人教版高中物理（必修三）同步讲义+练习13.4电磁波的发现及应用（含解析）

第十三章电磁感应与电磁波初步第4节电磁波的发现及应用课程标准学习目标通过实验，了解电磁波，知道电磁场的物质性。通过实例，了解电磁波的应用及其带来的影响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）课前阅读：1．如图所示，战争中，天上有卫星，空中有战机，地上有战车，海里有战舰。你知道是什么把这些战场要素连成一个有机的整体的吗？答案：是电磁波。战场各个要素通过电磁波互通有无，传递信息，构成一个有机的战场系统。2.(1)观察上面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？答案：(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)不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。（二）基础梳理一、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．【拓展补充】赫兹的实验：如图所示。实验现象：当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时，导线环的两个金属小球间也跳过电火花。(1)赫兹实验证明了电磁波的存在。(√)(2)电磁波不需要介质可在真空中传播。(√)(3)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108m/s。(√)(4)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。(×)(5)电磁波是带有能量的，在介质中传播时能把部分能量传递给介质。(√)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．【即学即练】判断下列说法的正误.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．(√)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．【拓展补充】光子刀“光子刀”具有附带损伤小，术后恢复快等特点，被广泛应用于各种恶性肿瘤的治疗中。那么，你知道这种“光子刀”工作在什么波段？该波段有什么特点吗？答案：这种“光子刀”工作在γ射线波段；该波段频率高，能量大，穿透能力强，被广泛应用于工业金属探伤、医学肿瘤治疗等领域。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【典例精析】例1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.【典例精析】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．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3．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4．5G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．1．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周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场2．电场、磁场的变化关系可用下面的框图表示3．电磁波的特点(1)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。(2)电磁场中储存着能量，电磁波的发射过程就是辐射电磁能的过程。(3)电磁波可以在真空中传播，且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的传播速度，即c＝3×108m/s。(4)电磁波传播虽然不需要介质，但它可以在其他介质如光纤中传播，且速度都比在真空中的小。4．波长、频率与波速之间的关系(1)波速＝波长×频率，即c＝λf。(2)频率由波源决定，与介质无关，而波长、波速的大小与介质有关，所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变。(3)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。5．各种频率不同的电磁波既有共性，又有个性(1)共性：本质上都是电磁波，它们的行为遵循相同的规律。(2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。6．电磁波谱及其应用：按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线等合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱，但相邻波谱之间并没有严格的界限。波谱特性应用无线电波波动性强通讯广播、导航等红外线热作用加热理疗可见光感光性强照明、照相紫外线荧光效应杀菌消毒、医疗等X射线穿透能力较强工业探伤、医学透视γ射线穿透能力最强工业探伤、医学治疗一、单选题1．电磁波在日常生活中有着广泛的应用。下列说法正确的是（）A．微波炉加热食物是利用了红外线的热作用B．红外线应用在遥感技术中，是利用了它穿透本领强的特性C．医院用X射线进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力最强的D．利用紫外线灭菌消毒，是因为紫外线具有较高的能量【答案】D【解析】A．微波炉加热食物是利用微波进行加热的，A错误；B．红外遥感技术是基于一切物体都在辐射红外线，用红外探测器接收物体发出的红外线，然后进行分析，从而得知被测物体的信息，B错误；C．γ射线的穿透能力比X射线的强，C错误；D．紫外线具有较高的能量，足以破坏细胞核中的物质，从而进行灭菌消毒，D正确；故选D。2．关于电磁波的传播速度表达式c=λf，下列理解正确的是（）A．电磁波在真空中的传播速度随波长增大而增大B．电磁波在真空中的传播速度随频率增大而增大C．当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长不变D．当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长增大【答案】D【解析】AB．电磁波在真空中的传播速度都相同，不随波长和频率的变化而变化，选项AB错误；CD．根据SKIPIF1<0当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长增大，选项C错误，D正确。故选D。3．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射线的波长一定大于可见光的波长D．可见光的波长一定比无线电波的波长短【答案】D【解析】AB．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，AB错误；CD．可见光的波长一定比X射线的波长长，比无线电波的波长短，C错误，D正确。故选D。4．在物理学发展过程中，观测、实验、假说和逻辑推理等方法都起到了重要作用。下列叙述符合史实的是（）A．奥斯特在实验中观察到电流的磁效应，揭示了电和磁存在联系B．法拉第在实验中观察到，在通有恒定电流的静止导线附近的固定导线圈中会出现感应电流C．麦克斯韦从场的角度总结电与磁的联系，证实了电磁波的存在D．法拉第用实验证实了电磁波的存在，并测出电磁波与光的传播速度相同【答案】A【解析】A．奥斯特在实验中观察到电流的磁效应，揭示了电和磁存在联系，选项A正确；B．法拉第在实验中观察到，在通有变化电流的静止导线附近的固定导线圈中会出现感应电流，选项B错误；C．麦克斯韦从场的角度总结电与磁的联系，预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，选项C错误；D．赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出电磁波与光的传播速度相同，选项D错误。故选A。5．隐形飞机的原理是在飞机研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击。根据你所学的物理知识，判断下列说法正确的是（）A．运用隐蔽色涂层，无论距你多近的距离，你也不能看到它B．使用吸收雷达电磁波的材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，很难被发现C．使用吸收雷达电磁波涂层后，传播到复合金属机翼上的电磁波在机翼上不会产生感应电流D．主要是对发动机、喷气尾管等因为高温容易产生紫外线辐射的部位采取隔热、降温等措施，使其不易被对方发现和攻击【答案】B【解析】A．雷达向外发射电磁波，当电磁波遇到飞机时就要发生反射，雷达通过接收反射回来的电磁波，就可以测定飞机的位置，飞机运用隐蔽色涂层后还要反射电磁波，故A错误；B．使用吸收雷达电磁波的材料，可以减少电磁波的反射，故B正确；C．使用吸收雷达电磁波涂层后，机翼为导体，根据电磁感应知识可知，传播到复合金属机翼上的电磁波在机翼上仍会产生感应电流，故C错误；D．发动机、喷气尾管等采取隔热、降温等措施后仍会反射电磁波，故D错误。故选B。6．5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一是具有超高速的数据传输速率。5G信号一般采用3.3×109~6×109Hz频段的无线电波，而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109~2.64×109Hz，则（）A．5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站B．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快C．空间中的5G信号和4G信号相遇会产生干涉现象D．5G信号是横波，4G信号是纵波【答案】A【解析】A．5G信号的频率更高，则波长小，故5G信号更不容易发生明显的衍射现象，因此5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站，故A正确；B．任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，故传播速度相同，故B错误；C．5G信号和4G信号的频率不一样，不能发生干涉现象，故C错误；D．电磁波为横波，可以发生偏振现象，故D错误。故选A。7．电磁波在空气中的传播速度为v。北京交通广播电台发射电磁波的频率为f，该电磁波在空气中传播的波长λ为（）A．vf B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【答案】D【解析】该电磁波在空气中传播的波长为SKIPIF1<0故选D。8．1864年，英国科学家麦克斯韦在前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁场理论。下列说法正确的是（）A．电磁波是一种物质B．电磁波可以传递信息，但不能传递能量C．遥控器发出的红外线波长和医院CT中的X射线波长相同D．变化的电场产生磁场，变化的磁场不能产生电场【答案】A【解析】A．电磁波是一种物质，故A正确；B．电磁波既可以传递信息，也可以传播能量，故B错误；C．红外线的波长大于X射线的波长，故C错误；D．变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故D错误。故选A。二、多选题9．关于电磁波，下列说法正确的是（）A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关B．雷达是利用电磁波来进行定位和导航的C．移动电话是通过电磁波来传递信息的D．利用电磁波传递信息可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输【答案】BC【解析】A．电磁波在真空中的传播速度等于光速，与电磁波的频率无关，故A错误；BC．雷达、移动电话都是利用电磁波来工作的，B、C正确；D．利用电磁波传递信息可以实现无线通信，电磁波也能通过电缆、光缆传播，如光纤通信，故D错误。故选BC。10．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（）A．任何电场都会产生磁场B．任何磁场都会产生电场C．麦克斯韦预言了电磁波的存在D．电磁波可以在真空中传播【答案】CD【解析】AB．变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，故AB错误；C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，而赫兹通过实验证实了电磁波的存在，故C正确；D．电磁波由周期性变化的电场与周期性变化的磁场激发产生，电磁波能在真空中传播，故D正确。故选CD。11．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传播形成的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中传播时，波长将变短D．电磁波只能在介质中传播【答案】AC【解析】A．由电磁波的产生过程可知，电磁波是电磁场由发生区域向远处传播形成的，A正确；BD．电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s，在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度，BD错误；C．由波速公式v=λf得λ=SKIPIF1<0电磁波在传播过程中，频率保持不变，由真空进入介质中传播时，速度减小，波长变短，C正确。故选AC。12．下列有关电磁波的特性和应用的说法正确的是（）A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，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为γ射线，可以摧毁病变的细胞D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光【答案】CD【解析】A．X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能用于透视人体，选项A错误；B．过强的紫外线照射对人的皮肤有害，选项B错误；C．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞，选项C正确；D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光，选项D正确。故选CD。13