22人教版高中物理新教材选择性必修第2册-第2节-电磁场与电磁波

第四章

电磁振荡与电磁波第2节

电磁场与电磁波22人教版高中物理新教材选择性必修第2册课标解读课标要求素养要求1.理解麦克斯韦电磁场理论的两个支柱:变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场相互联系形成统一的电磁场。2.了解电磁场在空间传播形成电磁波。3.了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验在物理学发展中的贡献。1.物理观念:理解电磁场、电磁波及麦克斯韦电磁场理论，了解变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播的“能量观”及电磁场客观存在的“物质观”。2.科学探究:探究电磁场与电磁波的存在。3.科学思维:通过了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验，体会两位科学家研究物理问题的思想方法。4.科学态度与责任:通过电磁波发现的过程，领会人类认识世界的认知规律，培养实事求是的科学态度。要点一麦克斯韦电磁场理论______①的磁场产生电场，是一个普遍规律，跟__________②是否存在无关。______③的电荷在空间要产生磁场，从场的观点出发，麦克斯韦假设:变化的电场就____④运动的电荷，也会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。

变化

闭合电路

运动

像要点二电磁波的产生变化的电场和磁场总是__________⑤的，形成一个不可分割的统一的电磁场。如果在空间某区域有____________⑥的电场，就会在周围引起变化的磁场，变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围______⑦，形成了电磁波。

相互联系

周期性变化

传播①磁场存在但不变化可以产生电场吗?产生电场的根源是什么？

[答案]提示不可以。产生电场的根源不是只要有磁场就行，而是磁场“有”还必须“变”才可以产生电场。②如果在变化的磁场周国不存在闭合电路，是否也产生电场?闭合电路的作用是什么?

[答案]提示只要磁场变化，即使不存在闭合电路，电场仍然产生，闭合电路只是起了一个检测这个电场存在的作用。若放人的不是闭合电路而是可以自由移动的带电粒子或小球，它们也会在感应电场的作用下运动起来，说明变化的磁场确实产生了电场。③电荷存在但不运动，可以产生磁场吗？电荷如何才能产生磁场？电荷产生磁场的根源是什么？

[答案]提示静止的电荷不产生磁场，只产生静电场。电荷产生磁场的根源是由于电荷的“动”，这个动，导致了电场的变化，从而产生了磁场。因此是电场的“变化”产生了磁场而不是电场的存在产生了磁场。④这里的“像”指的是什么像？

[答案]提示“像”是指变化的电场与运动的电荷在产生的电场上像，都是电场在变化，因此在周围空间能产生磁场的条件是“电场的变化”。⑤为什么变化的电场和磁场总是相互联系的？

[答案]提示麦克斯韦根据电磁感应现象提出了“变化的磁场可以产生电场”，他认为自然规律是统一与和谐的，相信电场与磁场之间有对称之美，从而提出了“变化的电场也会产生磁场”，当电场、磁场变化起来时，两者相互联系形成不可分割的统一体——电磁场。⑥为什么非得是“周期性变化”的电场才能产生变化的磁场？若电场均匀变化，会产生怎样的磁场？

[答案]提示若电场均匀变化，产生的磁场就是稳定的，这种稳定的磁场不会再在周围空间产生电场，从而无法继续感应下去，使得电磁场的传播中断。只有电场做周期性变化，才会引起“变化”的磁场，这个变化的磁场才会再在周围空间产生变化的电场，再产生变化的磁场……，如此循环产生而不中断。⑦“传播”的是什么？电磁波是如何形成的？

[答案]提示传播的是一种特殊的物质——看不见摸不着的电磁场，同时也伴随着能量——电场能、磁场能的传播。这种传播是电场与磁场在不断地相互感应中完成的，称为电磁波。电磁波是运动着的“电磁场”。1.理解电磁场静电场、静磁场与电磁场虽然看不见摸不着但客观存在，属于自然界一种特殊的物质形态；电磁场并不是静电场和静磁场混在一起叠加而成，而是电场、磁场在不均匀变化时互相感应形成的遵循一定规律的统一体，有单独存在的静电场，有单独存在的静磁场，但没有静止的电磁场。

（2）电磁波的传播不需要介质。在真空中，电磁波的传播速度最快，跟光速相同（光就是一种电磁波）。在介质中的传播速度比在真空中的传播速度要小。介质不同传播速度一般不同。（3）同一种电磁波从一种介质进入另一种介质时，在传播过程中，频率或周期不变，变的是速度和波长。电磁波的周期和频率是由电磁振荡的周期和频率决定的，与介质无关。（4）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应、吸收等现象。（5）电磁波像所有的波一样携带着电磁振动这种振动形式和能量向前传播，因此电磁波也是传播能量的一种形式；同时电磁波能够脱离振源继续传播，类似于机械波。探究点一

电磁场的形成1.电场、磁场有对称之美，磁场变化（如图1磁极的靠近或远离）会产生电场，若磁场变化是均匀的，产生的电场是稳定的，电场方向如图1中水平闭合的电场线；同理，电场变化（如图2两电极电荷量增加或减少）也会产生磁场，若电场变化是均匀的，产生的磁场也是稳定的，磁场方向如图2中水平闭合的磁感线。若电场做周期性变化，它会激发出和电场同频率的做周期性变化的磁场，这个变化的磁场又激发出同频率的变化的电场，如此循环……，变化的电场和磁场交替产生形成不可分割的统一体，称为电磁场。电场、磁场的变化关系是什么？

[答案]提示1.麦克斯韦电磁场理论要点变化情况磁场产生电场电场产生磁场恒定恒定的磁场不产生电场恒定的电场不产生磁场均匀变化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非均匀变化非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场周期性变化周期性变化的磁场在周围空间产生同频率的变化的电场周期性变化的电场在周围空间产生同频率的变化的磁场2.注意变化的电场一定能产生磁场，但不一定能产生变化的磁场，若电场均匀变化将产生稳定的磁场，这个稳定的磁场不再产生电场；同理，变化的磁场也不一定产生变化的电场，若磁场均匀变化将产生稳定的电场，这个稳定的电场不再产生磁场。

A.会产生变化的磁场B.会产生稳定的磁场C.不会产生磁场D.会产生振荡的磁场

C

变式.某电路中电场随时间变化的图像如四个选项图所示，其中能产生电磁波的是(

)A.B.C.D.

D

解题感悟（1）不仅电荷能产生电场，变化的磁场也能产生电场；不仅电流能够产生磁场，变化的电场也能产生磁场。（2）深刻理解变化的电场产生磁场，产生的磁场是否变化取决于电场的变化情况；变化的磁场产生电场，产生的电场是否变化也取决于磁场的变化情况。

A.逐渐增强 B.逐渐减弱C.不变 D.无法确定

C

[解析]由图像可知，磁场在均匀变化，故在磁场周围产生的电场是稳定不变的。

A.小球对玻璃圆环的压力不断增大B.小球受到的磁场力不断增大C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D.洛伦兹力对小球一直不做功

CD

探究点二

电磁波的存在1.2020年12月1日23时11分我国“嫦娥五号”探测器成功着陆在月球，并利用电磁波传回了珍贵的着陆影像图，世界为之瞩目!于12月17日返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，任务取得圆满成功。飞行过程中地面工作人员通过电磁波实现对探测器的控制，同时接收探测器发回的电磁波信号。有嫦娥五号通过电磁信号传回的照片震撼全球！图为嫦娥五号离开月球表面瞬间的珍贵照片。简述电磁波的形成过程。

[答案]提示电磁波的形成经历了这样的一系列过程：空间某处有一个随时间变化的磁场（或电场），这个磁场（或电场）就会产生电场（或磁场）。如果这个电场（或磁场）也是随时间变化的，那么它就会产生新的磁场（或电场）……，这样下去，变化的电场、磁场就会在周围空间由近及远地向外传播形成了电磁波。这里感应电场与感应磁场的场线都是闭合的，而且相互正交套连如图所示。

电磁波的传播不像机械波的传播需要介质，它是靠相互感应来完成的，因此不需要介质，可以在真空中传播。所以，虽然太空和地球间是真空环境，但不会影响电磁波的往来传播。1.电磁波的产生和传播（1）周期性变化的电场、磁场相互感应，会在周围空间相互套连由近及远向远处传播，从而形成了电磁波。（2）电磁波本身就是一种物质，它可以在真空中传播，不需要介质。2.电磁波的证实（1）学习麦克斯韦有大胆的猜测意识，感受物理学对称之美。（2）人类历史上首次捕捉到了电磁波，成为信息技术发展的里程碑。例如图所示是著名物理学家费曼设计的一个实验，在一块绝缘板中部安装一个线圈，并接有电源，板的四周有许多带负电的小球，将整个装置悬挂起来，接通电源瞬间，整个圆盘将转动一下，你知道这是为什么吗？

[答案]见解析

[解析]解析接通电源瞬间，线圈中产生变化的电流，从而产生变化的磁场，根据麦克斯韦电磁场理论，该变化的磁场在空间产生电场，带负电的小球在电场中因受电场力而带动圆盘转动一下。变式.根据赫兹实验的创意，设计如图所示的实验，将电池、导线、锉串联起来，当导线头在锉的表面滑动时，收音机会发出“咔、咔”的声音，说明了什么？

[答案]见解析

[解析]解析电池、导线以及锉形成了闭合电路，当导线头在锉的表面滑动时，电路中会产生周期性变化的电流，向周围空间发出电磁波，收音机接收到电磁波信号后发出声音。这个实验证明了电磁波的存在。解题感悟电磁波虽然看不见摸不着，但它是客观存在。

B

D

探究点三

电磁波与机械波的对比类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较有助于掌握新知识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处，下面就机械波和电磁波进行类比总结：项目电磁波机械波不同本质电磁现象力学现象激发由电磁振荡激发由质点（波源）振动产生传播机理是电磁这种物质伴随电磁运动形式和能量的传播是机械振动这种振动形式和能量在介质中的传播项目电磁波机械波介质不需要介质需要介质种类横波可能是横波，也可能是纵波周期性位移、加速度等随时间和空间做周期性变化传播波速与介质有关，与频率无关相同续表

AB

2.下列关于机械波和电磁波的说法正确的是(

)A.电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质B.电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一种介质中传播速率都相同C.电磁波由真空进入介质传播时，波长变长D.利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

A

3.（多选）电磁波与声波比较，下列说法正确的是(

)A.电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直B.电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播C.由空气进入水中时，电磁波和声波速度都将变小D.由空气进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长

ABD

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着电场，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.变化的电场和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

ABC

2.（多选）在空间某处存在一个变化的磁场，则下列说法正确的是(

)A.在变化的磁场周围一定能产生变化的电场B.在磁场中放一个闭合线圈，线圈里一定有感应电流C.在磁场中放一个闭合线圈，线圈里不一定有感应电流D.变化的磁场周围产生电场，跟闭合线圈的存在与否无关

CD

A.B.C.D.

ABD

通过两个实验来验证：变化的磁场可以产生电场，变化的电场可以产生磁场。1.实验如图甲所示，当螺线圈内通以交流电时，上方与另一线圈串联的灯泡发光，说明线圈中有电流，这里电流的出现，说明有电场激起了电流（若空间没有导线圈，电场依旧存在），原因是变化的磁场产生了电场。进一步大胆猜想，并得到证实：均匀变化的磁场产生恒定的电场，非均匀变化的磁场产生同频率的非均匀变化的电场。2.我们循着麦克斯韦思考的脚步，既然变化的磁场能产生电场，由于电场和磁场具有很多相似之处，依据自然界的对称与和谐，变化的电场也可以产生磁场。设计实验如图乙所示，在极板之间加泡沫塑料板，板上放一些小磁针按照同心圆放置，让平行金属板与交流电源连接，当接通交流电时，观察到泡沫塑料板上放着的小磁针发生了偏转，说明变化的电场产生了磁场，进一步总结：均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生同频率的非均匀变化的磁场。1.（多选）根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述正确的是(

)A.工作着的电子钟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.变化的磁场可以产生电场，变化的电场也可以产生磁场D.电磁波在同种介质中只能沿直线传播

ABC2.（多选）下列关于电磁波的说法中正确的是(

)A.只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波B.电磁波可以在任何介质中传播，因此传播需要介质C.停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在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

CD

1.如图所示是赫兹实验的装置，其实验目的是(

)A.测定电磁波的速度 B.验证电磁波的存在C.测定电磁波的频率 D.验证电磁波是否为横波

B2.（多选）下列说法中正确的有(

)A.最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特B.电磁感应现象是法拉第发现的C.建立电磁场理论初步的科学家是麦克斯韦D.最早预见到有电磁波存在的科学家是赫兹

ABC

B

AD

A.小球受到的向心力大小不变B.小球受到的向心力大小不断增加C.洛伦兹力对小球做了功D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比

B

A

A.米波的频率比厘米波频率高B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象D.不可能产生干涉和衍射现象

C

8.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.