第三章 4 电磁波的发现及其应用(Word教参)-【步步高】2024-2025学年高一物理必修第三册学习笔记（教科版）

本高中物理讲义聚焦电磁波的发现及其应用，以麦克斯韦电磁场理论为基础，系统梳理电磁波的产生、特点及电磁波谱的排列规律，构建“理论奠基-现象分析-实际应用”的学习支架，帮助学生形成完整知识脉络。 资料通过实验引入（如电磁波发射接收实验）激发科学探究兴趣，结合例题解析与对比表格（如电磁场理论理解表、电磁波谱特性用途表）培养科学思维，融入红外体温计、5G通信等生活实例深化物理观念。课中辅助教师高效授课，课后通过课时对点练助力学生查漏补缺，落实核心素养。

4　电磁波的发现及其应用 [学习目标]　1.了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念。2.知道电磁波的特点，掌握电磁波波长、频率、波速之间的关系(重点)。3.知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量(重点)。 一、电磁场 如图所示的实验演示了电磁波的发射和接收，通过此实验证实了什么理论？ 答案　实验演示了电磁波的发射和接收，证实了麦克斯韦电磁场理论。 1．麦克斯韦电磁场理论 (1)变化的磁场产生电场 ①在变化的磁场中放入一个闭合回路，并且该回路平面不与磁场平行，由于穿过回路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流。这个现象的实质是变化的磁场在周围空间产生了电场。 ②即使在变化的磁场中没有闭合电路，也同样会在周围空间产生电场。 (2)变化的电场产生磁场 变化的电场就像导线中的电流一样，会在周围空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。 2．电磁场：变化的电场和变化的磁场交替产生，形成的不可分割的统一体。 例1　(2023·大同市高二期末)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 答案　D 解析　根据电磁场理论可知，在稳定电场周围不会产生磁场，在稳定磁场周围不会产生电场；在均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，故A、B、C错误；周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场，故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 周期性变化的磁场在周围空间产生同频率的周期性变化的电场 周期性变化的电场在周围空间产生同频率的周期性变化的磁场 二、电磁波和电磁波谱 用红外体温计测量体温，测量时并不需要和身体接触。你知道这是为什么吗？ 答案　人体也发射红外线。体温越高，发射的红外线越强。根据这个原理，红外体温计不与身体接触也可以测体温。 1．电磁波 (1)产生：变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。 (2)麦克斯韦在1865年从理论上预见了电磁波的存在，1888年，德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。 2．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。 (2)电磁波可以在真空中传播。电磁波在真空中传播速度等于光速c＝3×108_m/s。它也可以在其他介质如光纤中传播，且速度都比在真空中的小。 (3)光在本质上是一种电磁波，即光是以波动形式传播的一种电磁振动。 (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)对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf。 3．电磁波谱 (1)概念：按波长(或频率)的顺序把所有电磁波排列起来，就是电磁波谱。 (2)各种电磁波按波长由大到小的排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 (3)不同电磁波的特性和用途 种类 波长范围 特性 应用 无线电波 大于1 mm 波动能力强 通信、广播、射电望远镜 红外线 700～106 nm 热作用强 烘干、红外遥感、测温、夜视仪 可见光 400～700 nm 感光性强 照明、照相 紫外线 10～400 nm 化学作用、荧光作用 消毒、荧光效应、促使人体合成维生素D X射线 0.001～10 nm 较强的穿透能力 透视人体、检查金属零件的质量 γ射线 小于10－3 nm 穿透能力最强 医学上的γ刀技术、探测金属内部的缺陷 (1)变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场。(　×　) (2)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。(　√　) (3)电磁波依赖于介质才能传播。(　×　) (4)无线电波、红外线、可见光、紫外线都属于电磁波。(　√　) 例2　一台收音机在中波波段接收电磁波的波长范围大约在200 m 到600 m 间。 已知电磁波的传播速度c＝3×108 m/s，求收音机接收此波段电磁波的频率的范围。 答案　5×105 Hz<f<1.5×106 Hz 解析　由电磁波的波长和频率的关系得c＝λf，可得收音机接收此波段电磁波的频率的范围<f<，代入数据得5×105 Hz<f<1.5×106 Hz。 例3　在电磁波谱中，红外线、可见光和X射线三个波段的频率大小关系是(　　) A．红外线的频率最大，可见光的频率最小 B．可见光的频率最大，红外线的频率最小 C．X射线频率最大，红外线的频率最小 D．X射线频率最大，可见光的频率最小 答案　C 解析　红外线、可见光和X射线三个波段的波长是从长到短的，所以其频率是从低到高的，则频率最大的是X射线，频率最小的红外线。故选C。 例4　(多选)(2023·潍坊市高二月考)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波需要通过介质传播，它们由一种介质进入另一种介质时频率不变 B．根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场互相垂直 C．发射的无线电波在传播过程中频率不变 D．雷达发射的是直线性能好、反射性能强的超声波 答案　BC 解析　电磁波的传播不需要通过介质，由一种介质进入另一种介质时频率不变，故A错误；根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场互相垂直，故B正确；发射的无线电波无论在什么介质中传播，频率均不变，而传播速度可能变化，故C正确；雷达发射的是直线性能好、反射性能强的微波，是电磁波，故D错误。 三、电磁波的应用 1．电磁波的应用主要包括两个方面：一是利用电磁波传递信息，二是利用电磁波的能量。 2．电磁波通信 (1)传播途径 电磁波携带的信息，既可以进行有线传输，也可以实现无线传输。 有线传输利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息，如台式电脑、电话等，具体的媒介有：光纤、电缆、电话线、网线等。 无线传输仅利用电磁波而不通过线缆传递信息，如收音机、手机、GPS、无线鼠标等。 (2)传输特点 电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大，由于光的频率比无线电波的频率高得多，因此光缆可以传递更多的信息。 3．电磁波的能量 (1)电磁波是物质存在的一种特殊形式，电磁波和我们学过的电场、磁场一样，是一种特殊的物质，不是由分子、原子所组成的，与通常的实物不同，但它是客观存在的。 (2)从场的观点来看，电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波发射的过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播。 例5　(2023·江西省铜鼓中学高二阶段练习)5G，即第五代移动通信技术，采用3 300～5 000 MHz频段，相比于4G(第四代移动通信技术，1 880～2 635 MHz频段)技术而言，具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。5G信号与4G信号相比，下列说法正确的是(　　) A．5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快 B．5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡 C．5G信号比4G信号需要更少的通信基站 D．5G信号比4G信号更适合长距离传输 答案　B 解析　5G信号和4G信号都是电磁波，在真空中传播速度等于光速，A错误；根据λ＝，可知5G信号频率更高，波长更短，即5G信号比4G信号更容易被障碍物阻挡，需要建设更密集的基站，不适合长距离传输，B正确，C、D错误。 电磁波的特点和应用 我们不仅要牢记电磁波谱中的不同的电磁波(如红外线、紫外线、X射线、γ射线)的特点和应用，还要记住电磁波谱中波长、频率的变化规律，如频率越高，波长越短，穿透性越强；频率越低，波长越长，穿透性越弱。 课时对点练(100分) 1～10题每题8分，共80分 考点一　电磁场 1．(2023·辽宁省辽南协作体高二期末)下列关于磁场、电场及电磁波的说法中正确的是(　　) A．均匀变化的磁场在周围空间产生均匀变化的电场 B．只有空间某个区域有振荡变化的电场或磁场，才能产生电磁波 C．麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在 D．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 答案　B 解析　均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，故A错误；只有空间某个区域有振荡变化的电场或磁场，才能产生电磁波，故B正确；电磁波最早由麦克斯韦预测，由赫兹通过实验证实，故C错误；均匀变化的电场或磁场只能产生恒定的磁场或电场，不会产生电磁波，故D错误。 2．(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波是一种纵波 B．变化的电场和磁场由近及远向周围传播形成了电磁波 C．电场或磁场随时间变化时一定会产生电磁波 D．赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在 答案　BD 解析　电磁波是一种横波，A错误；根据麦克斯韦电磁理论，变化的电场激发出磁场，变化的磁场激发出电场，电场和磁场由近及远向周围传播形成了电磁波，B正确；均匀变化的电场激发出恒定的磁场，该磁场不会激发出电场，而均匀变化的磁场激发出恒定的电场，该电场不会激发出磁场，即均匀变化的电场或均匀变化的磁场不会产生电磁波，C错误；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D正确。 3．(多选)某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，能产生磁场的电场是(　　 ) 答案　ABC 解析　根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，选项A、B、C正确。 考点二　电磁波和电磁波谱 4．(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波由真空进入介质中，频率不变 B．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地传播，形成电磁波 C．电磁波是一种物质，只能在真空中传播 D．电磁波在任何介质中的传播速度都是3×108 m/s 答案　AB 解析　频率由波源决定，与介质无关，故电磁波由真空进入介质中，频率不变，A正确；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，由近及远地传播，形成电磁波，B正确；电磁波是一种物质，可以在真空中传播，也可以在介质中传播，电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，在不同介质中传播速度不一样，C、D错误。 5．下列各组电磁波中，按波长由小到大排列的是(　　) A．γ射线、紫外线、红外线、可见光 B．γ射线、紫外线、可见光、红外线 C．红外线、可见光、紫外线、γ射线 D．紫外线、可见光、红外线、γ射线 答案　B 解析　依照波长由长到短，电磁波谱可大致分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，故选B。 6．(2023·常州市高二月考)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播 B．电磁波可以传递信息，也可以传播能量 C．遥控器发出的红外线的频率比医院CT中的X射线的频率大 D．各种频率的电磁波在真空中传播的速度不同 答案　B 解析　电磁波可以在真空中传播，故A错误；电磁波可以传递信息，也可以传播能量，故B正确；根据电磁波谱可知，遥控器发出的红外线的频率比医院CT中的X射线的频率小，故C错误；各种频率的电磁波在真空中传播的速度都等于真空中的光速c，故D错误。 7．(2023·重庆部分学校高二月考)间谍卫星上装有某种遥感照相机，可用来探测军用和民用目标。这种照相机能拍到晚上行驶的汽车，即使汽车不开灯行驶，也瞒不过它。这种遥感照相机敏感的电磁波属于(　　) A．可见光波段 B．红外波段 C．紫外波段 D．X射线波段 答案　B 解析　所有的物体都能发出红外线，热的物体的红外辐射比冷的物体的强，间谍卫星上装的遥感照相机，实际上是红外探测器，它能在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射，这是红外摄影的基础。再者，红外线波长比其他波(可见光、紫外线、X射线)的长，有较好地穿透云雾的能力。可见光波段，紫外波段、X射线波段不具备以上特点，故选B。 考点三　电磁波的应用 8．电磁波在日常生活中有着广泛的应用。下列说法正确的是(　　) A．微波炉加热食物是利用了红外线的热效应 B．红外线应用在探测技术中，是利用了它穿透本领强的特性 C．医院用X射线进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力最强的 D．利用紫外线灭菌消毒，是因为紫外线具有较高的能量 答案　D 解析　微波炉加热食物是利用微波进行加热的，A错误；红外探测技术是基于一切物体都在辐射红外线，用红外探测器接收物体发出的红外线，然后进行分析，从而得知被测物体的信息，B错误；γ射线的穿透能力比X射线的穿透能力强，C错误；利用紫外线具有较高的能量，可以进行灭菌消毒，D正确。 9．(多选)下列能说明电磁波具有能量的是(　　) A．可见光射入人的眼睛，人看到物体 B．放在红外线区域的温度计升温很慢 C．电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流 D．γ射线的穿透能力强，可用于探测金属部件内部的缺陷 答案　ACD 解析　人眼看到物体，说明人眼感受到了可见光的能量，A项正确；红外线具有热效应，会使放在该区域的温度计升温很快，说明红外线具有能量，B错误；电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，电流的能量来源于电磁波，C项正确；γ射线的穿透能力强，说明γ射线具有很高的能量，D项正确。 10．关于现代通信和电磁波，下列叙述正确的是(　　) A．光纤通信传输的信息量很大，主要用于无线电广播 B．卫星通信利用人造卫星作为中继站进行通信 C．电磁波的应用对人类有利无害 D．电磁波不能在真空中传播 答案　B 解析　光纤通信以光为载体，需要用到光导纤维，不是无线传播，故A错误；由于微波的性质更接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕行，同时在传输过程中信号存在衰减等，因此人类用通信卫星作中继站，故B正确；电磁波的种类很多，长期被一些射线或微波照射会对人体产生危害，故C错误；电磁波的传播不需要介质，能在真空中传播，故D错误。 　(9分) 11．(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是(　　) A．真空中上述雷达发射的电磁波的传播速度为3×108 m/s B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C．测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D．雷达使用的是无线电波的微波波段 答案　ACD 解析　真空中电磁波的传播速度为3×108 m/s，A正确；电磁波是由周期性变化的电场和磁场产生的，B错误；由雷达的工作原理可知，C正确；雷达使用的是无线电波的微波波段，D正确。 　(11分) 12.电磁辐射是一种复合的电磁波，以相互垂直的电场和磁场随时间的变化而传递能量。人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。某办公区域内采用如图所示的无线路由器，它的电磁辐射功率是5.0 W，若要让电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量)不超过0.1 W/m2，则人体与该装置的安全距离至少为(　　) A．1.5 m B．2.0 m C．2.5 m D．3.0 m 答案　B 解析　设人体与该装置的安全距离至少为x，则P＝，式中4πx2为以该装置为球心、半径为x的球面面积，代入数据，解得x≈2.0 m，故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $