第6章 第4节 电磁波及其应用 （word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

第四节　电磁波及其应用 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电磁场的物质性。 (3)知道电磁波在电视广播、雷达、移动电话中的应用。 科学思维 理解电磁波的形成和传播。 科学态度与责任 能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲。 一、电磁场与电磁波　电磁场的物质性 1．电磁场与电磁波 英国物理学家麦克斯韦在系统总结人类直至19世纪中叶对电磁规律的研究成果的基础上，提出了电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，称为电磁场。变化的电磁场在空间中的传播形成了电磁波。 2．电磁场的物质性 (1)微波炉利用电磁波来加热食物，这说明电磁场具有能量。 (2)俄国物理学家列别捷夫测量出光对被照射的物体有压力，用实验证明了由电磁场理论预言的光压。这表明电磁场具有与其他物质相互作用的属性。 (3)电磁场虽然没有静止质量，但爱因斯坦提出的质能关系，揭示出电磁场因具有能量而具有运动质量。光压现象也说明电磁场是有质量的，因为有质量的物质才能对其他物体表现出压力作用。 二、电视广播　雷达　移动电话 1．电视广播：利用电磁波将电视信号先传送给地球同步通信卫星，然后由通信卫星将信号转发回地面，大大增加了信号的覆盖面积。 2．雷达：雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器，主要由发射机、接收机和显示器等部分组成。 3．移动电话：无线电话、无线对讲机、移动电话均是通过电磁波实现信号的发射与接收的。每台手机都是一个小型电磁波发射台，将用户的声音或数字信息转变为高频信号发射到空中，同时它又相当于一个收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到对方发射来的信息。 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)为了避免雷达发现战机的行踪，人们研制了隐形飞机。我们用肉眼能不能看到隐形飞机？为什么？ 提示：能看到。隐形飞机不反射敌方雷达的探测波，对雷达“隐形”，但可以反射可见光，肉眼能直接看到。 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、磁场的变化关系可用下面的框图表示 [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)|电磁波的不同应用 [任务驱动] 如图所示为最先进的KH-12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] 不同电磁波的特性及应用 电磁波种类 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．(多选)下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是(　 ) A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体 B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康 C．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞 D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光 解析：选CD　X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞，C正确；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。 3．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——激光测距 1．(选自教科版教材课后练习)激光测距是精确地测量长度的方法。为了准确地测量地球与月球间的距离，我们把一个可反射激光的装置放置在月球上，从地球对着它发射一束激光，记录下从发射到接收到月球反射回来的激光的时间间隔约为2.56 s。激光在真空中传播的速度c＝2.998×108 m/s，试通过计算确定地球到月球间的距离为多少。 解析：由题意可知t＝2.56 s，c＝2.998×108 m/s，则地球到月球间的距离为S＝c·＝2.998×108× m≈3.837×108 m。 答案：3.837×108 m 科学态度与责任——电磁辐射污染 2．(选自教科版教材“发展空间”)电磁辐射有许多应用，但是，我们也不能忽视电磁辐射的负面效应，那就是电磁辐射污染(有人称之为“第五大公害”)。其主要表现为以下两个方面： (1)电磁干扰。电磁辐射场强过大，可能干扰飞机的起降与飞行，干扰心脏起搏器的工作、精密仪器的使用等。在某些特定场合，产生较强电磁辐射的电器(例如手机)必须停用。 (2)电磁辐射对人体的伤害。过强或过长时间的紫外辐射、微波辐射、X射线或γ射线的作用，会对人体(眼睛、皮肤、血液、神经系统、生殖系统等)造成危害。在存在强电磁辐射的场合，必须注意防护，例如设置防护墙，穿戴预防电磁辐射的衣帽、眼镜及其他用品等。 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 $$