物理人教选修3-4讲义第十四章电磁波1

1电磁波的发现[学习目标]1.知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的物理意义.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、麦克斯韦电磁场理论[导学探究](1)电子感应加速器就是用来获得高速电子的装置，其基本原理如图1所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电磁铁线圈中通入变化的电流，真空室中的带电粒子就会被加速，其速率会越来越大．请思考：带电粒子受到什么力的作用而被加速？如果线圈中通以恒定电流会使粒子加速吗？这个现象告诉我们什么道理？图1(2)用导线将手摇发电机与平行板电容器两极相连，平行板电容器两极板间的距离为4cm左右，在下极板边缘放上几个带绝缘底座的可转动小磁针，当摇动发电机给电容器充电或电容器放电时，小磁针发生转动，充电结束或放电结束后，小磁针静止不动．请思考：小磁针受到什么力的作用而发生转动？这个现象告诉我们什么道理？答案(1)电荷受到电场力作用做加速运动．线圈中通入恒定电流时，粒子不会被加速．变化的磁场能产生电场．(2)小磁针受到磁场力的作用而转动．变化的电场产生磁场．[知识梳理]麦克斯韦电磁场理论的基本观点1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点：(1)如图2甲、乙所示，变化的磁场产生电场，若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2(2)变化的电场也会在空间产生磁场．2．均匀变化的磁场产生恒定的电场，振荡变化的磁场产生变化的电场；均匀变化的电场产生恒定的磁场，振荡变化的电场产生变化的磁场．3．周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场又会产生周期性变化的磁场，因此变化的磁场和变化的电场会交替产生，形成不可分离的统一体，即电磁场．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)在电场周围，一定存在着和它联系着的磁场．(×)(2)在变化的电场周围，一定存在着和它联系着的磁场．(√)(3)在磁场周围一定存在着和它联系着的电场．(×)(4)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场．(×)(5)在变化的磁场周围可能会产生恒定的电场．(√)二、电磁波[导学探究]如图3所示是赫兹证明电磁波存在的实验装置，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3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，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也会产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在．[知识梳理]电磁波的产生及传播特点1．电磁波的产生：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波．赫兹用实验证明了电磁场理论的正确性．2．电磁波在真空中传播时，它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．电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播．其在真空中的传播速度等于光速．4．电磁波具有波的共性，能发生干涉、衍射、折射和反射，并且能传递能量．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)电磁波在真空中的传播速度等于声速．(×)(2)电磁波不能在真空中传播．(×)(3)电磁波的电场强度和磁感应强度相互垂直，且二者与波的传播方向垂直．(√)(4)电磁波是横波．(√)一、麦克斯韦电磁场理论1．恒定的磁场不会产生电场；同样，恒定的电场也不会产生磁场．2．均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；同样，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场．3．振荡变化的磁场在周围空间产生同频率振荡的电场；同样，振荡变化的电场在周围空间产生同频率振荡变化的磁场．例1根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是()A．恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场B．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场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．均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场答案D解析麦克斯韦的电磁场理论的核心内容是：变化的电场周围产生磁场；变化的磁场周围产生电场．对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化的磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生恒定的磁场．变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为D.针对训练(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)，正确的是()答案BC解析A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的．B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生恒定的磁场，下图的磁场是恒定的，所以B图正确．C图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差eq\f(π,2)，C图是正确的．D图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图象与上图相比较，相位相差π，故不正确，所以只有B、C两图正确．二、电磁波电磁波与机械波的比较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(下节内容)是横波还是纵波可能是横波，也可能是纵波横波干涉和衍射可以发生干涉和衍射例2(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，波长将变短D．电磁波不能产生干涉、衍射现象答案AC解析电磁波只有在真空中的传播速度才为3×108m/s，在其他介质中的传播速度均小于3×108m/s.电磁波与其他波一样具有干涉、衍射等波的特性．当电磁波由真空进入介质传播时，频率不变，因为c＞v，所以λ＞λ′，波长变短，波速变小，故选A、C.1．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A．有电场，周围就有磁场；有磁场，周围就有电场B．变化的电场，周围就有磁场；变化的磁场，周围就有电场C．变化的电场周围一定产生电磁场D．电场与磁场的正交复合场就是电磁场答案B2．下列关于电磁波的说法正确的是()A．电磁波只能在真空中传播B．电场随时间变化时一定产生电磁波C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在答案C解析电磁波在介质中也能传播，比如光是一种电磁波，在水和玻璃等介质中也能传播，故A错误．均匀变化的电场产生恒定的磁场，不能再产生电场，因而不能产生电磁波，故B错误．做变速运动的电荷会在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，故C正确，麦克斯韦预言了电磁波的存在，是赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故D错误．3．关于电磁波，下列叙述中正确的是()A．电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速B．电磁波可以发生衍射现象C．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波D．电磁波和机械波一样依赖于介质传播答案B解析电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波的一种，能够发生衍射现象等波特有的现象，故B正确；只有交变的电场和磁场才能产生电磁波，故C错误；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，故D错误．4．(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4所示时，可能是()图4A．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解析在电磁感应现象的规律中，当一个闭合电路中通过它的磁通量发生变化时，电路中就有感应电流产生，电路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化造成的．麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场．判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律，只不过是用电场线方向代替了电流方向．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流方向如题图中E的方向所示，选项A正确，B错误．同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如题图中E的方向，选项C正确，D错误．选择题1．(多选)关于电磁场的理论，下列说法中正确的是()A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的D．周期性变化的电场在周围空间产生同样频率的周期性变化的磁场答案BD2．下列关于电磁波的说法正确的是()A．周期性变化的电场或磁场能够产生电磁波B．电磁波在真空和介质中传播速度相同C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播答案A解析周期性变化的电场或磁场能够产生周期性变化的磁场或电场，故选项A正确；电磁波在介质中的传播速度v＝eq\f(c,n)，故选项B错误；只有周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波，故选项C错误；电磁波在同种均匀介质中才能沿直线传播，故选项D错误．3．(多选)关于电磁波的特点，下列说法正确的是()A．电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波沿与二者垂直的方向传播B．电磁波是横波C．电磁波的传播不需要介质，而是电场和磁场之间的相互感应D．电磁波不具有干涉和衍射现象答案ABC4.如图1所示是空间磁感应强度B的变化图象，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E不变，选项C对．5．关于电磁波的传播速度，以下说法正确的是()A．电磁波的频率越高，传播速度越大B．电磁波的波长越大，传播速度越大C．电磁波的能量越大，传播速度越大D．所有电磁波在真空中传播速度都相等答案D6．(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是()A．只要空间某个区域有变化的电场或磁场，就能产生电磁波B．电磁波的传播需要介质C．变化的电场和磁场总是相互联系的，构成一个不可分离的统一体，即电磁场D．电磁波中电场和磁场的方向处处相互垂直答案CD7．关于电磁场和电磁波的认识正确的是()A．任何电场在它周围空间都会产生磁场B．电磁波和机械波一样依赖于介质传播C．电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度D．电磁波是纵波答案C解析只有变化的电场在它周围才能产生磁场，A错．电磁波的传播不需要介质，B错．电磁波是横波，其在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，C正确，D错误．8．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D．不能确定答案B解析声音传到甲所需时间为t1＝eq\f(60m,340m/s)≈0.176s，传到乙所需时间为t2＝eq\f(1000km,300000km/s)＋eq\f(5m,340m/s)≈0.018s.9．(多选)下列关于电磁场的说法正确的是()A．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波B．匀速运动的电子束周围一定存在电磁场，即能产生电磁场C．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场D．历史上，电磁场的理论在先，实践证明在后答案CD10．某电路中电场强度随时间变化的关系图象如图所示，能发射电磁波的是()答案D解析由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时(如A图)，由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场时(如B图、C图)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场(如D图)，才会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场……如此交替的产生磁场和电场，便会形成电磁波，故D正确．11．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是()A．教室中点亮的日光灯周围空间必有磁场和电场B．工作中的打点计时器必产生磁场和电场C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场产生恒定的电场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ABD解析教室中点亮的日光灯、工作中的打点计时器用的都是振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；恒定的电场不会产生磁场，恒定的磁场也不会产生电场，故选项C错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确．12．声呐(水声测位仪)向水中发出的超声波遇到障碍物(如鱼群、潜水艇、礁石等)后被反射，测出从发出超声波到接收到反射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位；雷达则向空中发射电磁波，遇到障碍物后被反射，同样根据发射电磁波到接收到反射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位．超声波与电磁波相比较，下列说法正确的有()A．超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量B．这两种波都既可以在介质中传播，也可以在真空中传播C．在空气中传播的速度与在其他介质中传播的速度相比较，这两种波在空气中传播时均具有较大的传播速度D．这两种波传播时，在一个周期内均向前传播了两个波长答案A13．如图2所示是一水平放置的绝缘环形管，管内壁光滑，内有一直径略小于管内径的带正电小球，开始时静止．有一变化的磁场竖直向下穿过管所包围的面积，磁感应强度大小随时间成正比增大，设小球在管中带电荷量不变，则()图2A．顺着