13-4-电磁波的发现及应用(解析版)(人教2019必修第三册-)

第十三章电磁感应与电磁波初步13.4电磁波的发现及应用目标导航目标导航课程标准课标解读1．知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的意义。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。1．了解人类发现电磁波的历史，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁波发现做出的巨大贡献，领会在电磁波的发现过程中所蕴含的科学方法和科学精神。2．体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。3．了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。4．了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。知识精讲知识精讲知识点01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．【即学即练1】(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法中正确的是 ()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磁场,变化的磁场周围产生电场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稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场【答案】BD【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论可知,恒定的电场周围不产生磁场,恒定的磁场周围也不产生电场。变化的电场周围才产生磁场,变化的磁场周围才产生电场,故A错误;均匀变化的磁场周围产生稳定的电场,均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,只有非均匀变化的电场产生变化的磁场,故C错误,B、D正确。知识点02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．知识点03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．【即学即练3】(多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是()A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变B．γ射线是波长最短的电磁波C．紫外线的频率比紫光低D．在电磁波谱中，穿透能力最强的是X射线【答案】AB【解析】X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；γ射线是波长最短的电磁波，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，紫外线的频率比紫光高，在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强，选项C、D错误．能力拓展能力拓展考法01麦克斯韦电磁场理论及实验验证1．麦克斯韦电磁场理论(1)电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路同样可以产生电场。(2)电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点猜想变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。如图所示，根据麦克斯韦电磁场理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。2．对麦克斯韦电磁场理论的理解(1)恒定的电场不产生磁场。(2)恒定的磁场不产生电场。(3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。(4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。(5)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。(6)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。【典例1】根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场【答案】D【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，D正确。考法02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2】具有NFC(近距离无线通信技术)功能的两只手机在间距小于10cm时可以通过电磁波直接传输信息,其载波频率为1.4×107Hz,电磁波在空气中的传播速度为3.0×108m/s,则该载波的波长为m(保留两位有效数字)。【答案】21【解析】由波速公式c=λf得波长λ=cf=3×10考法03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．不同波长的电磁波的比较名称特性无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线主要应用通信、广播红外探测器、红外体温计引起视觉灭菌、消毒、防伪医学透视、安检治疗疾病、金属探伤真空中的速度c＝3×108m/s频率小→大【典例3】红外线、无线电波、γ射线、可见光等都属于电磁波,则下列选项中,按照波长由大到小顺序排列正确的是 ()A.红外线、无线电波、γ射线、可见光B.红外线、可见光、γ射线、无线电波C.无线电波、红外线、可见光、γ射线D.γ射线、可见光、红外线、无线电波【答案】C【解析】电磁波按照波长由大到小的顺序排列为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线,选项C正确,A、B、D错误。分层提分分层提分题组A基础过关练1.人们为了纪念德国科学家赫兹对人类的贡献,把频率的单位定为“赫兹”。赫兹对人类的突出贡献是 ()A.通过实验证实了电磁波的存在B.通过实验发现了磁场对通电导线有力的作用C.通过实验发现了电荷之间相互作用力的规律D.通过实验发现了电磁感应的规律【答案】A【解析】1886年,德国科学家赫兹通过实验捕捉到了电磁波,证实了电磁波的存在,人们为了纪念他,把频率的单位定为赫兹,选项A正确。2.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.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．4.(多选)关于光波和无线电波，下列说法正确的是()A．都是电磁波B．都可以在真空中传播C．在真空中的传播速度都是3×108m/sD．二者的波长、频率均相同【答案】ABC【解析】光波和无线电波本质上都是电磁波，都可以在真空中传播，在真空中传播的速度都是3×108m/s，A、B、C对；光波和无线电波波长、频率不同，D错．5.(多选)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C．赫兹通过实验证实了电磁波的存在D．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【答案】CD【解析】均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，故A错误；均匀变化的电场或磁场只能产生恒定的磁场或电场，不会产生电磁波，故B错误；电磁波最早由麦克斯韦预测，由赫兹通过实验证实，故C正确；电磁波由振荡变化的电场或磁场产生，故D正确。6.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．7.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．8.关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是()A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同【答案】B【解析】无论是电磁波还是声波，都可以传递能量和信息，A项错误；手机通话时，打电话人的手机将声波转化成电磁波，接收者的手机再将电磁波转换成声波，B项正确；太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波的传播速度不相同，C项错误；遥控器发出的红外线频率和医院“CT”中的X射线频率不同，它们的波长也不相同，D项错误．题组B能力提升练9.(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()A．真空中上述雷达发射的电磁波的传播速度为3×108m/sB．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C．测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离D．雷达使用的是无线电波的微波波段【答案】ACD【解析】真空中电磁波的传播速度为3×108m/s，A正确；电磁波是由周期性变化的电场和磁场产生的，B错误；由雷达的工作原理可知，C正确；雷达使用的是无线电波的微波波段，D正确．10.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 ()【答案】B【解析】由麦克斯韦电磁场理论知:均匀变化的磁场才能产生稳定的电场,选项B正确。11.如图所示的四种电场变化情况,能发射电磁波的是 ()【答案】D【解析】图A是稳定的电场,不能产生磁场;图B与图C是均匀变化的电场,产生恒定的磁场,也不能形成电磁波;图D是周期性变化的电场,会产生同频率的周期性变化的磁场,能形成电磁场,向外发射电磁波,选项D正确,A、B、C错误。12.(多选)甲、乙两种磁场的磁感应强度B随时间t变化的规律如图所示,下列说法正确的是 ()A.磁场甲能够产生电场B.磁场甲能够产生电磁波C.磁场乙的磁感应强度最大时产生的电场最强D.磁场乙的磁感应强度为零时产生的电场最强【答案】AD【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论,均匀变化的磁场甲能产生稳定的电场,不能产生电磁波,选项A正确,B错误;周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场,磁场乙的磁感应强度最大时,产生的电场最弱,磁场乙的磁感应强度为零时,产生的电场最强,选项C错误,D正确。13.频率为5×1014Hz的红光，从10m外的交通信号灯直接传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？【答案】3.3×10－8s1.7×107个【解析】传到眼睛需要的时间是t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.3×10－8s，由c＝λf得，该红光的波长λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,5×1014)m＝6×10－7m．在这个距离中的波长数有n＝eq\f(x,λ)＝eq\f(10,6×10－7)≈1.7×107(个)．题组C培优拔尖练14.雷达是一种利用电磁波来测定物体位置和速度的设备,某防空雷达发现一架飞机正在以水平速度朝雷达正上方匀速飞来,已知该雷达发射相邻两次电