4.2电磁场与电磁波-2023-2024学年高二物理备课必备讲义（人教版2019选择性必修第二册）

第四章 电磁振荡与电磁波 第2节 电磁场与电磁波 【科技前沿】电磁波的本质到底是什么 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。 电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。 【核心素养目标】 物理观念 了解麦克斯韦电磁场理论的基本观点以及在物理学发展史上的意义。 科学思维 了解电磁波的特点及其发展过程，通过电磁波体会电磁场的物理性质。 科学探究 回顾探究电磁波的实验过程，学会设计实验、观察现象、分析结果、归纳总结的科学探究方法。 科学态度与责任 通过电磁场与电磁波的知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。 知识点一　电磁场 【情境导入】 如图所示 磁铁相对闭合线圈上下运动时，闭合线圈中的自由电荷做定向移动，是受到什么力的作用？这能否说明变化的磁场产生了电场？如果没有导体，情况会怎样？ 答案：磁铁上、下运动时，导体中自由电荷定向移动，说明电荷受到静电力作用，即导体处在电场中。磁铁的上、下运动使线圈处在变化的磁场中，这表明变化的磁场周围产生了电场。如果没有导体，该处仍会产生电场。 【知识梳理】 1．变化的磁场产生电场 (1)实验基础：如图所示，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． (2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动． (3)实质：变化的磁场产生了电场． 2．变化的电场产生磁场 麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场． 3．变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分割的统一的电磁场． 【重难诠释】 对麦克斯韦电磁场理论的理解 (1)变化的磁场产生电场 ①均匀变化的磁场产生恒定的电场． ②非均匀变化的磁场产生变化的电场． ③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场． (2)变化的电场产生磁场 ①均匀变化的电场产生恒定的磁场． ②非均匀变化的电场产生变化的磁场． ③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场． 【典例精析】 例1．以下关于电磁场理论和电磁波的有关说法正确的是（　　） A．变化的电场周围一定产生电磁波 B．当穿过未闭合的金属线圈的磁通量发生变化，就有感应电流产生 C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，法拉第用实验验证了电磁波的存在 D．普朗克能量子理论成功解释黑体辐射，能量只能采取某些分离数值的特征叫能量量子化 【答案】D 【解析】A．均匀变化的电场产生稳定的磁场，而非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场；均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，而周期性变化的磁场将产生周期性变化的电场，故变化的磁场周围不一定产生电磁波，A错误； B．当穿过未闭合的金属线圈的磁通量发生变化，会产生感应电动势，但由于线圈断路，感应电流不会产生，B错误； C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，C错误； D．普朗克能量子理论成功解释黑体辐射，能量只能采取某些分离数值的特征叫能量量子化，D正确。 故选D。 知识点二　电磁波 【情境导入】 如图所示的实验装置，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？ 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，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在． 【知识梳理】 1．电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波． 2．电磁波的特点 (1)电磁波在空间传播不需要介质． (2)电磁波是横波：电磁波中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． (3)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象． 3．电磁波具有能量 电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换，电磁波的发射过程是辐射能量的过程，传播过程是能量传播的过程． 【重难诠释】 电磁波的特点 (1)电磁波是横波，在传播方向上的任一点，E和B彼此垂直且均与传播方向垂直．如图所示． (2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝