第3章 第4节 电磁波的发现及其应用 （word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第4节　电磁波的发现及其应用 核心素养导学 物理观念 (1)了解麦克斯韦电磁场理论的内容。 (2)知道电磁波的形成及赫兹的实验结论。 (3)知道电磁波在真空中传播的速度及波长、频率和波速的关系。 (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 等领域的主要应用。 科学思维 (1)了解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。 (2)理解电磁波的形成与传播。 科学态度与责任 (1)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)领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。 一、电磁场 1．麦克斯韦的电磁理论 (1)变化的磁场能够在周围空间产生电场； (2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。 2．电磁场：变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体。 二、电磁波和电磁波谱 1．电磁波 (1)定义：变化的电磁场在空间的传播形成电磁波。 (2)产生条件：做变速运动的电荷都会在空间产生电磁波。 (3)麦克斯韦预言：麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在，其传播速度等于光速，由此认为光是电磁波的一种形态。 (4)赫兹实验：赫兹用实验证实了电磁波的存在，证实了电磁波的传播速度等于光速，且能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。 (5)波长、频率和光速的关系：c＝λf。 2．电磁波谱 (1)概念：按波长(或频率)的顺序把所有电磁波排列起来，称之为电磁波谱。 (2)电磁波谱组成：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 (3)各种电磁波的用途 ①无线电波主要用于通信、广播和电视等方面； ②可见光部分能作用于眼睛引起视觉； ③X射线、γ射线可用于育种和医疗等不同领域。 三、电磁波的应用 1．电磁波用于传递信息 (1)电信网、广播网和互联网将计算机和智能手机等终端连在一起，形成统一的信息通信网络。 (2)电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以实现无线传输。 (3)接收和研究自然界物体发射的各种电磁波，以探索未知的世界。 2．利用电磁波的能量 (1)太阳光是最常见、最普遍的电磁波能量，被通过不同装置转化为电能或内能； (2)利用微波加热食物； (3)用于军事方面，如微波定向能武器、激光武器等。,1.如图所示，为空间存在的电场。试对以下结论作出判断。 (1)该电场的周围空间能产生磁场。(√) (2)该电场的周围空间能产生均匀变化的磁场。(×) (3)变化的电场可以在周围形成电磁波。(×) (4)周期性变化的电场可以在周围形成电磁波。(√) 2．(1)如图，中国女航天员王亚平在“天宫一号”为中小学生授课。思考一下，王亚平授课的视频是怎样传到地面上的？ 提示：通过电磁波来传递。 (2)红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温，如图所示，你知道它的工作原理吗？ 提示：根据体温越高，辐射红外线越强的原理。 3．病人在拍片或者做CT时陪同人员需要在门外等候，以避免电磁辐射带来的副作用，请问防辐射门属于电磁污染防护的哪个方面？ 提示：属于从电磁波的传播途径来进行防护。 新知学习(一) [任务驱动]) 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？ 提示：变化的磁场产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线不是闭合的。　　　　 [重点释解] 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 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 2．电场、磁场的变化关系 [针对训练] 1．下列有关电磁场理论说法正确的是(　 ) A．法拉第预言了电磁波的存在，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性 B．变化的磁场一定产生变化的电场 C．均匀变化的电场产生均匀变化的磁场 D．赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦的电磁场理论 解析：选D　麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦的电磁场理论，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，A错误，D正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，B错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，C错误。 2．(多选)如图所示，在磁感应强度B随时间t变化的以下四种磁场中，下列判断正确的是(　 ) A．甲图能产生电场，不能产生电磁波 B．乙图能产生电场，不能产生电磁波 C．丙图能产生电场，不能产生电磁波 D．丁图能产生电场，也能产生电磁波 解析：选BD　根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故乙、丙、丁都可以产生电场，甲不能产生电场；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，故丙、丁可以产生电磁波，乙不能产生电磁波。故选B、D。 新知学习(二)|电磁波 [重点释解] 1．电磁波的特点 (1)电磁场中储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。 (2)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。 (3)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质。 (4)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速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。 2．波长、频率与波速之间的关系 波速＝波长×频率，即v＝λf。 (1)频率由波源决定，与介质无关，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，在介质中的速度都比在真空中速度小。 (2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。 (3)在真空中传播时，不同频率的电磁波的速度都相同：v＝c。 [典例体验] [典例]　波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？(c＝3×108 m/s) [解析]　由速度公式v＝可求得时间，根据电磁波波长、频率和波速关系式c＝λf可得频率， 其中t＝＝ s≈3.33×10－8 s 由c＝λf得f＝＝ Hz＝5×1014 Hz。 [答案]　3.33×10－8 s　5×1014 Hz [针对训练] 1．下列关于电磁波的说法正确的是(　 ) A．麦克斯韦从理论上预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在 B．电磁波在真空和介质中的传播速度相同 C．电磁振荡可以产生电磁波，若波源的电磁振荡停止，其发射到空间的电磁波随即消失 D．常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机 解析：选A　麦克斯韦从理论上预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，A正确；电磁波在真空中的传播速度比在介质中的传播速度大，B错误；电磁振荡可以产生电磁波，若波源的电磁振荡停止，其发射到空间的电磁波不会消失，C错误；常用的遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，D错误。 2．关于电磁场和电磁波，下列说法不正确的是(　 ) A．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者互相联系，统称为电磁场 B．电磁场从发生区域由近及远地传播形成电磁波 C．电磁波是一种物质，可在真空中传播。所以，平时说真空没有实物粒子，但不等于什么都没有，还有“场”这种特殊物质 D．电磁波可在真空中传播，也可在介质中传播 解析：选A　根据麦克斯韦电磁场理论，非均匀变化的电场周围产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生的是稳定的磁场，所以A项错误。 新知学习(三)|电磁波谱 如图所示为光学侦察卫星，采用先进的自适应光学成像技术，地面分辨率最高可达0.1米。那么，你知道它上面携带的相机在夜间进行红外摄像时工作在什么波段吗？该波段有什么特点？ 提示：红外摄像时工作在红外线波段，该波段的主要特点是热效应。　　　　 [重点释解] 1．各种电磁波的共性 (1)在本质上都是电磁波，遵循相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义。 (2)都遵循公式v＝λf，在真空中的传播速度都是c＝3×108 m/s。 (3)传播都不需要介质。 2．电磁波谱图：各电磁波按波长从大到小或频率从低到高可排列成如图电磁波谱。 3．不同电磁波的应用 电磁 波谱 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 频率(Hz) 由左向右，频率由低到高 真空 中波长 由左向右，波长由长到短 特性 波动性强 热作用强 感光性强 化学作用，荧光效应 穿透力强 穿透力最强 用途 通信、广播、导航 加热、遥测、遥感、红外摄像、红外制导 照明、照相等 日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等 检测、 探测、透视、治疗 探测、治疗 [针对训练] 1.如图所示是医生用计算机辅助某种射线断层摄影(简称“CT”)检查身体的情况，这种能穿透身体的射线是(　 ) A．X射线　 B．红外线 C．紫外线 D．可见光 解析：选A　X射线具有较强的穿透能力，在医学上常用来检查身体，A正确。 2．第五代移动通信技术，简称5G,5G将开启万物互联时代：车联网、物联网、智慧城市、自动驾驶技术等将逐一实现。5G应用3 300 MHz～5 000 MHz频段的无线电波传送信号，相比于现有的4G(1 880 MHz～2 635 MHz频段)而言，5G所应用的无线电波(　 ) A．在真空中的波长更长 B．在真空中的波长更短 C．在真空中的传播速度更小 D．在真空中的传播速度更大 解析：选B　5G应用3 300 MHz～5 000 MHz频段的无线电波传送信号，4G应用1 880 MHz～2 635 MHz 频段的无线电波传送信号，则5G信号的频率比4G信号高，由λ＝可知5G电波比4G电波在真空中的波长更短，A错误，B正确；根据麦克斯韦电磁场理论，可知任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，C、D错误。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——电磁波的传播 1．(选自人教版新教材课后练习)中国航天员在天宫一号目标飞行器上成功进行了太空授课(如图)。已知天宫一号目标飞行器轨道半径为6 740 km，地球半径为6 400 km，试计算航天员讲课的实时画面从天宫一号目标飞行器发至地面接收站，最少需要多少时间？ 解析：空间实验室至地面接收站的最短距离x＝(6 740－6 400) km＝340 km，电磁波的传播速度c＝3.0×108 m/s，故传播的最短时间t＝＝ s≈1.13×10－3 s 答案：1.13×10－3 s 科学探究——利用收音机探测电磁波 2．(选自粤教版新教材“实验与探究”)打开收音机的开关，转动选台旋钮，使收音机收不到电台的广播。然后开大音量。如图所示，在收音机附近，将一根导线的一端连接电池的一个电极，另一端反复碰触电池的另一电极，会发现什么现象？为什么会产生这种现象？ 提示：当导线另一端反复碰触电池的另一电极时，收音机会发出“喀喀”声，这是因为电路中有迅速变化的电流，即在导线周围产生了变化磁场，变化的磁场又产生了变化的电场，电磁场向周围传播形成了电磁波，对收音机所接收到的电磁波产生了干扰。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1. 与传统的热传导测温仪相比，红外线测温仪具有操作简单、防交叉感染、测温效率高等特点，下列说法正确的是(　 ) A．当人体温度超过37 ℃时才向外辐射红外线 B．红外线属于电磁波，其波长小于紫外线的波长 C．红外线测温仪是依据人体温度越高人体辐射的红外线强度越大来测体温的 D．红外线测温仪工作原理跟传统水银体温计原理一样，都是利用热胀冷缩原理 解析：选C　无论人体温度高低都会向外辐射红外线，故A错误；红外线属于电磁波，其波长大于紫外线的波长，故B错误；红外线测温仪是依据人体温度越高人体辐射的红外线强度越大来测体温的，故C正确，D错误。 2.如图所示，共享单车打通了公共交通的“最后一公里”，方便了居民出行。共享单车上的定位技术，可以给单车精准定位。单车在被骑行过程中车内电池自行充电，满足定位和自动开锁等过程中的用电。用户仅需用手机上的客户端软件(APP)扫描二维码，即可自动开锁，骑行时手机APP上能实时显示单车的位置，骑行到指定的停车区域时才可以顺利还车；还车关锁后APP就显示计时、计价、里程等信息。根据以上信息，下列说法正确是(　 ) A．单车是利用电磁感应原理实现充电的 B．单车和手机之间是利用声波传递信息的 C．单车某个时刻的位置是主要借助用户手机确定的 D．由手机APP上的显示信息，可求出骑行的平均速度 解析：选A　单车在被骑行过程中车内电池自行充电，是通过安装在轮轴处的发电机实现的，所以单车是利用电磁感应原理实现充电的，故A正确；单车和手机之间是利用电磁波传递信息的，故B错误；由题意可知单车某个时刻的位置主要是借助单车上的定位系统确定的，故C错误；由手机APP上的显示信息，可知时间和里程(即路程)，而无法得知位移，所以只能求出骑行的平均速率，不能求出平均速度，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$