播．2．电磁波通信(1)传播途径电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以实现无线传播．有线传播利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息，如台式电脑、电话等，具体的媒介有：光纤、电缆、电话线、网线等．无线传播仅利用电磁波而不通过线缆传递信息，如收音机、手机、GPS、无线鼠标等．(2)传输特点电磁波的频率越高，相同时间传递的信息量越大，由于光的频率比无线电波的频率高得多，因此光缆可以传递大量的信息．例5(2021·武汉市华中师大一附中期中)5G是“第五代移动通信技术”的简称，目前世界各国正大力发展5G网络，5G网络使用的无线电波通信频率在3.0GHz以上的超高频段和极高频段，比目前4G及以下网络(通信频率在0.3～3.0GHz的特高频段)拥有更大的带宽和更快的传输速率.5G网络的传输速率(指单位时间传输的数据量大小)可达20Gbps.关于5G网络使用的无线电波，下列说法正确的是()A．在真空中的传播速度更快B．在真空中的波长更长C．在真空中的波长与4G网络使用的无线电波相同D．频率更高，相同时间传递的信息量更大答案D解析无线电波在真空中的传播速度与光速相同，保持不变，其速度与频率没有关系，A错误；由c＝λf，知频率变大，波长变短，B、C错误；无线电波频率越高，相同时间内传递的信息量越大，D正确．考点一麦克斯韦电磁场理论1．(多选)在电磁学发展的过程中，许多科学家做出了贡献．下列说法正确的是()A．奥斯特发现了电流的磁效应B．法拉第发现了电磁感应现象C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，楞次用实验证实了电磁波的存在D．库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值答案ABD解析奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，A、B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，C错误；库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值，D正确．2．(多选)(2021·宁波效实中学期中)关于电磁场理论，下列说法正确的是()A．电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B．变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场C．变化的电场周围一定产生变化的磁场D．电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s答案BD解析根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场，但变化的电场周围不一定产生变化的磁场，如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场，电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s.故选B、D.3．(多选)某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，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．考点二电磁波谱及电磁波的应用4．(多选)(2021·武汉二中期中)下列关于电磁波的叙述正确的是()A．电磁波是电磁场由发生区域向远处传播形成的B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108m/sC．电磁波由真空进入介质中，波长将变短D．电磁波的传播不需要介质答案ACD解析变化的电场、磁场相互激发并由近及远地向周围传播，形成电磁波，选项A正确．电磁波只有在真空中传播时速度才为3×108m/s，在介质中传播时，速度均小于3×108m/s，选项B错误．根据λ＝eq\f(v,f)，可知电磁波从真空进入介质中，频率不变，波速变小，所以波长λ变短，选项C正确．电磁波的传播不需要介质，能在真空中传播，选项D正确．5．(多选)(2022·常州市高二期中)在抗击新冠肺炎疫情的战役中，为了发现高危人群中的疑似病人，通常利用红外线测量人体的温度．关于电磁波的应用，下列说法正确的是()A．红外线、X射线、γ射线中红外线的波长最短B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线C．微波可用于广播及其他信号的传播D．X射线可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞答案CD解析红外线、X射线、γ射线中红外线的频率最小，波长最长，选项A错误；银行的验钞机发出的光是紫外线，家用电器的遥控器发出的光是红外线，选项B错误；微波不但能加热物体，而且能传播信息，故可以用于通信、广播及其他信号传输，故C正确；X射线有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，γ射线有极强的穿透能力和很高的能量，可以摧毁病变的细胞，故D正确．6．(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A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确．7．下列说法中正确的是()A．变化的电场一定产生变化的磁场B．电磁波按波长从长到短顺序排列依次是：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波C．X射线的穿透本领比γ射线更强D．电磁波在真空中的传播速度等于光速答案D解析根据麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的电场产生稳定的磁场，选项A错误；电磁波按波长从短到长顺序排列依次是：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波，选项B错误；γ射线的穿透本领比X射线更强，选项C错误；电磁波在真空中的传播速度等于光速，选项D正确．8．下列说法正确的是()A．根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在变化的磁场B．红外线遥感技术是利用红外线的化学作用C．在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒，是因为紫外线比红外线的热效应显著D．工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力答案D解析根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场周围存在磁场，不一定是变化的磁场，选项A错误；红外线遥感技术是利用红外线的衍射作用和热效应，选项B错误；在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒，是因为紫外线具有杀菌消毒的化学作用，选项C错误；工业上的金属探伤是利用γ射线具有较强的穿透能力，选项D正确．9．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射线都有很强的穿透本领，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．电磁波中频率最大的是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射线有很强的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有穿透本领，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；紫外线和X射线都具有明显的化学效应，可以使感光底片感光，故D正确．10．以下关于电磁波的说法不正确的是()A．无线电通信利用的是电磁波B．医院B超发出的超声波是电磁波C．遥控器发出的红外线是电磁波D．透视使用的X射线是电磁波答案B解析无线电通信用的是无线电波，它是电磁波；超声波是声波，不是电磁波；遥控器发出的红外线是电磁波；X射线也是电磁波．所以A、C、D正确，B错误．11．(多选)(2021·合肥一中期中)下列能说明电磁波具有能量的是()A．可见光射入人的眼睛，人看到物体B．放在红外线区域的温度计升温很慢C．电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流D．γ射线的穿透能力强，可用于探测金属部件内部的缺陷答案ACD解析人眼看到物体，说明人眼感受到了可见光的能量，A项正确；红外线具有热效应，会使放在该区域的温度计升温很快，说明红外线具有能量，B错误；电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，电流的能量来源于电磁波，C项正确；γ射线的穿透能力强，说明γ射线具有很高的能量，D项正确．12．(2021·长沙市一中期中)电磁波在生活中有着广泛的应用．不同波长的电磁波具有不同的特性，因此也有不同的应用．下列器材与其所应用的电磁波对应关系不正确的是()A．雷达——无线电波 B．手机——X射线C．消毒柜——紫外线 D．遥控器——红外线答案B解析雷达是利用了无线电波中的微波来测距的，故A正确；手机采用的是无线电波，X射线对人体有很大的辐射，不能用于通信，故B错误；紫外线具有杀菌消毒作用，故C正确；红外线可以用于遥控器，故D正确．13．(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内．下列关于雷达和电磁波的说法正确的是