4 4.电磁波的发现及其应用 5.微观世界的量子化-【金版新学案】2024-2025学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

4.电磁波的发现及其应用　5.微观世界的量子化 【素养目标】　1.知道麦克斯韦电磁场理论，理解麦克斯韦电磁场理论的两个要点。2.了解电磁波的形成及其特点。3.知道能量量子化的含义和能级的概念。 知识点一　电磁场 [情境导学]　根据安培定则，我们知道了电流产生磁场的规律，那变化的电场可以产生磁场吗？根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场在闭合回路中可以产生电流，那变化的磁场可以产生电场吗？预言这一规律的科学家是哪一位？ 提示：可以；可以；麦克斯韦。 (阅读教材P132－P133完成下列填空) 1．变化的磁场产生电场 (1)在变化的磁场中如果有闭合的回路，由于磁通量的变化产生了感应电流，表明变化的磁场产生了电场。 (2)变化的磁场中如果没有闭合回路，也同样会在空间产生电场。 (3)电场可由两种方式产生：电荷或变化的磁场。 2．变化的电场产生磁场：如果在空间有变化的电场，那么这个变化的电场也会产生磁场。 3．电磁场：周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。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]　如图所示，在变化的磁场中放置一个闭合线圈。 (1)你能观察到什么现象？ (2)这种现象说明了什么？ (3)如果该磁场为正弦规律变化的磁场，灵敏电流计会发生怎样的变化？为什么？电流周围又产生怎样的磁场？ 提示：(1)灵敏电流计的指针发生偏转，有电流产生。 (2)变化的磁场产生了电场，使闭合线圈的自由电荷发生定向运动而形成了电流。 (3)灵敏电流计的指针来回快速摆动；因为正弦变化的磁场产生同频率变化的电场，形成同频率变化的电流；电流的周围也会产生同频率变化的磁场。 关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　) A．在电场周围一定产生磁场，变化的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：要注意电场或磁场是如何变化的，变化规律不同，产生磁场的特点也不同。根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，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，周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场，D正确。 对麦克斯韦电磁场理论的理解 恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场 周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场 学生用书↓第132页 针对练1.下列关于电磁场的说法正确的是(　　) A．电磁场的本质是电场 B．电磁场的本质是磁场 C．电磁场是电场和磁场的统称 D．电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体 答案：D 解析：电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体，D正确。 针对练2.如图是穿过某一固定面的磁通量的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是(　　) A．逐渐增强 B．逐渐减弱 C．不变 D．无法确定 答案：C 解析：由题图可知磁通量Φ随时间t均匀变化，而Φ＝BS，所以磁场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知，C正确。知识点二　电磁波和电磁波谱 [情境导学]　中国“北斗”导航可以时刻告知车行驶过程的具体位置、车速，手机可以使两个人随时保持联系等，这一切都是依靠什么的作用？ 提示：电磁波。 (阅读教材P133－P137完成下列填空) 1．电磁波：由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。 2．科学研究：德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，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。 3．波速、波长、频率三者之间的关系：c＝λf，其中c＝3.0×108 m/s。 4．电磁波谱 (1)概念：按电磁波的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)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 5．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，这种清洁能源，被我们通过不同装置转化为电能或内能。 (2)生活中利用电磁波的能量：如微波炉。 (3)军事上利用电磁波的能量：如微波定向能武器、激光武器等。 [问题探究]　我们身边到处都有电磁波的影子，它的应用更是比比皆是。 (1)下面列出的设备在工作时所发出的波，哪些属于电磁波？①中国“天眼”探测遥远天体发出的波。②电视机遥控器发出的波。③医院里B超机发出的波。④医院里CT机工作时发出的波。 (2)电磁波在真空中的传播速度是多少？ (3)以上波中的电磁波各属于电磁波谱中的什么波段？其频率有何关系？ 提示：(1)①②④中的波为电磁波；③中的波为机械波。(2)传播速度是c＝3×108 m/s。(3)①中的波为无线电波；②中的波为红外线；④中的波为X射线。其频率关系为①<②<④。 角度1　对电磁波的理解 (多选)下列关于电磁波的叙述中，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 学生用书↓第133页 C.电磁波由真空进入介质中传播时，波长将变短 D．电磁波由真空进入介质中传播时，频率将变大 答案：AC 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才为3×108 m/s，在其他介质中波速均小于3×108 m/s，B错误；电磁波从真空进入介质中，频率不变，波速减小，根据λ＝知，波长λ减小，故C正确，D错误。 电磁波的特点 1．在传播方向上，任意一点的E和B都随时间周期性变化，E和B相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直，如图所示。 2．电磁波可以在真空中传播，电磁波在真空中的传播速度等于光速(c＝3×108 m/s)。 3．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。 4．只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。 5．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。 针对练．(多选)关于电磁波，下列说法中正确的是(　　) A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波 B．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在 C．电磁波和机械波都依赖于介质才能传播 D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的 答案：BD 解析：要想产生电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在，B正确；电磁波可以在真空中传播，C错误；电磁波具有能量，电磁波的传播过程，也就是能量的传播过程，D正确。 角度2　电磁波谱 关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波 C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同 D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同 答案：B 解析：声波、电磁波都能传递能量和信息，A错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，声波是机械波，波速不同，C错误；红外线波长比X射线波长长，D错误。 (多选)电磁波按波长大小的顺序把它们排列成电磁波谱，如图所示，由电磁波谱可知(　　) A．微波是不可见光 B．红外线可以灭菌消毒 C．紫外线的波长比红外线长 D．X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构 答案：AD 解析：微波是不可见光，A正确；红外线有热效应，紫外线可以灭菌消毒，B错误；紫外线的波长比红外线短，C错误；X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构，D正确。 1．各种不同的电磁波既有共性，又有个性 (1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都满足公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间的区别并没有绝对的意义。 (2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。 2．电磁波谱及其应用 波谱 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 主要 应用 通信、 广播 红外探 测器、 红外体 温计 引起 视觉 灭菌、 消毒、 防伪 医学透 视、安 检 治疗疾 病、金 属探伤 针对练．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．过强的紫外线照射能促进维生素D的合成，从而有利于人体健康 C．电磁波中频率最大的是γ射线，医院常用它来给病房消毒 D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光 答案：D 解析：X射线有较强的穿透本领，常用于医学上透视人体，但红外线穿透能力很弱，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是γ射线，但医院中给病房消毒用的是紫外线，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学效应，可以使感光底片感光，D正确。 学生用书↓第134页 知识点三　波粒二象性　能量量子化 (阅读教材P138－P140完成下列填空) 1．波粒二象性 (1)对光的本性的认识 ①在17世纪，牛顿主张微粒说，即光是很小的高速运动的粒子流。 ②惠更斯认为光是一种波，光的干涉和衍射现象说明光是一种波。 ③麦克斯韦进一步说明光是一种电磁波。 ④光电效应现象证明了光具有粒子性，爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说。 (2)光子说 爱因斯坦认为，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子。 (3)波粒二象性 ①光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，可以说光既是电磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性”的电磁性物质。 ②光子的特性：光子的静止质量为零，也不带电，它只能以光速运动，它是一份一份的，但具有波长和频率。 ③实物粒子的波粒二象性 实验证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性。宏观物体的波动性我们检测不到。 2．能量量子化 (1)能级：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些不连续的、量子化的能量值叫作能级。 (2)能级跃迁：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的状态。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级的能量差。 角度1　对波粒二象性的理解 (多选)关于光的本性，下列说法中正确的是(　　) A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性 B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性 D．光电效应说明光具有粒子性 答案：CD 解析：光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒。某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象。某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象。要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系。故C、D正确，A、B错误。 1．光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著。大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著。 2．只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现。光的波动性和粒子性是统一的。　　 学生用书↓第135页 针对练．下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子与电子是同样的一种粒子 C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D．大量光子的行为往往显示出粒子性 答案：C 解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著，故C正确，A、B、D错误。 角度2　对能量量子化的理解 (多选)(2024·河南平顶山高二检测)有关氢原子光谱的说法正确的是(　　) A．氢原子的发射光谱是连续谱 B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光 C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的 D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关 答案：BC 解析：氢原子的发射光谱是一些分立的亮线，A错误；氢原子光谱说明：氢原子只能发出特定频率的光，氢原子能级是分立的，B、C正确；氢原子发射出的光子能量由前、后两个能级的能量差决定，D错误。 1．能量的量子化 在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的，即相邻两个值之间有一定距离。 2．能级 (1)原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫作能级。 (2)原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差。 (3)放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱是一些分立的亮线。 针对练1.对于带电微粒在辐射和吸收能量时的特点，以下说法不正确的是(　　) A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收 B．辐射或吸收的能量是某一最小值的整数倍 C．吸收的能量可以是连续的 D．辐射或吸收的能量是量子化的 答案：C 解析：根据能量量子化的理论，带电微粒辐射或吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，故A、B正确；带电粒子辐射或吸收的能量不是连续的，是量子化的，故C错误，D正确。 针对练2.某激光器发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每秒发射的光量子数为(　　) A.　 B．　 　C. D．λPhc 答案：A 解析：每个光子的能量E＝hν＝，每秒钟发光的总能量为P，则n＝＝。故选A。 1．(鲁科版教材P163T1改编)普朗克在1900年提出了量子假说，开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中，具有量子化特征的是(　　) A．人的个数 B．物体所受的重力 C．物体的动能 D．物体运动的距离 答案：A 解析：在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化，如重力、动能、距离等。但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定，这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化，如人的个数，只能是量子化的。故选A。 2．(多选)(鲁科版教材P163T2改编)下列说法正确的是(　　) A．在微观世界，物体的能量是连续变化的 B．光子的能量ε＝hν C．光既具有波动特性，又具有粒子特性 D．不论是宏观物体还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 答案：BC 解析：在微观世界，物体的能量是不连续变化的，A错误；光子的能量ε＝hν，B正确；光既具有波动特性，又具有粒子特性，即波粒二象性，C正确；经典力学适用于宏观物体，量子力学适用于微观物体，D错误。 3．(鲁科版教材P166T1改编)下列关于电磁场和电磁波的叙述中，不正确的是(　　) A．电磁场是相互联系在一起的变化的电场和变化的磁场 B．交替变化的电磁场传播出去形成了电磁波 C．太空舱外航天员与舱内航天员的通话利用了电磁波 D．所有雷达都是利用目标发射的电磁波来对目标进行定位的 答案：D 解析：变化的电场和变化的磁场是相互联系的，它们统称为电磁场，故A正确；周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场，故周期性变化的电磁场由近及远地向周围传播就形成了电磁波；故B正确；太空中由于没有传播声音的介质，故声音不能在真空中传播，所以宇航员要进行对话需借助电子通信设备进行交流，即电磁波，故C正确；雷达是利用自身发射的电磁波来对目标进行定位的，还可以运用多普勒效应测量速度，故D错误。 4．(多选)(2024·北京四中高二期中)5G网络使用的无 学生用书↓第136页 线电波通信频率在3.0 GHz以上的超高频段和极高频段(如图所示)，比4G及以下网络(通信频率在0.3 GHz～3.0 GHz间的特高频段)拥有更大的带宽和更快的传输速率。5G网络的传输速率(指单位时间传送的数据量大小)可达10 Gbps(bps为bits per second的英语缩写，即比特率、比特/秒)，是4G网络的50～100倍。关于5G网络使用的无线电波，下列说法正确的是(　　) A．在真空中的传播速度更快 B．在真空中的波长更长 C．无线电波是一种具有能量的物质 D．频率更高，相同时间传递的信息量更大 答案：CD 解析：无线电波(电磁波)在真空中的传播速度与光速相同，保持不变，其速度与频率没有关系，故A错误；由公式c＝λf可知λ＝，频率变大，波长变短，故B错误；无线电波是一种具有能量的物质，故C正确；无线电波(电磁波)频率越高，周期越小，相同时间内可承载的信息量越大，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$