2025年高中物理新教材同步 必修第三册 第13章　4　电磁波的发现及应用

4电磁波的发现及应用[学习目标]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(重点)。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(重点)。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。例1(多选)下列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AB解析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，A正确；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，B正确；周期性变化的电场和变化的磁场相互关联，形成电磁场，C错误；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，D错误。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二、电磁波1．(1)麦克斯韦的伟大预言：周期性变化的电场引起周期性变化的磁场，这个变化的磁场又引起新的变化的电场，这样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。(2)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”，不需要传播介质。说明：电磁波传播虽然不需要介质，但它也可以在其他介质如光纤中传播，且速度都比在真空中的小。(3)光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动，电磁波在真空中的传播速度等于光速，即c＝3×108m/s。(4)赫兹的贡献：1886年，德国科学家赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。(5)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。2．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。(1)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。(√)(2)电磁波依赖于介质才能传播。(×)例2(2023·山东省鄄城一中高二期末)交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成，红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示，红灯发出的红光频率为5×1014Hz，从12m外的交通信号灯传到你的眼睛，需要时间为t，这个距离为波长的n倍，光速c＝3×108m/s，则()A．t＝4×10－8s，n＝4×107B．t＝4×10－8s，n＝2×107C．t＝8×10－8s，n＝4×107D．t＝8×10－8s，n＝2×107答案B解析该红光的波长为λ＝eq\f(c,f)＝6.0×10－7m，传到眼睛需要的时间为t＝eq\f(x,c)＝4×10－8s，在这个距离中的波长倍数为n＝eq\f(x,λ)＝2×107，故选B。三、电磁波谱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)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。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(1)过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康。(×)(2)电磁波频率最大的是γ射线，医学上常用它进行人体透视检查。(×)(3)紫外线和X射线都可以使感光底片感光。(√)例3某广播电台发射“中波”段某套节目的讯号，家用微波炉中的微波，VCD机中的激光(可见光)，人体透视用的X光，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则()A．f1＞f2＞f3＞f4 B．f1＜f2＜f3＜f4C．f1＜f3＜f2＜f4 D．f1＞f3＞f2＞f4答案B解析由电磁波谱排列知广播电台发射的“中波”段某套节目的讯号频率最低，其次是家用微波炉中的微波，频率较高的是VCD机中的激光(可见光)，频率最高的是人体透视用的X光，即f1＜f2＜f3＜f4，B正确。例4关于电磁波谱及对一些应用的解释，下列说法中不正确的是()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．紫外验钞机是利用紫外线的化学作用C．红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点D．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高答案B解析X射线具有较强的穿透能力，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，故A正确；紫外验钞机是利用紫外线的荧光效应，故B错误；红外遥感技术利用了一切物体都不停地辐射红外线的现象，从而通过接收到的红外线来感知物体，故C正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故D正确。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。(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。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5(2023·江西省铜鼓中学高二阶段测试)5G，即第五代移动通信技术，采用3300～5000MHz频段，相比于现有的4G(即第四代移动通信技术，1880～2635MHz频段)技术而言，具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。5G信号与4G信号相比，下列说法正确的是()A．5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快B．5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡C．5G信号比4G信号需要更少的通信基站D．5G信号比4G信号更适合长距离传输答案B解析5G信号和4G信号都是电磁波，在真空中传播速度等于光速，A错误；根据λ＝eq\f(c,f)，可知5G信号频率更高，波长更短，即5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡，需要建设更密集的基站，不适合长距离传输，B正确，C、D错误。课时对点练[分值：60分]1～8题每题4分，共32分考点一电磁场1．(多选)在电磁学发展的过程中，许多科学家做出了贡献，下列说法正确的是()A．奥斯特发现了电流的磁效应B．法拉第发现了电磁感应现象C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，楞次用实验证实了电磁波的存在D．库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值答案ABD解析奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，A、B正确；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，C错误；库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值，D正确。2．关于电磁场理论，下列说法中正确的是()A．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场B．非均匀变化的电场产生的磁场一定是均匀变化的C．均匀变化的磁场一定产生变化的电场D．均匀变化的电场一定产生稳定的磁场答案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，均匀变化的电场产生稳定的磁场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，故D正确。3．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解析由题图可知，产生的电场为稳定的电场，由麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的磁场才能产生稳定的电场，故选B。考点二电磁波及电磁波谱4．(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是()A．电磁波由真空进入介质中，频率不变B．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地传播，形成电磁波C．电磁波是一种物质，只能在真空中传播D．电磁波在任何介质中的传播速度都是3×108m/s答案AB解析频率由波源决定，与介质无关，故电磁波由真空进入介质中，频率不变，A正确；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，由近及远地传播，形成电磁波，B正确；电磁波是一种物质，可以不依赖介质传播，电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s，在不同介质中传播速度不一样，C、D错误。5．(多选)(2024·惠州市调研)使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意如图所示，以下说法正确的是()A．蓝牙通信的电磁波是可见光B．蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短C．两种电磁波都能在真空中传播D．蓝牙通信的电磁波波速小于光速答案BC解析蓝牙通信的电磁波是无线电波，不是可见光，故A错误；在真空中传播时，蓝牙通信与手机通信的电磁波传播速度相等，但蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率，所以蓝牙通信的波长比手机通信的电磁波波长短，故B正确；一切电磁波都能在真空中传播，且传播速度等于光速，故C正确，D错误。6．(2023·常州市高二月考)关于电磁波，下列说法正确的是()A．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播B．电磁波可以传递信息，也可以传播能量C．遥控器发出的红外线的频率比医院CT中的X射线的频率高D．各种频率的电磁波在真空中传播的速度不同答案B解析电磁波可以在真空中传播，故A错误；电磁波可以传递信息，也可以传播能量，故B正确；根据电磁波谱可知，遥控器发出的红外线的频率比医院CT中的X射线的频率低，故C错误；各种频率的电磁波在真空中传播的速度都等于真空中的光速，故D错误。7．(2024·沈阳市高二学业考试)英国物理学家麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！电磁波在空气中的传播速度近似等于3×108m/s，某无线电波的频率是0.998×108Hz，该电磁波在空气中的波长约为()A．1.52m B．3.01mC．2.56m D．1.09m答案B解析由c＝λf，代入已知数据，解得λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,0.998×108)m≈3.01m，故选B。8．(多选)下列关于电磁波的说法正确的是()A．红外线、X射线、γ射线中红外线的波长最短B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线C．微波可用于广播及其他信号的传播D．X射线可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞答案CD解析红外线、X射线、γ射线中红外线的频率最低，波长最长，选项A错误；银行的验钞机发出的光是紫外线，家用电器的遥控器发出的光是红外线，选项B错误；微波不但能加热物体，而且能传播信息，故可以用于通信、广播及其他信号传输，故C正确；X射线有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，γ射线有极强的穿透本领和很高的能量，可以摧毁病变的细胞，故D正确。9、10题每题8分，共16分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．(2024·武汉市高二期末)有四种磁场，其磁感应强度B随时间t变化的图像如图所示。下列说法正确的是()A．这四种磁场都能产生电场B．除了图甲中的磁场，其他三种磁场都可以产生电场C．只有图丙中的磁场可以产生电磁波D．除了图甲中的磁场，其他三种磁场都可以产生电磁波答案B解析根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故题图乙、丙、丁中的磁场都可以产生电场，A错误，B正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，从而产生电磁波，故题图丙、丁中的磁场可以产生电磁波，C、D错误。11．(12分)若你用通过静止卫星转发的无线电话与朋友通话，则在你讲话后，至少要等多长时间才能听到对方的回话？(