4.2 电磁波&4.3 电磁波谱(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第2节　电磁波 第3节　电磁波谱 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道电磁场的概念。 2．知道电磁波的概念。 3．了解电磁波谱的知识。 　　能够根据麦克斯韦假设解释电磁场的产生。 1.体会假设在科学研究上的意义，拓展对自然界和整个自然科学的视野。 2．体会实验在物理发现中的重大意义，知道物理实验是检验理论假设正确与否的重要标准之一。 [对应学生用书P91] 一、电磁场与电磁波 1．麦克斯韦电磁场理论 (1)变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场。 (2)不均匀变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，于是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。 2．电磁波 (1)变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成了电磁波。 (2)麦克斯韦预言：电磁波在真空中的传播速度等于光速c；光是电磁波。 (3)赫兹通过实验证实了电磁波的存在。 (4)电磁波中的电场和磁场相互垂直，并且都与波的传播方向垂直，即电磁波是横波。 二、电磁波谱 1．电磁波谱：按电磁波的波长大小或频率高低的顺序排列成的谱，叫作电磁波谱。 2．按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，具有不同的特性。 三、电磁波的特性及应用 1．无线电波 (1)把波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称作无线电波，无线电波波长较长，易衍射，主要用于通信、广播及其他信号传输。 (2)雷达是利用电磁波遇到障碍物要发生反射，以此来测定物体位置的无线电设备，其利用的是波长较短的微波。 2．红外线 (1)主要的作用：热效应。 (2)红外线的波长比无线电波短，比可见光长。 (3)所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。 (4)红外线的应用主要有加热物体、红外遥感技术和红外体温计。 3．可见光 可见光的波长在400～760 nm之间。 4．紫外线 (1)波长范围在5～370_nm之间，不能引起人的视觉。一切高温物体都能够发射紫外线。 (2)具有较高的能量，应用于灭菌消毒，具有较强的荧光效应，用来激发荧光物质发光。 5．X射线和γ射线 (1)X射线波长比紫外线短，有很强的穿透本领，用来检查金属构件内部有无裂纹或气孔，医学上用于检查人体的内部器官。 (2)γ射线波长比X射线更短，具有很高的能量，穿透力更强，医学上用来治疗某些癌症，工业上也可用于探测金属构件内部是否有缺陷。 (物理与生活)如图所示为生活中的两种电器。 在工作过程中，它们能发射或接受不同波段的电磁波。据此判断以下说法是否正确： (1)各种电磁波中最容易发生干涉和衍射现象的是γ射线。 (　　×　　) (2)红外线有显著的热效应，紫外线具有较高的能量。 (　　√　　) (3)低温物体不能辐射红外线。 (　　×　　) (4)紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度。 (　　×　　) (5)可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪。 (　　×　　) (6)X射线的穿透本领比γ射线更强。 (　　×　　) [对应学生用书P93] 探究点一___电磁波 雷达的含义是对无线电波的探测和测距。他的基本功能是利用目标对电磁波的散射来发现目标并确定目标的空间位置。雷达主要由发射机、控制器、天线、接收机、信号处理器、显示器等组成。雷达的起源可以追溯到19世纪，二次大战中雷达开始量产并投入实战。 [问题设计] 雷达的发明得益于法拉第对于电磁波的预测以及麦克斯韦的两个假设，那么麦克斯韦的两个假设是什么？又是哪位科学家在实验室验证了电磁波的存在？电磁波的传播速度多大？它也能像机械波一样反射和折射吗？ 提示：麦克斯韦的两个假设：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场。赫兹在实验室验证了电磁波的存在。电磁波以光速传播，和机械波一样，能够反射和折射。 1．麦克斯韦假设：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场。 (1)均匀变化的电场产生恒定的磁场；均匀变化的磁场产生恒定的电场。 (2)周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场，周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场。 (3)恒定电场不产生磁场，恒定磁场不产生电场。 2．麦克斯韦假设对法拉第电磁感应定律的解释 (1)空间存在变化的磁场时，会产生与磁场垂直的电场，当闭合回路处于该区域时，电场驱动导体内的自由电子做定向移动，形成电流，称感应电流。 (2)利用楞次定律判断的感应电流的方向就是产生的电场的方向。 3．电磁波：变化的电场和磁场交替产生的电磁场在空间中由近及远地传播形成电磁波。 (1)电磁波的传播不需要介质。 (2)电磁波的电场和磁场的方向均与传播方向垂直，因此电磁波是横波。 (3)电磁波的频率由振荡电路决定，传播过程中频率不变。 (4)电磁波的波速等于光速。 4．赫兹实验证实了电磁波的存在 (1)赫兹测定电磁波的波长和频率，证实电磁波的传播速度等于光速，证明电磁波跟所有的波动现象一样，能反射、折射、干涉、衍射等。 (2)波速公式：v＝λf。 【例1】 麦克斯韦电磁场理论提出：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。如图所示，若某时刻连接电容器的导线具有向上的电流，则下列说法正确的是 (　　) A．电容器正在放电 B．两平行板间的电场强度E在增大 C．该变化电场产生顺时针方向(俯视)的磁场 D.两极板间电场最强时，板间电场产生的磁场达到最大 B　解析：根据电场方向可知，下板带正电荷，上板带负电荷，根据电流方向可知，下板带正电荷并且电流流向下板，则电容器正在充电，两板间电场增强，A错误，B正确；根据楞次定律和右手定则判断得出，电场增强，会产生逆时针方向(俯视)的磁场，两极板间电场最强时，电场变化率为零，板间电场产生的磁场为零，C、D错误。 [练1] 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，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 D　解析：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，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，A、B、C错误，D正确。 探究点二___电磁波谱 太阳光中含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，下图为太阳光中含有的紫外线、可见光、红外线的能量分布与波长的关系。这个范围内的电磁辐射最强，其中波长在5.5×10-7 m的黄绿光，辐射能力最强，这个区域人眼最敏感。 [问题设计] 红外线和紫外线的频率哪个高？他们的传播速度一样吗？红外线最主要的特性是什么？阳光较强的时候，紫外线的辐射也较强，过多地照射太阳光对身体有害吗？ 提示：和红外线相比，紫外线的频率较高。红外线和紫外线的传播速度一样。红外线的主要特性是热效应。过多地照射紫外线，对身体不利。 1．一切物体都在不停地发射红外线，温度越高，辐射的红外线强度越强。 2．红外线的频率与固体物质分子的固有频率接近，因此容易引起固体分子共振而产生大量的热能，这就是红外线加热物体的原因。 3．一切高温物体都能辐射紫外线。 4．波长越长的电磁波越容易衍射，波长越短的电磁波直线传播，穿透性越强。 5．不同电磁波的特性和应用 项目 波长范围 特性 应用 无线电波 几毫米到几十千米 电磁振荡产生的电磁波 通信、导航、广播、电视、雷达等 红外线 760～106 nm 热效应 加热、遥控、遥感 可见光 400～760 nm 能引起视觉 — 紫外线 60～400 nm 荧光效应 杀菌、消毒、有助于人体合成维生素D，过多照射会诱发皮肤癌 X射线 波长比紫外线还短 穿透性较强 检查工件内部、透视人体 γ射线 比X射线波长还短 穿透性更强 工业探伤、治疗癌症、对人体正常细胞有很强的破坏作用 【例2】 麦克斯韦的电磁场理论指出：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波。从赫兹用实验证实了电磁波的存在至今，电磁波已经与我们的生活紧密相关：机场安检门使用频率为7 kHz的电磁波，GPS定位系统使用频率为10.23 MHz(1 MHz＝106 Hz)的电磁波，手机工作时使用频率为800～1 900 MHz的电磁波，无线Wi­Fi使用频率为2.4 GHz(1 GHz＝109 Hz)的电磁波，地铁行李安检时使用频率为1018 Hz的电磁波。根据图中给出的电磁波谱和相关信息，下列说法正确的是 (　　) A．手机工作时使用的电磁波是纵波 B．机场安检门使用的电磁波只能在空气中传播 C．地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领 D．无线Wi­Fi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波更容易发生衍射现象 C　解析：手机工作时使用的电磁波为横波，A错误；电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播，B错误；地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领，C正确；无线Wi­Fi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波频率高，波长短，不容易发生衍射，D错误。 [练2] 图甲展现了在医院用某频段电磁波进行医学成像诊断的场景，图乙是技术所成的相片。关于该成像技术，下列说法正确的是 (　　) A．该频段的电磁波属于γ射线 B．可以利用该频段的电磁波进行灭菌消毒 C．可以利用该频段的电磁波制成不需要与身体接触的温度计 D．可以利用该频段的电磁波在车站、机场等地探测箱内的物品 D　解析：该频段的电磁波属于X射线，A错误；紫外线可以进行灭菌消毒，B错误；利用红外线的热辐射可以制成不需要与身体接触的温度计，C错误；利用X射线在车站、机场等地探测箱内的物品，D正确。 [对应学生用书P95] 1．(多选)下列说法正确的是 (　　) A．医院病情诊断中，要用X光扫描肺部，是因为在电磁波中X光的穿透能力最强 B．用γ 射线照射作物种子，使种子内的遗传物质发生变异，培育优良品种 C．微波有很强的热效应，所以用微波炉加热食物 D．一切物体都在辐射红外线，这种辐射与物体的温度有关 BD　解析：医院用X光进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力较强的，γ射线的穿透能力最强，A错误；γ射线具有很高的能量，可以用来培育优良品种，B正确；微波几乎没有热效应，C错误；一切物体都在辐射红外线，这种辐射与物体的温度有关，D正确。 2．(多选)电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用，下列说法正确的是 (　　) A．手机通话使用的无线电波，波长比可见光长 B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 C．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 D．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领 AD　解析：手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光，A正确；遥控器采用的是红外线而不是紫外线，B错误；均匀变化的电(磁)场产生恒定的磁(电)场，恒定的电(磁)场在其周围空间不会产生磁(电)场，也就不会产生电磁波，C错误；机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领，D正确。 3．(多选)类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处。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 ABC　解析：机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，即v＝λf对电磁波也适用，A正确；机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象，干涉和衍射是波特有的现象，B正确；机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播，C正确；机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有横波，因为电磁波有偏振现象，而偏振现象只有横波才具有，D错误。 4．(多选)如图所示的是我国500 m口径球面射电望远镜(FAST)，它可以通过接收来自宇宙深处的电磁波，探索宇宙。截至2024年11月，它已经发现的脉冲星超过一千颗，我国也因此成为世上发现脉冲星数量最多的国家。下列关于电磁波的说法正确的是 (　　) A．频率越高的电磁波，波长越短 B．电磁波在任何介质中传播速度均为3×108 m/s C．赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了奥斯特的电磁理论 D．变化的电场可能激发出变化的磁场，空间将可能产生电磁波 AD　解析：根据公式c＝λf可知，频率越高的电磁波，波长越短，A正确；电磁波在不同介质中的传播速度不一样，电磁波在真空中传播速度为3×108 m/s，B错误；赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁理论，C错误；周期性变化的电场激发出周期性变化的磁场，空间将产生电磁波，D正确。 5．太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz(波长为30～3 000 μm)范围内的电磁波，利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识，通过和电磁波谱对比，下列说法正确的是 (　　) A．太赫兹波比红光更容易发生明显衍射 B．太赫兹波比紫外线的能量更大 C．太赫兹波比短波频率更小 D．太赫兹波可以用于工业探伤 A　解析：发生衍射现象的条件是尺度或者孔径小于波长，太赫兹波长比红光大，更容易发生明显衍射，A正确；由c＝λf可知，波长越大，频率越小，太赫兹波长比紫外线大，频率低于紫外线，根据爱因斯坦的光子说，可知它的光子的能量比紫外线光子的能量更小，B错误；太赫兹波长比短波小，频率比短波大，C错误；由于频率越高，其穿透力越强，太赫兹波频率远低于X射线，其比X射线穿透能力更弱，不可以用于工业探伤，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$