第三章 4 电磁波的发现及其应用-【金版教程】2024-2025学年新教材高中物理必修第三册创新导学案课件PPT（教科版2019）

第三章　电磁场与 电磁波初步 4.电磁波的发现及其应用 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 1．了解麦克斯韦电磁理论的两个基本假设。2.了解电磁波的形成和特点。3.知道波长、频率与波速的关系，了解电磁波谱及各种电磁波的应用。4.知道电磁波两个方面的应用。 3 课前自主学习 一　电磁场 19世纪60年代，麦克斯韦提出了系统的电磁理论，这一理论有两个基本假设。 1．变化的磁场能够在周围空间产生电场 (1)麦克斯韦认为，感应电流的产生是由于磁场的_____而产生的_____作用的结果。他指出，闭合回路的存在只是提供了观测电场存在的手段，不管闭合回路存在与否，只要磁场在_____，它的周围就会产生电场。 (2)麦克斯韦进一步指出，磁场随时间变化快，产生的电场___；磁场随时间的变化不均匀时，产生____________；稳定的磁场周围____________。 (3)产生电场的两种方式：由_____或由____________产生。 变化 电场 变化 强 变化的电场 不产生电场 电荷 变化的磁场 课前自主学习 5 2．变化的电场能够在周围空间产生磁场 (1)麦克斯韦认为，既然变化的磁场可以在周围空间产生电场，那么变化的电场也可以在周围空间产生磁场。 (2)麦克斯韦认为，若电场随时间变化快，则产生的磁场___；若电场随时间的变化不均匀，则会产生____________。____________周围不产生磁场。 3．电磁场 如果在空间某区域有随时间不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生变化的_____；这个变化的_____又在它周围空间引起变化的电场……于是，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，称为电磁场。 强 变化的磁场 稳定的电场 磁场 磁场 课前自主学习 6 二　电磁波和电磁波谱 1．电磁波 (1)电磁波的定义：由变化的电场和磁场交替产生而形成的_______是由近及远传播的，这种变化的电磁场在空间的_____称为电磁波。 (2)麦克斯韦在1865年从理论上预见了电磁波的存在，并计算出其传播速度等于_____，由此他认为光是电磁波的__________。1888年，德国物理学家_____第一次用实验证实了电磁波的存在。 (3)电磁波在真空中传播的速度c＝_________ m/s，如果用λ表示它的波长，f表示它的频率，则这三个物理量间的关系是_______。 电磁场 传播 光速 一种形态 赫兹 3.0×108 c＝λf 课前自主学习 7 2．电磁波谱 (1)概念：按_____(或_____)的顺序把所有电磁波排列起来，称之为电磁波谱。 (2)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：__________、红外线、_______、_______、X射线、γ射线。 三　电磁波的应用 电磁波的应用粗略地划分，主要包括两个方面：一是利用电磁波_________；二是利用电磁波的_____。 波长 频率 无线电波 可见光 紫外线 传递信息 能量 课前自主学习 8 提示 1．判一判 (1)电场或磁场一定能够在空间产生电磁波。(　　) (2)麦克斯韦预言了电磁波的存在。(　　) (3)电磁波的传播不需要介质，水波、声波的传播也不需要介质。(　　) (4)电磁波在真空中的传播速度与光速相同，其值为3.0×108 m/s。(　　) (5)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。(　　) (6)可利用红外线的荧光效应判别人民币的真伪。(　　) (7)电磁波的一个重要应用是无线电通信。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)√　 课前自主学习 9 提示 2．想一想 (1)麦克斯韦根据什么认为“变化的磁场产生电场”？ (2)关于“变化的电场产生磁场”的观点，他是在什么情况下提出的？ (3)各种电磁波按照频率从大到小如何排列？ 提示:麦克斯韦是在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。　 提示:“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的，他相信磁场和电场有对称之美。他认为：既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么变化的电场也能够在空间产生磁场。 提示:γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。 课前自主学习 10 课堂探究评价 探究1 　电磁场与电磁波 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 12 提示 活动1：如图甲所示，在变化的磁场中放入一个闭合电路，并且该回路平面不与磁场平行，闭合回路中会产生电流吗？为什么？ 活动2：我们知道，闭合导体中的自由电荷定向移动形成电流，是受到电场的作用。结合上述现象，可得出关于磁场和电场间关系的什么结论？ 提示：由电磁感应可知，会产生感应电流。因为穿过闭合电路的磁通量发生变化，所以闭合电路中有感应电流产生。　 提示：变化的磁场会产生电场。 课堂探究评价 13 提示 活动3：如图乙，将开关闭合，小磁针的指向是否变化？如何变化？ 活动4：由以上实验结果分析，什么样的电场能产生磁场？ 提示：开关闭合瞬间，小磁针的指向改变；开关闭合电路中电流为0后，小磁针的指向又恢复为原来指向。　 提示：变化的电场会产生磁场。 课堂探究评价 14 提示 活动5：麦克斯韦在系统总结前人对电磁规律的研究成果的基础上，提出了变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场。变化的电磁场在空间中的传播会形成电磁波。如图丙，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。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？试用麦克斯韦理论分析这种现象的成因。 提示：在实验中，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。这是因为在导线与电池电极反复碰触过程中，电路中有变化的电流，即产生了变化的电场，变化的电场又产生了变化的磁场，电磁场向四周传播形成了电磁波，对收音机所接收到的电磁波产生了干扰。　 课堂探究评价 15 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 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，称为电磁场。 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 课堂探究评价 16 2．对电磁波的理解 (1)电磁波的形成 变化的电场和变化的磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，如图1所示。 课堂探究评价 17 (2)电磁波的特点 ①电磁波的传播不需要介质。在真空中传播速度等于光速c＝3.0×108 m/s。 ②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。 ③只有变化的电场和变化的磁场相互激发才能形成电磁波。 ④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。 课堂探究评价 18 3．麦克斯韦电磁场理论的验证 赫兹所做的电磁波发射与接收实验如图2所示，感应圈所产生的高电压会在两个靠近的铜球间激起火花，这电火花就是做变速运动的电荷产生的，它产生电磁波向外传播，可以由检波器接收，表现为检波器的两铜球间也产生了电压，从而也有电火花产生。 赫兹还运用自己精湛的实验技术测定电磁波的波长和频率，得到了电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速。赫兹还用实验证明，电磁波跟所有波动现象一样，能产生反射、折射、干涉、衍射等现象，从而证实了麦克斯韦的电磁场理论，为后人利用电磁波传递信息开辟了道路。为了纪念他，人们把频率的单位称为赫兹。 课堂探究评价 19 例1　(多选)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．周期性变化的电场周围空间一定产生周期性变化的磁场 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 课堂探究评价 20 提示 (1)变化的磁场(或电场)一定产生变化的电场(或磁场)吗？ (2)周期性变化的磁场(或电场)一定产生周期性变化的电场(或磁场)吗？ 提示：不一定。　 提示：是的。 规范解答 规范解答　根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场(或磁场)才能产生磁场(或电场)，变化的电场(或磁场)不一定产生变化的磁场(或电场)，周期性变化的电场(或磁场)一定产生周期性变化的磁场(或电场)，C、D正确。 课堂探究评价 21 规律点拨 (1)电场和磁场是两种不同的物质，变化的电场和变化的磁场交替产生，形成电磁波；但有电场的空间不一定有磁场，有磁场的空间也不一定有电场。 (2)电磁场是变化的电场和变化的磁场形成的不可分割的统一场，而不是静电场和静磁场简单的复合。 课堂探究评价 [变式训练1]　手机A的号码为12345670001，手机B的号码为12345670002，手机A拨打手机B时，手机B发出响声并且显示屏上显示A的手机号码12345670001，设手机A、B的功能和设置相同，若将手机A置于一透明真空罩中，用手机B拨打A，则发现手机A(　　) A．发出响声，并显示B的号码12345670002 B．不发出响声，但显示B的号码12345670002 C．不发出响声，但显示A的号码12345670001 D．既不发出响声，也不显示号码 答案 解析 解析　电磁波可以在真空中传播，而声波的传播需要介质。当用手机B拨打手机A时(A置于一透明真空罩中)，A能显示B的号码，但不能发出响声，故B正确。 课堂探究评价 23 探究2 　电磁波谱　电磁波的应用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 24 提示 活动1：如图甲，按电磁波的波长或频率大小的顺序把各种电磁波排列起来，就是电磁波谱，由图甲可看出什么？ 活动2：如图乙所示，电磁波可以用来传递信息，请举一些例子。 活动3：生活中常用微波炉来加热食物(图丙)。食物中的水、脂肪等极性分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。食物增加的能量是微波给它的。由此可得出什么？ 提示：不同电磁波具有不同的波长或频率，特性也不同，在生活、生产中的应用也不同。　 提示：打电话，发短信，通过互联网视频聊天、购物、查阅资料等。 提示：电磁波具有能量。 课堂探究评价 25 1．在真空中，电磁波的传播速度为光速c，如果用λ表示它的波长，f表示它的频率，则有c＝λf。 2．电磁波谱 按电磁波的波长或频率大小的顺序把各种电磁波排列起来。按波长由长到短(频率由小到大)排列为：无线电波(长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 课堂探究评价 26 3．电磁波的应用 不同电磁波由于具有不同的波长(或频率)，因此具有不同的特性。利用这些特性，电磁波在生产、生活中有广泛的应用。 电磁波 应用 无线电波 长波、中波、短波 广播及其他信号的传输 微波 卫星通信、电视等的信号传输 红外线 加热理疗、遥感、遥控 可见光 通信 紫外线 消毒、鉴别钞票真伪(荧光效应) X射线 诊断病情(人体透视) γ射线 育种、摧毁病变细胞(治疗癌症) 课堂探究评价 27 4.电磁波通信 (1)信息通信网络通过电磁波来传递信息。 (2)电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。 5．电磁波具有能量，是一种物质。 实物粒子是物质存在的一种形式，场是物质存在的另一种形式，它们都是客观存在的。场具有能量。 课堂探究评价 28 例2　关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　) A．红外线和X射线都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．电磁波谱中频率最小的为γ射线 D．无线电波的波长比可见光长 答案 课堂探究评价 29 提示 (1)医学上常用于透视人体的是哪种射线？ (2)在电磁波中频率最高的是什么？波长最长的是什么？ 提示: X射线。　 提示: γ射线的频率最高，无线电波的波长最长。 规范解答 规范解答　 X射线常用于医学上透视人体，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波谱中频率最高的是γ射线，波长最长的是无线电波，C错误，D正确。 课堂探究评价 30 规律点拨 电磁波谱相关问题的解题方法 (1)熟记各种电磁波的特性及应用。 (2)按电磁波谱的排列顺序，波长越长，频率越低；波长越短，频率越高，且c＝λf。 课堂探究评价 [变式训练2]　如图所示是中国天眼FAST­500 m口径球面射电望远镜，其主要工作波长在分米到米的范围，则天眼接收的电磁波的频率区间为(　　) A．106 Hz～107 Hz B．108 Hz～109 Hz C．1010 Hz～1011 Hz D．1012 Hz～1013 Hz 答案 解析 课堂探究评价 32 课后课时作业 1．(对麦克斯韦电磁场理论的理解)(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是(　　) 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．周期性变化的电场产生周期性变化的磁场 C．不均匀变化的电场或磁场才可能产生电磁波 D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 解析　变化的磁场周围一定存在电场，当电场中存在闭合电路时，电路中有电流，若无闭合电路，电场仍然存在，故A正确；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，B正确；不均匀变化的电场或磁场才能激发出变化的磁场或电场，从而可能形成电磁波，C正确；恒定的电场不产生磁场，恒定的磁场也不产生电场，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 2．(电磁波谱)下列各组电磁波，按频率由高到低的正确排列顺序是(　　) A．无线电波、红外线、可见光、X射线 B．X射线、红外线、可见光、无线电波 C．X射线、可见光、红外线、无线电波 D．无线电波、可见光、红外线、X射线 答案 解析 解析　由c＝fλ，得电磁波的波长越长，频率越低。根据电磁波按波长排列顺序，可得按频率由高到低排列的顺序是X射线、可见光、红外线、无线电波，C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 3．(对电磁波的理解)对于声波和电磁波的比较，下面说法中正确的是(　　) A．它们在同一介质中的传播速度相同 B．它们都是由变化的电磁场产生的 C．光是一种电磁波，B超利用的是声波 D．它们都能在真空中传播 答案 解析 解析　常温下声波在空气中的传播速度远小于电磁波在空气中的传播速度，A错误；声波是由物体振动产生的，电磁波是由变化的电磁场产生的，故B错误；光是一种电磁波，B超利用的是超声波，故C正确；电磁波既能在介质中传播又能在真空中传播，而声波只能在介质中传播，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 4．(电磁波的特征)真空中所有电磁波都具有相同的(　　) A．频率 B．波长 C．波速 D．以上都不同 解析 解析　在真空中，电磁波的传播速度相同，而电磁波的频率、波长不一定相同，C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 5．(综合)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．移动电话通讯是通过电磁波来实现的 B．法拉第首先预言了电磁波的存在 C．电磁波的传播需要介质 D．电磁波无法携带信息 答案 解析 解析　移动电话通讯是通过电磁波来实现的，A正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，B错误；电磁波的传播不需要介质，C错误；电磁波能携带信息，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 6．(电磁波的应用)关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　) A．卫星通信用的是γ射线 B．电磁波只能无线传播 C．电磁波中频率最大的是X射线 D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光 答案 解析 解析　卫星通信用的是微波，A错误；电磁波既可以无线传播，也可以有线传播，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X射线的化学作用强，可以使感光底片感光，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7．(综合)某广播电台发射“中波”段某套节目的信号、家用微波炉中的微波、夜视监控镜头捕捉到的光线、人体透视的X光，都是电磁波，它们的频率分别是f1、f2、f3、f4，则(　　) A．f1>f2>f3>f4 B．f1<f2<f3<f4 C．f1<f2<f4<f3 D．f2<f1<f3<f4 答案 解析 解析　夜视监控镜头捕捉到的是红外线，故f1<f2<f3<f4，B正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 8．(c＝λf和x＝ct)波长为50～100 m的无线电波可通过电离层的反射向远处传播，这些无线电波的频率范围是多大？若传到相隔1500 km的远处至少需要多长时间？ 答案　3×106～6×106 Hz　5×10－3 s 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 9．(综合)下列关于电磁波和电磁场的说法，正确的是(　　) A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波 B．电磁场不是一种物质 C．周期性变化的电流会产生电磁波 D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在 答案 解析 解析　只有周期性变化的电场和磁场，才可能激发电磁波，而恒定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；电磁场是一种客观存在的物质，B错误；恒定不变的电流周围会产生恒定的磁场，周期性变化的电流周围会产生周期性变化的磁场，进而形成周期性变化的电场，从而产生电磁波，C正确；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 10.(电磁波的能量)电磁辐射是一种复合的电磁波，以相互垂直的电场和磁场随时间的变化而传递能量。人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。《环境电磁波卫生标准》等法规规定：当电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量)不超过0.1 W/m2时，对人体没有任何影响。某办公区域内采用如图所示的无线路由器，若它的电磁辐射功率是5.0 W，已知半径为r的球面表面积S＝4πr2。则人体与该装置的安全距离至少为(　　) A．1.5 m B．2.0 m C．2.5 m D．3.0 m 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 11．(综合)某地的雷达正在跟踪一架向雷达匀速飞来的飞机。设某一时刻从雷达发出电磁波后到再接收到反射波历时200 μs；经4 s后又发出一个电磁波，雷达从发出电磁波到再接收到反射波历时186 μs，则该飞机的飞行速度多大？ 答案　525 m/s 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 12．(综合)在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？ 如果有两个手持卫星电话的人通过同步卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话？(已知地球的质量为6.0×1024 kg，地球半径为6.4×106 m，引力常量为6.67×10－11 N·m2·kg－2，计算结果保留两位有效数字) 答案　电磁波传播信息需要时间　0.24 s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析　根据f＝eq \f(c,λ)，因工作波长在分米到米的范围，即0.1 m～1 m范围，而c＝3×108 m/s，则天眼接收电磁波的频率区间为108 Hz～109 Hz。故选B。 解析　由c＝λf得，f1＝eq \f(c,λ1)＝eq \f(3×108,50) Hz＝6×106 Hz， f2＝eq \f(c,λ2)＝eq \f(3×108,100) Hz＝3×106 Hz， 所以这些无线电波的频率范围为3×106～6×106 Hz； 由x＝ct可得t＝eq \f(x,c)＝eq \f(1500×103,3×108) s＝5×10－3 s。 解析　设人体与该装置的安全距离至少为x，根据题意有eq \f(5.0 W,4πx2)＝0.1 W/m2，解得x＝2.0 m，故选B。 解析　由电磁波发射到接收到反射波历时200 μs，可算出此时飞机距雷达的距离为：L1＝eq \f(ct1,2)＝eq \f(3.0×108×200×10－6,2) m＝3.0×104 m，经4 s后，飞机距雷达的距离为：L2＝eq \f(ct2,2)＝eq \f(3.0×108×186×10－6,2) m＝2.79×104 m，故该飞机飞行的速度大小为： v＝eq \f(L1－L2,t)＝eq \f(0.21×104,4) m/s＝525 m/s。 解析　主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传播信息是需要时间的。 设同步卫星高度为h，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力得eq \f(GMm,(R＋h)2)＝meq \f(4π2,T2)(R＋h) 解得h＝eq \r(3,\f(GMT2,4π2))－R≈3.59×107 m 则一方讲话另一方听到所需的最少时间是 t＝eq \f(2h,c)≈0.24 s。 $$