4.2 电磁场与电磁波 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

4.2 电磁场与电磁波 人教版（2019）物理（选择性必修第二册） 第四章 电磁振荡与电磁波 1 素养目标 1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献 2.体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法，领会实验对物理学发展的基础意义 3.了解电磁波的形成和电磁波的特点 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？ 通信卫星、微波炉、安检设备等都要利用电磁波，电磁波已经与现代生活密不可分 那么电磁波是什么？它是怎样产生的？它有什么性质？ 新课讲解 5 视频：在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流 电磁场 7 变化的磁场产生电场 将小灯泡连接到电源上，构成闭合回路 当开关闭合时，小灯泡会发光 将金属环与小灯泡连接，构成闭合回路 当金属环穿过螺线管的磁场时，金属环连接的小灯泡会发光 变化的磁场产生电场 变化的磁场 ①如果用不到点的塑料线绕制线圈，线圈中还有电流和电场吗？ ②线圈不存在时，线圈所处的空间，还有电场吗？ ③若改成恒定的直流电，还有电场吗？ 闭合回路（金属环） 电场 ↑ 闭合 回路 E B 电流 思考 用塑料线圈或线圈不存在时，有电场，无电流 若改成直流电，线圈中的磁场不发生变化，不会产生电场 麦克斯韦认为：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动。 他将这种用场描述电磁感应现象的观点，推广到不存在闭合电路的情形。 1.麦克斯韦假设的观点 （1）变化的磁场产生电场 这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。 变化的磁场周围产生电场 电场 B ①均匀变化的磁场产生稳定的电场 E t O B t O ②非均匀变化的磁场产生变化的电场 B t O E t O 静止的电荷 产生 静电场 电荷从静止到运动 产生 变化的电场 产生磁场 ? 变化的电场产生磁场 现象：闭合回路中有电流通过时，小磁针会发生摆动 说明：小磁针所处的位置产生了另一个磁场，使小磁针发生摆动，这个磁场是由电荷在周围空间运动产生的变化的电场引起的 静电荷 静电场 运动的电荷 变化的电场 磁场 磁场是由变化的电场产生的 （2）变化的电场产生磁场 这个假设没有直接的实验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。 注意：恒定的电场不产生磁场。 变化的电场周围产生磁场 B E i i 在电容器充、放电的过程中在电容器两极板间周期性变化的电场也产生同频率的周期性变化磁场。 1.变化的磁场产生电场 均匀变化的磁场产生稳定的电场 非均匀变化的磁场产生变化的电场 2.变化的电场产生磁场 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 周期性变化的磁场 产生同频率 周期性变化的电场 周期性变化的电场 产生同频率 周期性变化的磁场 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。 知识小结 假设一：变化的磁场产生电场 假设二：变化的电场产生磁场 1.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的电场，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 C 答案：C 解析：若甲、乙两图的磁场均匀变化，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，故选项A错误；对甲图，从上向下看，感应电流沿顺时针方向，电子在回路中沿逆时针方向运动，故选项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，甲图的闭合电路只是检验变化的磁场产生的电场，乙图即使没有闭合电路，空间仍能产生电场，故选项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，选项D错误。 电磁波 18 视频：电磁波的形成 非均匀变 化的磁场 变化电场 若是均匀变化 稳定磁场 不再激发 若非均匀变化 变化磁场 若是均匀变化 稳定电场 若非均匀变化 激发 激发 激发 激发 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 电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”，所以不需要介质，可以在真空中传播 2.电磁波的特点 （1）电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与二者均垂直的方向传播，所以电磁波是横波。 （2）电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，c=3×108m/s。 （3）电磁波的传播不需要介质。 （4）电磁波也会发生反射、折射、干涉、衍射、和偏振等现象。（光是电磁波） （5）电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。 电磁波的发现过程 “磁生电” 赫兹检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速。 麦克斯韦猜想与假设： 1 . 变化的磁场产生电场 “电生磁” 2 . 变化的电场产生磁场 麦克斯韦 预言了电磁波的存在 预言光是一种电磁波 赫兹证实电磁波的存在实验 （1）实验器材 抛光的金属小球、感应圈、弯成环状的导线 赫兹自制的实验装置 感应圈 发射 振子 谐振器 接 收 B A 赫兹 赫兹的电火花 这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。 当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。 当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。 模拟赫兹的实验 （2）实验现象： 当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。 （3）现象解释： 当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生了一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。 模拟赫兹的实验 （4）实验结论：赫兹实验证实了电磁波的存在。 （5）实验意义：证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。 （6）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、衍射和偏振等现象，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。 模拟赫兹的实验 当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。 思考讨论：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花，这个过程是怎样发生的呢？ 4. 电磁场的物质性 电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，因而电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，传播过程就是能量传播的过程。 5.物质存在的两种形式 当麦克斯韦提出电磁场理论并被赫兹的实验证实以后，电磁场就像光一样真实了。 ①一种是由原子和分子构成的实物。 ②另一种则是以电磁场为代表的场。   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，在真空中波速总等于光速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(周期性变化的电流)激发 是否横波 可以是 是 是否纵波 可以是 否 干涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象 衍射现象 满足衍射条件时均能发生明显衍射 麦克斯韦电磁场理论的建立 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外，他还是统计物理学的奠基人之一。 因为公式太复杂，人们更多地选择记住了牛顿和爱因斯坦 与牛爵爷、爱神平起平坐的麦克斯韦 光是按电磁波规律传播的一种电磁振荡——光是一种电磁波 2.在物理学理论建立的过程中，有许多科学家做出了贡献。下列说法正确的是( ) A.安培首先引入电场线和磁感线 B.库仑提出了库仑定律，并最早用实验测得元电荷e的数值 C.法拉第提出了分子电流假说，并在磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献 D.麦克斯韦建立了经典电磁场理论 D 经典例题 答案：D 解析：法拉第首先引入电场线和磁感线，选项A错误；库仑提出了库仑定律，密立根最早用实验测得元电荷e 的数值，选项B错误；安培提出了分子电流假说，并在磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献，选项C错误；麦克斯韦建立了经典电磁场理论，选项D正确。 3.关于电磁波和机械波，下列说法正确的是( ) A.电磁波是纵波，而机械波既有横波又有纵波 B.机械波和电磁波在传播时都需要介质 C.机械波的能量由振幅决定，而电磁波的能量由频率决定 D.当机械波或电磁波从空气中进入水中时，频率不变，波长和波速都变小 C 经典例题 答案：C 解析：电磁波是横波，选项A错误；电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，选项B错误；机械波的能量由振幅决定，而电磁波的能量由频率决定，选项C正确；当电磁波从空气中进入水中时，频率不变，而介质的折射率变大，所以波速变小，则波长也变小，而机械波从空气中进入水中时，频率不变，但波速变大，所以波长也变大，选项D错误。 4.陈敬熊是我国电磁场理论与天线技术专家，我国天线理论和制导雷达天线设计的主要开拓者之一，开创性地提出了麦克斯韦方程直接求解法，解决了我国第一代地空导弹武器系统天线关键技术问题，为我国电磁场理论与微波技术发展作出了重大贡献。关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是( ) A.变化的电场一定会产生变化的磁场，同样，变化的磁场一定会产生变化的电场 B.光是一种电磁波，在任何介质中光速都为 C.赫兹通过实验验证了电磁波的存在 D.麦克斯韦观测到了电磁波的反射、折射、干涉和衍射等现象 C 答案：C 解析：均匀变化的电场产生稳定的磁场，同样，均匀变化的磁场产生稳定的电场，故选项A错误；光是一种电磁波，只有在真空中光速为 ，故选项B错误；赫兹通过实验验证了电磁波的存在，故选项C正确；赫兹观测到了电磁波的反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项D错误。 5.北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜（EHT）合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座 的首张照片。如图所示，该照片利用了射电望远镜对电磁波的捕捉。下列关于电磁波的说法正确的是( ) A.周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 B.电磁波是纵波，不能发生偏振现象 C.电磁波和机械波都依赖于介质才能传播 D.电磁波在任何介质中传播的速度都相等 A 答案：A 解析：周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故选项A正确；电磁波是横波，可以发生偏振现象，故选项B错误；电磁波的传播不依赖于介质，故选项C错误；电磁波在不同介质中传播的速度不相等，故选项D错误。 2.电磁波的特点 （1）电磁波是横波，在空间中传播不需要介质；（2）真空中电磁波的传播速度为3×108 m/s ；（3）电磁波能发生反射、折射、干涉和衍射等现象；（4） 1.电磁波的产生： 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。 稳定的电场周围不产生磁场 相互垂直，随时间和空间做周期性变化 1.已知手机的单端天线的长度为载波波长的 时，其感应电动势在天线中将达到最大值。如果某种手机的天线应设计为7.5cm，手机接㪄信号的载波频率为( ) A. B. C. D. C 答案：C 解析：由波速公式 ，解得 ，选项C正确。 2.2022年3月8日，航天员王亚平从空间站送来的“国际妇女节”节日祝福通过电磁波传播到祖国各地，下列关于电磁波的说法正确的是( ) A.麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在 B.只要有电场就能产生电磁波 C.电磁波传播需要介质，机械波传播不需要介质 D.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的，且都与波的传播方向垂直 D 答案：D 解析：麦克斯韦预言了电磁波，赫兹证实了电磁波的存在，A错误；若只有电场，而电场是稳定的或电场均匀变化，则都不能产生电磁波，B错误；电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质，C错误；因电磁波是横波，所以电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的，且与波的传播方向垂直，D正确。故选D。 3.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 D 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，选项A正确;变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，逐渐向外传播，形成电磁波，选项B正确;声音不能在真空中传播，宇航员在太空中进行通话必须利用无线电波，无线电波属于电磁波，选项C正确;雷达可以利用自身发射电磁波的反射波来对目标进行定位，选项D错误。 4.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（或磁场）产生的磁场（或电场）一定是变化的 B.变化的电场（或磁场）产生的磁场（或电场）一定是稳定的 C.周期性变化的电场（或磁场）产生的磁场（或电场）不一定是周期性变化的 D.周期性变化的电场（或磁场）一定可以产生电磁波 D 答案：D 解析：AB.非均匀变化的电场（或磁场）产生的磁场（或电场）一定是变化的，而均匀变化的电场（或磁场）产生的磁场（或电场）才是恒定的，故AB错误； CD.周期性变化的电场（或磁场）产生的磁场（或电场）一定是周期性变化的，一定可以产生电磁波，故C错误，D正确。 故选D。 Lavf58.45.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf58.12.100 $$