第四章 2．电磁场与电磁波-【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（人教版2019）

2．电磁场与电磁波 【素养目标】　1．理解麦克斯韦的电磁场理论及电磁场概念，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．领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验体现的基于事实证据和科学推理进行检验的科学论证方法。 知识点一　电磁场 [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产生感应电场。 (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P76－P77完成下列填空) 1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设 (1)变化的磁场产生电场。 (2)变化的电场产生磁场。 2．电磁场 变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。 [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？产生的磁场一定是变化的吗？ (2)变化的磁场一定产生电场吗？产生的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)不可能。 (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 学生用书第114页 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。带电粒子在电场力的作用下可以产生加速度，使其沿管做圆周运动，B、C正确。 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)电磁场并非是简单地将电场、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1．关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　) A．在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场 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．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场 答案：D 解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知，变化的电场周围产生磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，故D正确。 针对练2．(多选)如图所示，每个选项中的上图表示磁场(或电场)的变化图像，下图表示其对应产生的电场(或磁场)的变化图像，根据麦克斯韦电磁场理论判断各组图像中对应正确的是(　　) 答案：BC 解析：题图A中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，周围空间不会产生电场，故A错误；题图B中的上图是均匀变化的电场，应该产生恒定的磁场，下图的磁场是恒定的，故B正确；题图C中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差，故C正确；题图D的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差π，故D错误。故选BC。 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A、B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P77—P78完成下列填空) 1．电磁波的产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。 2．电磁波的特点 (1)电磁波的传播，靠的是电和磁的相互“感应”，而不是靠介质的机械传递。 (2)电磁波在真空中的传播速度等于光速c，光是一种电磁波。 (3)电磁波在真空中传播时，电磁波的电场强度E与磁感应强度B互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直。 (4)电磁波能发生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。 学生用书第115页 (5)电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，电磁波的传播过程就是能量传播的过程。 3．赫兹的实验 (1)意义：实验证实了电磁波的存在。 (2)赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦的电磁场理论。 [问题探究]　请思考下列问题： (1)电磁波能在真空中传播吗？ (2)电磁波是横波还是纵波？ (3)电磁波在真空和介质中的传播速度相同吗？ 提示：(1)能　(2)横波　(3)不同　 2023年9月21日，神舟十六号航天员在中国空间站进行了“天宫课堂”第四课直播。直播期间航天员向全国青少年进行太空科普授课，直播画面通过电磁波传送到地面接收站。下列关于电磁波和声波的说法正确的是(　　) A．电磁波是横波，声波是纵波 B．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播 C．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 D．航天员讲话时画面能与声音同步，说明电磁波与声波具有相同的传播速度 答案：A 解析：电磁波的传播方向和振动方向垂直，是横波，声波的传播方向和振动方向平行，是纵波，故A正确；电磁波的传播不依赖介质，声波是机械波，只能在介质中传播，故B错误；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，故C错误；电磁波在真空中的传播速度为光速，声波在空气中的传播速度为340 m/s，两者差距很大，故D错误。故选A。 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．(多选)下列关于电磁波的叙述，正确的是(　　) A．电磁波是以波动的形式由发生区域向远处传播的电磁场 B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108 m/s C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短 D．电磁波也能产生干涉、衍射现象 答案：ACD 解析：电场、磁场相互激发并以波动的形式向外传播，形成电磁波，A正确；电磁波只有在真空中波速为3×108 m/s，在其他介质中波速均小于3×108 m/s，B错误；根据λ＝及电磁波从真空进入介质中时，频率不变，波速减小，可知电磁波从真空进入介质中时波长λ变短，故C正确；电磁波具有波的一切性质，能产生干涉和衍射现象，故D正确。 针对练2．(多选)关于机械波与电磁波的说法中正确的是(　　) A．机械波和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，而且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：机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生，它们本质上不一致，故A错误；机械波传播需要介质，波速由介质决定，电磁波的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、干涉和衍射现象，故B、C、D正确。 学生用书第116页 1．(粤教版选择性必修第二册·P102·T1改编)下列是一些磁场的磁感应强度B随时间t变化的图像，能在磁场周围产生稳定的电场的是(　　) 答案：B 解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知，题图A、C中磁场不能在其周围产生电场，题图B中磁场能在其周围产生稳定的电场，题图D中磁场能在其周围产生变化的电场，故选B。 2．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，变化的电场产生磁场，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。 3．(多选)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电磁波的频率无关 B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度方向、磁感应强度方向均平行 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 答案：AB 解析：电磁波在真空中的传播速度等于光速，与频率无关，A正确；电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的，B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，C错误；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误。 4．(多选)某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中正确的是(　　) A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用 B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象 C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播 D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波 答案：ABC 解析：机械波和电磁波有相同之处，也有本质区别，但v＝λf都适用，A正确；机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象，B正确；机械波的传播依赖于介质，电磁波可以在真空中传播，C正确；机械波有横波和纵波，而电磁波是横波，D错误。 课时测评20　电磁场与电磁波 (时间：30分钟　满分：70分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (选择题1－14题，每题5分，共70分) 1．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．均匀变化的电场周围空间一定产生均匀变化的磁场 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：D 解析：根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，由磁场产生电场同样遵循上述规律，只有选项D正确。 2．根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是(　　) A．变化的电场一定能产生磁场 B．变化的磁场一定能产生变化的电场 C．恒定的电场一定能产生恒定的磁场 D．恒定的磁场一定能产生恒定的电场 答案：A 解析：变化的电场一定能产生磁场(不一定是变化的)，变化的磁场一定能产生电场(不一定是变化的)，A正确，B错误；恒定的电(磁)场，不能产生磁(电)场，C、D错误。 3．如图是我国500 m口径球面射电望远镜(FAST)，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．麦克斯韦通过实验捕捉到电磁波 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，所以A错误；赫兹是最早用实验证实电磁波存在、证明麦克斯韦电磁场理论的科学家，所以B错误；频率越高的电磁波，波长越短，所以C错误；电磁波可以传递信息和能量，所以D正确。故选D。 4．(多选)电磁波与机械波相比较，下列说法正确的是(　　) A．电磁波和机械波传播都不需要介质 B．电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质 C．电磁波在任何介质中传播速度都相同，机械波的速度大小取决于介质 D．机械波有横波、纵波，而电磁波只有横波 答案：BD 解析：电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质，A错误，B正确；不同频率的机械波在同一种介质中传播速度相同(例如男女声大合唱)，不同频率的电磁波在同一种介质中传播速度不同(例如光的色散)，C错误；由二者的特性可知D正确。 5．某型号手机可直接拨打卫星电话，则此型号手机信号上传到卫星接收器的速度约为(　　) A．4×10－5 m/s B．4×10－4 m/s C．3×108 m/s D．3×107 m/s 答案：C 解析：该型号手机信号是以电磁波上传到卫星接收器，速度接近光速c＝3×108m/s，故选C。 6．(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线，这可能是(　　) A．沿AB方向的磁场在逐渐减弱 B．沿AB方向的磁场在逐渐增强 C．沿BA方向的磁场在逐渐增强 D．沿BA方向的磁场在逐渐减弱 答案：AC 解析：根据安培定则可知感应电场产生的磁场方向竖直向下，根据麦克斯韦电磁场理论可知磁场一定是变化的。若有沿AB方向的磁场，与感应磁场方向相同，则磁场正逐渐减弱；若有沿BA方向的磁场，与感应磁场方向相反，则磁场正逐渐增强，故A、C正确，B、D错误。 7．(多选)关于电磁波与声波的比较，下列说法正确的是(　　) A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B．由空气进入玻璃时，电磁波速度变小，声波速度变大 C．由空气进入玻璃时，电磁波波长变小，声波波长变大 D．电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的，与频率无关 答案：ABC 解析：选项A、B说法均与事实相符，故选项A、B正确；由空气进入玻璃时，根据λ＝，电磁波波速变小，频率不变，则波长变小，声波速度变大，频率不变，则波长变大，故选项C正确；电磁波在介质中的传播速度与介质有关，也与频率有关，故选项D错误。 8．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是(　　) A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播 B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s C．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短 D．电磁波具有波的一切特征 答案：ACD 解析：由电磁波的定义可知A正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度才为3×108 m/s，故B错误；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf可知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以电磁波由真空进入介质传播时，波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故D正确。 9．(多选)利用电磁波，天文学家不仅可以用眼睛“看”宇宙，也可以用耳朵“听”宇宙。下列说法正确的是(　　) A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在 B．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同 C．水波、声波、电磁波都可以在真空中传播 D．麦克斯韦认为变化的磁场能够产生电场 答案：AD 解析：麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，故A正确；太阳光中的可见光是电磁波，医院“B超”中的超声波是声波，这两种波的波速不同，故B错误；水波和声波传播需要介质，不可以在真空中传播，而电磁波可以在真空中传播，故C错误；麦克斯韦电磁场理论认为变化的磁场产生电场，变化的电场可以产生磁场，故D正确。故选AD。 10．5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一是具有超高速的数据传输速率。5G信号一般采用3.3×109 Hz～6×109 Hz频段的无线电波，而第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109 Hz～2.64×109 Hz，则(　　) A．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快 B．5G信号是横波，4G信号是纵波 C．空间中的5G信号和4G信号会产生干涉现象 D．5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站 答案：D 解析：任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，故5G信号与4G信号所用的无线电波在真空中的传播速度相同，故A错误；5G信号与4G信号都是电磁波，都为横波，故B错误；5G信号和4G信号的频率不一样，不能发生干涉现象，故C错误；5G信号的频率更高，则波长更小，故5G信号更不容易发生明显的衍射现象，因此5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站，故D正确。 11．某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，不能产生磁场的电场是(　　) 答案：A 解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，稳定的电场不能产生磁场，可知A不能产生磁场，B、C、D可以产生磁场。 12．如图甲所示，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路里产生了感应电流；如图乙所示，空间存在变化的磁场，其周围产生感应电场，下列说法正确的是(　　) A．甲、乙两图一定能持续产生电磁波 B．对甲图，从上向下看，电子在回路中沿顺时针方向运动 C．闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，即使没有闭合电路空间仍能产生电场 D．变化的电场周围产生磁场，与闭合电路是否存在有关 答案：C 解析：若题图甲、乙的磁场均匀变化，就会产生稳定不变的电场，稳定不变的电场不会产生磁场，就不会持续产生电磁波，故A错误；对题图甲，从上向下看，感应电流沿顺时针方向，则电子在回路中沿逆时针方向运动，故B错误；变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，题图甲的闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，题图乙即使没有闭合电路空间仍能产生电场，故C正确；同理，变化的电场周围产生磁场也是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，D错误。 13．如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环内径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球带的电荷量不变，那么(　　) A．小球对玻璃环侧壁的压力不断增大 B．小球受到的磁场力不断增大 C．小球先沿逆时针方向做加速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做减速运动 D．磁场力对小球一直不做功 答案：D 解析：磁感应强度竖直向上，B随时间成正比例增加，由楞次定律和安培定则可知，变化的磁场产生的感生电场沿顺时针方向(从上向下看)。小球带正电，则小球所受电场力沿顺时针方向，与小球的运动方向相反，小球做减速运动，玻璃环侧壁对小球的弹力FN和小球受到的磁场力的合力提供小球做圆运动的向心力，则m＝FN－qvB，B变大，v变小，可知磁场力的变化无法确定，FN的变化无法确定；当小球速度减小到零后，小球反向运动，即沿顺时针方向加速运动，速度不断增加，则m＝FN＋qvB，B、v均变大，可知磁场力变大，FN的变化无法确定。根据牛顿第三定律可知，小球对玻璃环侧壁的压力无法确定，A、B、C错误；洛伦兹力永不做功，D正确。 14．(多选)(2023·北京海淀区高二期末)麦克斯韦在前人研究的基础上，创造性地建立了经典电磁场理论，进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例：圆形平行板电容器在充、放电的过程中，板间电场发生变化，产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向如图中所示，则下列说法正确的是(　　) A．两平行板间的电场正在增强 B．该变化电场产生逆时针方向(俯视)的磁场 C．该变化电场产生的磁场越来越弱 D．电路中的电流正比于板间的电场强度的大小 答案：CD 解析：由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电，下极板带正电，电流是由下极板通过电阻R流向上极板，故电容器正在放电，电容器的电荷量正在减少，两平行板间的电压减小，其中的电场正在减弱，故A错误；由题意可知产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场，由安培定则可知，产生的磁场为顺时针方向(俯视)，故B错误；两平行板间的电压减小，由欧姆定律可知，通过电阻R的电流减小，由题意，产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场，故该变化电场产生的磁场越来越弱，故C正确；设电容器的电压为U，板间距离为d，板间电场强度的大小为E，则有E＝，而电路中的电流为I＝＝，可知电路中的电流正比于板间电场强度的大小，故D正确。故选CD。 学科网（北京）股份有限公司 $$