电磁场与电磁波（原卷版）

第四章电磁振荡和电磁波[核心素养·学习目标]核心素养学习目标物理观念了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及在物理学发展史上的意义。科学思维了解电磁波的基本特点及其发现过程，通过电磁波体会电磁场的物质性。科学探究培养学生实验探求知识的意识，增强求知欲望科学态度与责任通过结合生活中各种相应现象及常识，理解电磁波在人们生活中的地位。课前课前预习考点一电磁场1．变化的磁场产生电场(1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生．(2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的产生了电场，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．3．变化的电场和磁场总是，形成一个不可分割的统一的．【重难诠释】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．考点二电磁波1．电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波．2．电磁波的特点(1)电磁波在空间传播不需要．(2)电磁波是横波：电磁波中的电场强度与磁感应强度，而且二者均与波的传播方向．(3)电磁波能产生反射、、干涉、偏振和等现象．3．电磁波具有能量电磁场的转换就是能量与能量的转换，电磁波的发射过程是能量的过程，传播过程是能量传播的过程．【重难诠释】电磁波的特点(1)电磁波是横波，在传播方向上的任一点，E和B彼此垂直且均与传播方向垂直．如图所示．(2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝c×108m/s.(3)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射、反射、折射和偏振等现象，电磁波也是传播能量的一种形式．(4)电磁波波速c、波长λ及频率f之间的关系为c＝λf.知识讲解知识讲解【知识点总结】1.变化的磁场产生电场：（1）实验现象：如图所示，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。（2）麦克斯韦的观点：电路里有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，闭合电路中的自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。（3）结论：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。3.电磁波的特点：（1）电磁波是横波，电磁波在真空中传播时，它的电场强度和磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，电磁波在空间传播不需要介质；（2）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.赫兹的实验：（1）赫兹实验原理图（如图所示）：（2）实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。（3）现象分析：火花在A、B间来回跳动时，在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场，这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波经过接收线圈时，导致接收线圈产生感应电动势，使接收线圈两球间隙处产生电压，当电压足够高时，两球之间就会产生火花放电现象。（4）实验结论：赫兹实验证实了电磁波的存在。（5）实验意义：证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。（6）赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦的电磁场理论。【大招总结】电磁波的产生（方法归纳）1.电磁场的产生：如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。2.对麦克斯韦电磁场理论的理解：恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场二级结论总结二级结论总结一、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．注：1．变化的磁场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。2．①振荡电场(即周期性变化的电场)产生同频率的振荡磁场。②振荡磁场(即周期性变化的磁场)产生同频率的振荡电场。二、电磁波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电磁波与机械波的三点不同(1)电磁波是电磁现象，由电磁振荡产生；机械波是力学现象，由机械振动产生。(2)机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播不需要介质。(3)不同频率的机械波在同一介质中传播速度相同，在不同介质中传播速度不同；不同频率的电磁波在真空中传播速度相同，在同一介质中传播速度不同。典型例题典型例题【例1】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，与是否有闭合电路有关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】B【详解】A．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，与电路是否闭合无关，故A错误；B．周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，故B正确；C．若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，故C错误；D．只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，故D错误。故选B。【例2】如图甲所示，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路里产生了感应电流；如图乙所示，空间存在变化的磁场，其周围产生感应电场，下列说法正确的是（）A．甲、乙两图一定能持续产生电磁波B．对甲图，从上向下看，电子在回路中沿顺时针方向运动C．闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，即使没有闭合电路空间仍能产生电场D．变化的电场周围产生磁场，与闭合电路是否存在有关【答案】C【详解】A．若甲、乙两图的磁场均匀变化，就会产生稳定不变的电场，稳定不变的电场不会产生磁场，就不会持续产生电磁波，故A错误；B．对甲图，从上向下看，感应电流沿顺时针方向，电子在回路中沿逆时针方向运动，故B错误：C．变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，甲图的闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，乙图即使没有闭合电路空间仍能产生电场，故C正确：D．同理，变化的电场周围产生磁场也是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，D错误。故选C。【例3】2022年6月5日，中央电视台对神舟十四号飞船与天和核心舱交会对接进行了直播，其间航天员与北京飞控中心保持通话联络，直播画面通过电磁波传送到地面接收站。下列关于电磁波和声波的说法正确的是（）A．电磁波是横波，声波是纵波B．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在D．航天员讲话时画面能与声音同步，说明电磁波与声波具有相同的传播速度【答案】A【详解】A．电磁波的传播和振动垂直是横波，声波的振动和传播平行则是纵波，故A正确；B．电磁波的传播不依赖介质，声波是机械波只能在介质中传播，故B错误；C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C错误；D．航天员讲话时画面能与声音同步，但电磁波的速度为光速，声波的传播速度为340m/s，两者差距很大，故D错误；故选A。【例4】英国物理学家麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。应用麦克斯韦的电磁场理论判断，如图表示四种电场随时间变化的图像中，能产生恒定的磁场的是（）A． B．C． D．【答案】B【详解】A．A图中电场不变，则不会产生磁场，A错误；B．B图中是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，B正确；CD．C、D图中电场随时间做非均匀变化，则会产生非恒定的磁场，C、D错误。故选B。【例5】利用电磁波，天文学家不仅可以用眼睛“看”宇宙，也可以用耳朵“听”宇宙。下列说法正确的是（）A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第用实验证实了电磁波的存在B．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同C．水波、声波、电磁波都可以在真空中传播D．麦克斯韦认为变化的磁场能够产生电场【答案】AD【详解】A．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，故A正确；B．太阳光中的可见光是电磁波，医院“B超”中的超声波是声波，这两种波的波速不同，故B错误；C．水波和声波传播需要介质，不可以在真空中传播，而电磁波可以在真空中传播，故C错误；D．麦克斯韦电磁场理论认为变化的磁场产生电场，变化的电场可以产生磁场，故D正确。故选AD。强化训练强化训练一、单选题1．关于电磁波，下列叙述正确的是（）A．电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速B．电磁波可以发生反射现象C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播D．随着科技的发展，可以实现利用机械波从太空向地球传递信息2．关于电磁波的下列说法中正确的是（）A．电场和磁场总是相互联系的，从而产生电磁波B．电磁波传播需要介质C．电磁波的传播速度是D．电磁波是一种物质，可在真空中传播3．如图甲、乙、丙、丁所示，下列选项中相关描述及判定正确的是（）A．图甲中表示条形磁铁的磁感线从N极出发，到S极终止B．图乙中导线通电后，其正下方小磁针的N极向纸面外转动C．图丙中卡文迪许通过扭秤实验总结出了电荷之间相互作用的规律D．图丁中变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电磁波就是这样形成的4．下列关于磁场、电场及电磁波的说法中正确的是（）A．均匀变化的磁场在周围空间产生均匀变化的电场B．只有空间某个区域有振荡变化的电场或磁场，才能产生电磁波C．麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在D．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波5．根据麦克斯韦电磁场理论判断，如图所示的4组电场产生的磁场（或磁场产生的电场）随时间t变化的规律中，错误的是（）A． B．C． D．6．下列四个选项中的四种磁场变化情况，能产生如图所示电场的是（）A． B．C． D．7．根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是（）A．磁场周围一定存在电场B．电场周围一定存在磁场C．点电荷的电场周围一定没有磁场D．变化的磁场周围不一定存在变化的电场8．关于电磁场理论，下列说法中正确的是（）A．在电场的周围空间一定产生磁场B．任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场C．均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场D．周期性变化的电场在周围空间产生周期性变化的磁场9．关于电磁场和电磁波的正确说法是（）A．电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电磁场B．电磁场由发生的区域向远处的传播就是电磁波C．电磁波传播速度总是3×108m/sD．电磁波是一种物质，不能在真空中传播10．某闭合电路的电流或电压随时间变化的规律如图所示，能发射电磁波的是（）A． B．C． D．11．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，与是否有闭合电路有关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12．如图所示，四幅图涉及物理学史上的四个重大发现，其中有关说法正确的是（）A．库仑利用图甲的实验装置测出了万有引力常量B．法拉第通过图乙的实验，发现了电流周围存在磁场C．奥斯特利用图丙的实验线圈，发现了“磁生电”现象D．赫兹通过图丁的实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦关于“电磁波”的预言13．随着新能源轿车的普及，无线充电技术得到进一步开发和应用。一般给大功率电动汽车充电时利用的是电磁感应原理。如图所示，由地面供电装置（主要装置有发射线圈和电源）将电能传送至电动车底部的感应装置（主要装置是接收线圈），该装置使用接收到的电能对车载电池进行充电，供电装置与车身接收装置通过磁场传送能量，由于电磁辐射等因素，其能量传送效率只能达到90%左右。下列说法正确的是（）A．只有将地面供电装置接到直流电源上才能对电动车进行充电B．车身接收线圈中的感应电流磁场总是要阻碍引起感应电流磁通量的变化C．车身接收线圈中感应电流磁场总是与地面发射线圈中电流的磁场方向相反D．若线圈均采用超导材料则能量的传输效率有望达到100%14．北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜（EHT）合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A·（SgrA·）的首张照片，如图所示。该照片利用了射电望远镜对电磁波的捕捉。下列关于波的说法正确的是（）A．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波B．电磁波是纵波，不能发生偏振现象C．电磁波和机械波都依赖于介质才能传播D．电磁波在任何介质中传播的速度都相等15．如图所示是由线圈L和电容器C组成的最简单的LC振荡电路，先把电容器充满电，t=0时如图甲所示，电容器中的电场强度最大，电容器开始放电，t=0.02s时如图乙所示，LC回路中线圈中的电流第一次达到最大值，则（）A．此LC振荡电路的周期T=0.04sB．t=0.05s时，回路电流方向与图乙中所示电流方向相同C．t=0.06s时，线圈中的磁场能最大D．t=0.10s时，电容器中的电场能最大二、填空题16．电磁场（1）变化的磁场产生电场a.实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生。b.麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的产生了电场，电场促使导体中的自由