第四章 2-3 电磁波 电磁波谱-【金版新学案】2024-2025学年新教材高二物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书word（教科版2019）

2．电磁波 3．电磁波谱 【素养目标】　1.建立电磁场概念，理解电磁场形成的原理。　2.正确理解电磁波的特点及电磁波的产生过程。　3.领会在发现电磁波过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验基于事实证据和科学推理进行检验的科学论证方法。　4.通过学习电磁波谱，认识各类电磁波的频率和波长的变化规律。　5.根据各类电磁波的特点，分析其在现实生活中的应用。 知识点一　麦克斯韦电磁理论的两个基本假设 [情境导学]　 如图所示，一个接有电流表的闭合回路，如果穿过回路的磁场是变化的，则发现电流表指针发生了偏转。 (1)电流表指针发生了偏转说明了什么？其根本原因是什么？ (2)如果穿过回路的磁场是恒定的，电流表指针是否会发生偏转？其根本原因是什么？ (3)由(1)(2)的结果你会得到什么结论？ 提示：(1)电流表指针发生了偏转说明有感应电流，其根本原因是回路中产生了感应电场，如图所示。 (2)如果穿过回路的磁场是恒定的，电流表指针不会发生偏转，其根本原因是回路中没有感应电场。 (3)由(1)(2)的结果说明变化的磁场可以产生电场，恒定的磁场不能产生电场。 (阅读教材P87－P89完成下列填空) 1．变化的磁场能够在周围空间产生电场。 (1)磁场随时间变化越快，产生的电场越强。 (2)磁场随时间的变化不均匀时，产生变化的电场。 (3)稳定的磁场周围不产生电场。 2．变化的电场能够在周围空间产生磁场。 (1)电场随时间变化越快，产生的磁场越强。 (2)电场随时间的变化不均匀时，产生变化的磁场。 (3)稳定的电场周围不产生磁场。 3．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，称为电磁场。 [问题探究]　根据麦克斯韦的电磁场理论，请思考： (1)变化的电场一定产生磁场吗？产生磁场一定是变化的吗？ (2)变化的磁场一定产生电场吗？产生电场一定是变化的吗？ (3)恒定的电场(或磁场)可能会产生磁场(或电场)吗？ 提示：(1)一定；不一定。(2)一定；不一定。(3)不能。 关于电磁场理论，下列描述正确的是(　　) A．周期性变化的电场周围空间一定产生周期性变化的磁场 B．静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场 C．稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场 D．均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 答案：A 解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的电场，产生稳定的磁场，非均匀变化的电场，产生变化的磁场，周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场，而静止的电荷周围的电场是稳定的，不产生磁场，故A正确，B、D错误；稳定的磁场周围没有电场产生，故C错误。 学生用书↓第115页 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 变化的磁场产生电场 (1)均匀变化的磁场→恒定的电场。 (2)非均匀变化的磁场→变化的电场。 (3)周期性变化的磁场→同频率的周期性变化的电场。 变化的电场产生磁场 (1)均匀变化的电场→恒定的磁场。 (2)非均匀变化的电场→变化的磁场。 (3)周期性变化的电场→同频率的周期性变化的磁场。 2.对电磁场的理解 (1)电磁场的产生：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，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场一环套一环，如图所示。 　　 (2)电磁场并非简单地将电场、磁场相加，而是相互联系、不可分割的统一整体。在电磁场示意图中，电场E(矢量)和磁场B(矢量)，在空间相互激发时，相互垂直，以光速c在真空中传播。 针对练．(多选)如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R；有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中。要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是(　　) A．匀强磁场 B．均匀增加的磁场 C．均匀减少的磁场 D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子运动 答案：BC 解析：恒定的磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用。带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，使其沿管做圆周运动，B、C正确。 知识点二　电磁波 [情境导学]　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。 (1)这个现象的原因是什么？ (2)这个实验证实了什么问题？ 提示：(1)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。 (2)这个实验证实了电磁波的存在。 (阅读教材P89－P91完成下列填空) 1．电磁波 (1)电磁波的产生：变化的电磁场在空间中的传播形成了电磁波。 (2)电磁波的特点 ①电磁波是电磁场的传播，传播过程不需要介质，可以在真空中传播。 ②电磁波的电场和磁场的方向都与传播方向垂直，所以电磁波是横波。 ③电磁波传播的过程中频率不变，始终与振荡电路的频率相同。 ④电磁波在真空中的波速等于光速c。 2．赫兹实验证实了电磁波的存在 (1)赫兹用实验证实了电磁波的存在，测定电磁波的波长和频率，得到了电磁波的传播速度，证实了其速度等于光速。 (2)赫兹还证明电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射等现象，证实了麦克斯韦的电磁场理论。 3．麦克斯韦理论在物理学发展史上的意义 (1)麦克斯韦在两个基本假设的基础上，建立了电磁 学生用书↓第116页 场方程，预言了电磁波的存在，把电磁学发展成为完整的、优美的理论体系，统一了人们对电磁和光现象的认识，为电和磁的利用奠定了理论基础。 (2)从麦克斯韦开始，人们认识到场是物质存在的一种基本形式，它是客观存在的，这大大扩展了人们对自然界的认识和对整个自然科学的视野。 (3)麦克斯韦理论中的一个重要结论是光在真空中的速率是一个常量，与参考系无关。爱因斯坦根据这一结论提出了光速不变原理，建立了狭义相对论。狭义相对论与量子理论一起开创了现代物理学的新纪元。 (多选)以下关于机械波与电磁波的说法中正确的是(　　) A．机械波与电磁波本质上是一致的 B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，还与电磁波的频率有关 C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波 D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 答案：BCD 解析：机械波由机械振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波传播需要介质，速度由介质决定，电磁波在介质中传播时其波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波；它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故B、C、D正确。 1．电磁波的波速、波长及频率之间的关系 (1)真空中：c＝λf。 (2)介质中：v＝λ′f。 注意：①真空中，所有电磁波的波速都等于c，与电磁波的频率无关。 ②电磁波在介质中的波速v一定小于真空中的波速c。 2．电磁波与机械波的比较 项目 机械波 电磁波 研究对象 力学现象 电磁现象 周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化 传播情况 传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关 传播无需介质，在真空中波速等于光速c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关 产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡激发 是横波还是纵波 可能是横波，也可能是纵波 横波 反射、折射、干涉和衍射 都可以发生反射、折射、干涉和衍射 针对练1.电磁波的发现和使用带来了通信技术的发展。在以下磁感应强度B随时间t变化的磁场中，能产生电磁波的是(　　) 答案：A 解析： 根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以激发电场，变化的电场可以激发磁场，均匀变化的磁场 产生恒定电场，均匀变化的电场产生恒定磁场，所以周期性连续变化的磁场，激发周期性连续变化的电场，进而产生连续电磁波，故选A。 针对练2. 2022年10月12日，神舟十四号航天员面向广大青少年进行太空授课，此次太空授课是基于我国天链中继系统，通过电磁波实现了高速双向音、视频传输。下列有关电磁波的说法正确的是(　　) A．可见光不属于电磁波 B．电磁波的传播需要介质 C．电磁波不是物质，看不见也摸不着 D．电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场 答案：D 解析： 可见光属于电磁波，A错误；电磁波的传播不需要介质，B错误；电磁波看不见也摸不着，但电磁波是物质，C错误；电磁波本质是在空间中传播的变化的电磁场，D正确。 针对练3.有关电磁波和声波，下列说法错误的是(　　) A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大 C．电磁波是横波，声波也是横波 D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长 答案：C 解析： 电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中的大，B正确；电磁波的传播方向与电场、磁场的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，D正确。 学生用书↓第117页 知识点三　电磁波谱 [情境导学]　 紫外线波段的太阳图像与我们常见的太阳大不相同，通过这些图像可以观察到被可见光模糊或者遮挡的日冕等太阳活动。你知道左右哪幅图像是紫外线波段的太阳图像吗？除了可见光和紫外线，你还知道太阳能发出哪些波段的电磁波吗？ 提示：左面那幅是紫外线波段的太阳图像；除了可见光和紫外线，还有红外线和少量的X射线和γ射线。 (阅读教材P91－P94完成下列填空) 1．电磁波谱：把无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，按波长(或频率)排列起来，就形成了电磁波谱。 2．不同电磁波的特点及应用 － 特点 用途 可见光 感光性强 照明、引起视觉等 无线电波 波动性强 通信、导航、广播、电报、电视、雷达 红外线 热作用强 加热、遥控、红外遥感等 紫外线 化学作用荧光效应 杀菌消毒、荧光效应、促进人体合成维生素D X射线 穿透力强 检查工件、透视人体 γ射线 穿透力最强 工业探伤、治疗疾病 [问题探究]　(1)无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来便构成了范围非常广阔的电磁波谱。如图是按波长由大到小(频率由小到大)顺序排列的电磁波谱。电磁波谱中的各部分有没有严格的分界线？ (2)如图所示的四种常见用电器和仪器都利用了电磁波，你知道它们分别利用了哪种电磁波吗？ 提示：(1)没有。 (2)甲图中的手机利用的是无线电波；乙图中的测温仪利用的是红外线；丙图中的消毒柜利用的是紫外线；丁图中的“CT”机利用的是X射线。 角度一　电磁波谱的排列顺序 (2022·上海市建平中学高二期末)下列各组电磁波，按波长由长到短的正确排列是(　　) A．γ射线、红外线、紫外线、可见光 B．红外线、可见光、紫外线、γ射线 C．可见光、红外线、紫外线、γ射线 D．紫外线、可见光、红外线、γ射线 答案：B 解析：在电磁波谱中，电磁波的波长由长到短排列顺序依次是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，故B正确。 学生用书↓第118页 角度二　各种电磁波的应用 (2023·湖州高二期末)关于生活中遇到的各种电磁波，下列说法正确的是 (　　) A．医院里”CT”机使用的电磁波是γ射线，它具有较强的穿透能力 B．紫外线常用于卫星通信、电视等信号的传输，它还可用于消毒 C．”浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，它具有显著的热效应 D．X射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症 答案：C 解析：医院里“CT”机使用的电磁波是X射线，利用X射线能够穿透物质，来检查人体的内部器官，故A错误；微波常用于卫星通信、电视等信号的传输，紫外线用于消毒，故B错误；“浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，利用红外线的热效应进行取暖，故C正确；γ射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症，故D错误。 1．无线电波的特点及应用 波段 波长/m 频率/MHz 传播方式 主要用途 长波 30 000～ 3 000 0.01～0.1 地波 广播、 导航 中波 3 000～ 200 0.1～1.5 地波和 天波 中短波 200～50 1.5～6 天波 调幅广播、 导航 短波 50～10 6～30 微波 米波 10～1 30～300 近似直 线传播 调频广播、 电视、导航 分米波 1～0.1 300～3 000 直线 传播 电视、 雷达、 导航、 移动通信、 射电天文 厘米波 0.1～ 0．01 3 000～ 30 000 毫米波 0.01～ 0．001 30 000～ 300 000 2.各种电磁波的特点及应用 电磁波 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 频率 由左向右，频率由小到大 真空中的波长 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 通讯、 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、预防 佝偻病等 检查、 探测、 透视、 治疗 探测、 治疗 针对练1.(多选)电磁波广泛应用在现代医疗中。下列属于电磁波应用的医用器械有 (　　) A．杀菌用的紫外灯 B．拍胸片的X光机 C．治疗咽喉炎的超声波雾化器 D．检查血流情况的“彩超”机 答案：AB 解析：紫外线和X光从本质上说都是电磁波，A、B正确；治疗咽喉炎的超声波雾化器和检查血流情况的”彩超”机用的都是超声波，超声波属于机械波，C、D错误。 针对练2.下列关于电磁波谱的说法正确的是(　　) A．夏天太阳把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的 B．利用雷达测出发射微波脉冲与接收到脉冲的时间间隔可以确定雷达与目标的距离 C．验钞机验钞票真伪利用了红外线的荧光效应 D．相同条件下，电磁波谱中最难发生衍射的是X射线 答案：B 解析：在各种电磁波中热效应最强的是红外线，故A错误；雷达是利用发射微波脉冲和接收脉冲的时间间隔来测距的，故B正确；验钞机利用的是紫外线的荧光效应，故C错误；电磁波谱中比X射线波长短的γ射线更难发生衍射，故D错误。 1．(多选)(选自沪科版新教材课后练习)根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时，可能是(　　) A．向上方向的磁场在增强 B．向上方向的磁场在减弱 C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱 D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强 答案：AC 解析：变化的磁场产生电场，向上的磁场增强时，感应电流的磁场方向向下，阻碍原磁场的增强，根据安培定则可判断出感应电流方向，如图中E的方向所示，A正确，B错误；同理，当磁场反向且向下磁场减弱时，也会得到题图中电场的方向，C正确，D错误。 2．(2023·江苏扬州期中)我国研制的某种预警机上装备有多功能三坐标多普勒脉冲雷达，可进行全向探测，主要用于发现和跟踪空中与水面目标，工作频率为1.2×109～1.4×109 Hz。对空中目标的最远探测距离为470 km，雷达系统可同时跟踪60～100个空中目标，并对10架飞机实施引导。下列说法正确的是(　　) 学生用书↓第119页 A．脉冲雷达采用的是X射线 B．预警机高速飞行时，发射的脉冲信号传播速率可能大于光在真空中的传播速率 C．脉冲雷达采用的是微波 D．雷达发射的电磁波穿透力强，可用来检查金属内部伤痕 答案：C 解析：脉冲雷达是利用微波测速、测距的，脉冲信号在真空中的传播速率等于光在真空中的传播速率，在其他介质中的传播速率小于光在真空中的传播速率，选项A、B错误，C正确；雷达发射的电磁波是微波，穿透力弱，不能用来检查金属内部伤痕，选项D错误。 3．(2022·绵阳南山中学期末)关于电磁场理论和电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波是纵波 B．电磁波的传播不需要介质 C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在 答案：B 解析：由电磁波产生的原理可知，电磁波是横波，A错误；电磁波的传播不需要介质，B正确；均匀变化的电场产生恒定的磁场，C错误；麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，D错误。 4．(人教版教材习题)雷达站正在跟踪一架飞机，此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来。某一时刻雷达发出一个无线电脉冲，经200 μs后收到反射波；隔0.8 s后再发出一个脉冲，经198 μs 收到反射波。求飞机的飞行速度大小。 答案：375 m/s 解析：由于c≫v，故可以不考虑电磁波传播过程中飞机的位移。设雷达两次发射电磁波时飞机分别位于距离雷达s1、s2处，则2s1＝ct1，2s2＝ct2。所以Δs＝s1－s2＝c(t1－t2)＝×3.0×108×(200－198)×10－6 m＝300 m，则v＝＝ m/s＝375 m/s。 课时测评20　电磁波　电磁波谱 (时间：30分钟　满分：30分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (选择题1－5题，每题4分，6、7题，每题5分，共30分) 1.下列说法中正确的是 (　　) A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场 B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场 答案：C 解析：根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场，故选C。 2．(2023·河南高二联考期末)英国物理学家麦子斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。应用麦克斯韦的电磁场理论判断，如图表示四种电场(磁场)随时间变化的图像中，能产生恒定的磁场(电场)的是 (　　) 答案：B 解析：A图中电场不变，则不会产生磁场，A错误；B图中是均匀变化的电场，产生稳定的磁场，B正确；C图中电场随时间发生非均匀变化，则会产生变化的磁场，C错误；D中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故D错误。 3．关于电磁波，下列叙述中正确的是 (　　) A．电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速 B．电磁波可以发生衍射现象 C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播 D．随着科技的发展，可以实现利用机械波从太空向地球传递信息 答案：B 解析：电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波，能够发生衍射、干涉等波特有的现象，故B正确；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，不能在真空中传播，故C、D错误。 4．(2023·本溪高二开学考试)2022年7月1日，庆祝香港回归祖国25周年大会隆重举行，世界各地观众都能收看到大会实况，是因为电视信号可通过卫星覆盖全球。关于电磁波，下列说法正确的是 (　　) A．电磁波在真空中的传播速度与频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大 B．当电磁波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失 C．电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号 D．香港电视台与沈阳电视台发射的电磁波的频率不同，故传播速度不同 答案：B 解析：电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率、能量无关，A错误；一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，B正确；电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，C错误；香港电视台与沈阳电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同，D错误。 5．(2023·四川成都期中)我国500 m口径球面射电望远镜(FAST)如图所示，它可以接收来自宇宙深处的电磁波。关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波是纵波 B．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波 C．频率越高的电磁波，波长越长 D．电磁波可以传递信息和能量 答案：D 解析：电磁波是横波，A错误；只有周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波，B错误；由c＝λf知，频率越高的电磁波，波长越短，C错误；电磁波可以传递信息和能量，D正确。 6．(2023·江西上饶统考期末)无线电波可以用于广播及其他信号的传输。无线电波的波长从几毫米到几十千米。通常根据波长把无线电波分成长波、中波、短波和微波。以下关于无线电波的说法正确的是 (　　) A．长波的波长长，频率也高 B．微波的波长短，频率也低 C．无论长波、中波、短波和微波，它们在真空中的传播速度均相同 D．在真空中长波的传播速度最大 答案：C 解析：长波的波长长、频率低，微波的波长短、频率高，故A、B错误；无论长波、中波、短波和微波，它们在真空中的传播速度均相同，等于光速c，故C正确，D错误。 7．(多选)(2023·黄冈高二期末)红外测温门使用了一种传感器，当它感应到有人走近时会自动对人测温，如果体温低于37.3 ℃ 门会自动打开。下列说法中正确的是(　　) A．当人的体温低于37.3℃ 时不会向外辐射红外线 B．人的体温越高，测温门测量时接收到的红外线辐射越强 C．该测温门感应到的人体辐射的红外线比可见光的波长短 D．该测温门感应到的人体辐射的红外线比X射线的频率低 答案：BD 解析：当人体温度低于37.3 ℃时也会向外辐射红外线，故A错误；温度越高，红外线辐射越强，即人的体温越高，测温门测量时接收到的红外线辐射越强，故B正确；红外线的波长比可见光的长，频率比X射线的频率低，故C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$