第四节 电磁场与电磁波（导学案）物理沪科版2020必修第三册

第四节 电磁场与电磁波 导学案 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. 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． 【知识回顾】 一、电磁场 1．英国物理学家_________建立了完整的电磁场理论，预言了__________的存在。 · 如果在空间某处有____________的电场，就会在空间引起交替变化的__________；这个交替变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的交替变化的电场和磁场。 · 恒定的电场___________（产生/不产生）磁场，恒定的磁场__________（产生/不产生）电场；均匀变化的电场在周围空间产生__________（恒定/变化）的磁场，均匀变化的磁场在周围空间产生__________（恒定/变化）的电场。 2．（不均匀）交替变化的_______和_______相互联系，形成一个不可分割的统一的场，这就是电磁场。 二、电磁波 1．电磁场并不局限于空间某个区域，而要由_____及______向周围空间__________开去，就形成电磁波。 · 电磁波可以在_________中传播，电磁波的传播_____________（需要/不需要）介质。 2．电磁波的种类和应用 无线电波 卫星通信，微波加热，无线射频识别，雷达 红外线 遥控和自动控制，加热 可见光 光合作用 紫外线 医用消毒 X 射线 X 射线透射照相 γ 射线 “γ 刀”切除肿瘤 三、电磁波和光的关系 1．麦克斯韦认为光是一种___________，提出了光的____________。 2．___________提出了光子说，成功解释了____________现象。 3．光既能像___________一样传播，有时又表现出________的特性，因此光具有“___________”。 一、麦克斯韦的电磁场理论 1．变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场． 2．随时间均匀变化的磁场产生稳定电场．随时间不均匀变化的磁场产生变化的电场．随时间均匀变化的电场产生稳定磁场，随时间不均匀变化的电场产生变化的磁场． 3．变化的电场和变化的磁场总是相互关系着，形成一个不可分割的统一体，这就是电磁场． 二、电磁波 1．周期性变化的电场和磁场总是互相转化，互相激励，交替产生，电磁场由发生区域由近及远地向周围传播，形成电磁波． 2．电磁波是横波，电磁波的电场、磁场、传播方向两两垂直，如图所示． 3．电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同（都等于光速） 4．不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小． 5．电磁波从一种介质进入另一介质，频率不变、波速和波长均发生变化，电磁波传播速度等于波长和频率的乘积，即． 什么是电磁场？什么是电磁波？ 19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦（图 11–35）在总结前人对电和磁研究的基础上，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来。经后人整理和改写，确立了经典电磁学主要基础的麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。这个理论不仅说明了当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在。图 11–35 麦克斯韦 （J. C. Maxwell，1831—1879） 麦克斯韦指出：如果在空间某处有交替变化的电场，就会在空间引起交替变化的磁场；这个交替变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的交替变化的电场和磁场……交替变 化的电场和磁场相互联系，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场（electromagnetic field）。电磁场能独立于场源存在，反映了电磁场作为物质存在的一种形式。电磁场并不局限于空间某个区域，而要由近及远向周围空间传播开去。电磁场这样由近及远地传播，就形成电磁波（electromagnetic wave）。 电磁波与我们的生活联系紧密，用仪器可以检测到电磁波信号。如图 11–36 所示，高灵敏度环形线圈两端与微电流传感器相连，再接入计算机，可以检测多种电磁波信号源（如电动机、电动剃须刀等）。如果采集到电磁波，则在显示器上显示出得到的电磁波信号。图 11–36 用微电流传感器检测电磁波 电磁波主要有哪些应用？ 电磁波的频率范围极为宽广，各个频段都有专门的名称，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线等。电磁波在日常生活中有广泛的应用，我们的生活离不开电磁波。 1．卫星通信 利用人造地球卫星在地面站之间进行通信的系统，称为卫星通信系统，人造卫星相当于离地面很高的中继站。卫星通信（图 11–37）可以在两个或多个地面站之间进行。卫星通信的特点是：通信范围大，只要在卫星发射的电磁波所覆盖的范围内，任何两点之间都可进行通信。图 11–37 卫星通信 如果一位在中国的用户要与南极洲的科考人员打电话，这个过程就是先通过手机把声音转换为数字信号发射到基站，通过基站把用户电话线路与地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后经过信号放大再转发到南极洲的地面站，地面站把电话信号取出来，送到科考人员的手机上，手机把数字信号转换成声音。无线电广播、电视节目转播的原理与电话传输相似。 2．微波加热 微波炉是利用电磁波中的微波加热食物的，使用微波炉加热食物快速高效，且能保证食物的营养，尤其是蛋白质和维生素不被破坏。 3．遥控和自动控制 电磁波中特定波段的红外线常用于遥控和自动控制。例如，家用电器的遥控器大多是 利用发射红外线进行遥控的。公共场所的感应式水龙头则是靠人手遮挡反射红外线实现自动控制。 4．无线射频识别技术 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可以通过无线电信号自动识别特定目标，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学的接触。图 11–38 所示是公交卡的内部结构，当公交卡接近刷卡机时，卡内的线圈就会产生感应电流，实现卡内芯片与外部数据库的数据传输。图 11–38 公交卡的内部结构 芯片 感应线圈 5．医疗设备 电磁波中的紫外线可以用于医用消毒，形成无菌空间；X 射线透射照相和 X–CT 扫描用于疾病检查。X 射线和 γ 射线常用于治疗疾病。许多种理疗设备也是靠电磁波对人体的作用治疗疾病。如图 11–39 所示是由我国原陆军总医院研制成功的“稀土材料小型 16 层移动 X–CT”，各项质量指标显著优于国际同类 CT 扫描仪。图 11–39 稀土材料小型 16 层移动 X-CT 6．雷达 雷达是利用电磁波测定物体位置的设备。电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达向一定的方向发射周期性的不连续的电磁波（叫做电磁脉冲）。发射出去的电磁波遇到障碍物反射，反射波可以在脉冲周期时间间隔内被天线接收。测出从发射到接收电磁脉冲之间的时间，就可以得到障碍物的距离，再根据发射电磁波的方向，便能确定障碍物的位置。 我国自主设计建设的 500 m 口径球面射电望远镜（FAST）与雷达接收天线类似，遥远天体投射来的微弱电磁波信号被精确镜面反射后会聚到公共焦点，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式。FAST 主导国际甚长基线干涉测量网，能获得天体超精细结构。FAST 具有空间飞行器的测控与通信能力，将深空通信能力延伸至太阳系外缘行星，将卫星数据接收能力提高 100 倍。FAST 建成启用以来，已经在脉冲星探测方面取得众多成果，未来在暗物质和暗能量的探测及地外文明搜寻等方面将会起到重要作用。 一方面人们利用电磁波为人类服务，借助电磁波工作、生活，另一方面还有更多的电磁波是在无意中产生的。例如：家用电器中的电风扇、吹风机、榨汁机等，这些电器工作时都会产生电磁波。在利用电磁波提高人们的生活质量的同时，电磁波也可能对人们产生一定的危害，我们需要加以防范，趋利避害。 电磁波和光有何关系？ 麦克斯韦从理论上得出电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，认为光是一种电磁波，并在此基础上提出了光的电磁说。 光的本性是复杂的。19 世纪末，科学家发现了光电效应现象，但无法用当时流行的光的波动理论解释。爱因斯坦提出了光子说，成功地解释了光电效应现象。爱因斯坦指出空间传播的光能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，这是人们对微观粒子本质认识的一个飞跃。 科学家发现光既具有波动特性，又具有粒子特性。光既能像波一样传播，有时又表现出粒子的特征，因此我们称光具有“波粒二象性”。 麦克斯韦的电磁场理论在物理学上具有重要意义；这一理论推进了第二次工业革命，为人类利用电能提供了科学依据，使人类进入了电气化时代。现在，在电磁场理论和近代物理发展的基础上，人类又迈向信息化时代。 一、单选题 1．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．稳定的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在传播过程中不能发生反射和折射 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 二、解答题 法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律的发现一方面使人们制造出了发电机和变压器，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术、电工测量等方面都有广泛的应用，人类社会从此迈入了电气化时代。 2．涡流、电磁驱动和电磁阻尼都是电磁感应现象，三者常常有紧密联系。下列说法正确的是（    ） A．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁会很快静止下来，这属于电磁阻尼现象 B．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁振动时，铝板中会产生涡流，涡流对磁铁总有排斥作用 C．图乙中，竖直放置的蹄形磁铁转动后，同轴的闭合线圈会同向转动，这属于电磁阻尼现象 D．图乙中，蹄形磁铁匀速转动时间足够长，闭合线圈的转速可以大于蹄形磁铁的转速 3．图是一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接，线圈B两端连在一起，构成一个闭合电路。在断开开关S的时候，弹簧K将 （A：立即；B：过一会儿）将衔铁D向上拉起，原因是： 4．从发电机输出的电压通常需要通过变压器将电输送给用户。某同学为研究变压器的规律，利用图示装置进行实验，图中左右线圈匝数之比为，现该同学在左侧输入端接入一12V的恒压直流电源，则右侧输出端测出的电压为 （选填：“A：4V”、“B：0V”）。当该同学左侧接入的电压时，右侧测出的电压值为 （选填：“A：4V”、“B：”） 5．如图所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，线圈电阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕轴以角速度匀速转动，外电路电阻为R。当线圈由图示位置转过的过程中，通过电阻R的电荷量 ；电阻R上所产生的热量 。 6．为了测量储罐中不导电液体高度，将与储罐外壳绝缘的平行板电容器C置于储罐中，先将开关与a相连，稳定后再将开关拨到b，此时可测出由电感L与电容C构成的回路中产生的振荡电流的频率。已知振荡电流的频率随电感L、电容C的增大而减小，若储罐内的液面高度降低，测得的回路振荡电流的频率将 （选填A：增大；B：减小）不计电磁辐射损失，振荡回路的总能量将 （选填A：增大；B：减小） 四、机器人 7．工业机器人广泛用于工业领域。某工业机器人设备接在的交流电源上，正常工作时电流为2A，该交流电的频率为 Hz，每秒内电流方向变化 次，该设备正常工作时消耗的功率为 kW。 8．如图甲所示，某款波士顿动力黄狗机器人的直流电动机的额定电压为U，额定电流为I，线圈电阻为R，将它接在电动势为E，内阻未知的直流电源两端时，电动机恰好能正常工作，内部电路如图乙所示，则电源的内阻为 ，电动机的输出功率为 。 9．某兴趣小组设计了一款金属探测仪，如图所示，探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时探测仪线圈的自感系数发生变化，从而引起振荡电路中的电流频率发生变化，探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。已知某时刻，电流的方向由b流向a，且电流强度正在增强，则（　　） A．该时刻电容器下极板带正电荷 B．在电流强度增强过程中，线圈的自感电动势在减小 C．若探测仪靠近金属探测时其线圈的自感系数增大，则振荡电流的频率降低 D．若探测仪靠近金属探测，并保持相对静止时，金属中不会产生感应电流 法拉第是英国物理学家和化学家，他最早引入电场的概念，并发现了磁场产生电流的条件和规律。法拉第详细地研究载流导线四周的磁场，想出了“磁场线”，因此建立了电磁场的概念。法拉第观察到磁场会影响光线的传播，找出了两者之间的关系，还发现了电磁感应的原理、抗磁性、电解定律。 10．下列家用电器中利用电磁波工作的是（    ） A．电冰箱 B．微波炉 C．电热水壶 D．洗衣机 11．如图所示为三根平行导线的截面图，它们的电流大小都相同，方向垂直于纸面向里。如果，则A点的磁感应强度的方向是（    ） A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 12．在“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”的实验中，用 传感器测量螺线管的轴线上各点的磁感应强度，得到如图所示的图像。实验中使用的螺线管的内径（直径）为，根据图像估算螺线管中心的磁通量约为 Wb．（保留两位有效数字） 13．如图，闭合金属线框置于匀强磁场中，磁场方向垂直线框平面向里，边与磁场右边界重合。若将线框水平向右拉出磁场，则此过程中穿过线框的磁通量 （选填“增大”或“减小”）。若将线框以边为轴旋转90°，则线框中将 （选填“会”或“不会”）产生感应电流。 三、综合题 14．新能源汽车安装了防撞预警安全系统，车载雷达会发射毫米波（毫米级电磁波），并对前车反射的毫米波进行处理。 (1)毫米波（　　） A．遇前车时会发生明显衍射现象 B．由空气进入水时传播速度会变大 C．是原子核受到激发而产生 D．是横波能发生偏振现象 (2)雷达发现前方28m处有一固定的障碍物后，防撞预警安全系统立即进行急刹车，汽车运动的v-t图像如图示。刹车过程中车的加速度的大小为 。该车静止后距离障碍物的距离为 m。 电磁炉的原理是利用感应电动势在锅底内产生涡流，致使锅体本身快速发热，从而加热锅内食物。 15．适合做电磁炉锅具的材料是（　　） A．铁 B．瓷器 C．玻璃 D．紫砂 16．电磁炉在工作中会产生电磁波， 预言了电磁波的存在， 在首次在实验中发现了电磁波。 17．某个同学制作了一个简易装置来研究电磁炉工作原理。如图所示，将一根电线缠绕在铁芯外部，接通交流电源，过了一会儿， 放置在铁芯上方的多匝线圈开始发热。下述可以增大线圈热功率的办法是（　　） A．增大交流电源的频率 B．减小上方线圈的匝数以减小电阻 C．将交流电源换成电动势更大的直流电源 18．间距L=0.5m光滑平行金属导轨，水平放置在竖直方向的磁感应强度B=1T的匀强磁场中，一端接阻值为R=5Ω的电阻。一电阻为r=1Ω、质量为m，长也为L的导体棒垂直放置在导轨上，在外力作用下可以让导体棒在匀强磁场中做简谐运动产生类似电磁炉所用的正弦交流电。导体棒从t=0时刻开始运动，其感应电动势e与时间t的关系是如图所示的正弦函数。不计导轨电阻。求： （1）这一感应电动势的有效值； （2）写出导体棒速度大小随时间变化的关系式； （3）算出0-2s内外力所做的功。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第四节 电磁场与电磁波 导学案 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. 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． 【知识回顾】 一、电磁场 1．英国物理学家．麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在。 · 如果在空间某处有交替变化的电场，就会在空间引起交替变化的磁场；这个交替变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的交替变化的电场和磁场。 · 恒定的电场不产生（产生/不产生）磁场，恒定的磁场不产生（产生/不产生）电场；均匀变化的电场在周围空间产生恒定（恒定/变化）的磁场，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定（恒定/变化）的电场。 2．（不均匀）交替变化的电场和磁场相互联系，形成一个不可分割的统一的场，这就是电磁场。 二、电磁波 ．电磁波的种类和应用 无线电波 卫星通信，微波加热，无线射频识别，雷达 红外线 遥控和自动控制，加热 可见光 光合作用 紫外线 医用消毒 X 射线 X 射线透射照相 γ 射线 “γ 刀”切除肿瘤 三、电磁波和光的关系 1．麦克斯韦认为光是一种电磁波，，提出了光的_电磁说_。 2．爱因斯坦，提出了光子说，成功解释了光电效应现象。 3．光既能像_____波______一样传播，有时又表现出__粒子______的特性，因此光具有“___波粒二象性。 一、麦克斯韦的电磁场理论 1．变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场． 2．随时间均匀变化的磁场产生稳定电场．随时间不均匀变化的磁场产生变化的电场．随时间均匀变化的电场产生稳定磁场，随时间不均匀变化的电场产生变化的磁场． 3．变化的电场和变化的磁场总是相互关系着，形成一个不可分割的统一体，这就是电磁场． 二、电磁波 1．周期性变化的电场和磁场总是互相转化，互相激励，交替产生，电磁场由发生区域由近及远地向周围传播，形成电磁波． 2．电磁波是横波，电磁波的电场、磁场、传播方向两两垂直，如图所示． 3．电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同（都等于光速） 4．不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小． 5．电磁波从一种介质进入另一介质，频率不变、波速和波长均发生变化，电磁波传播速度等于波长和频率的乘积，即． 什么是电磁场？什么是电磁波？ 19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦（图 11–35）在总结前人对电和磁研究的基础上，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来。经后人整理和改写，确立了经典电磁学主要基础的麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。这个理论不仅说明了当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在。图 11–35 麦克斯韦 （J. C. Maxwell，1831—1879） 麦克斯韦指出：如果在空间某处有交替变化的电场，就会在空间引起交替变化的磁场；这个交替变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的交替变化的电场和磁场……交替变 化的电场和磁场相互联系，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场（electromagnetic field）。电磁场能独立于场源存在，反映了电磁场作为物质存在的一种形式。电磁场并不局限于空间某个区域，而要由近及远向周围空间传播开去。电磁场这样由近及远地传播，就形成电磁波（electromagnetic wave）。 电磁波与我们的生活联系紧密，用仪器可以检测到电磁波信号。如图 11–36 所示，高灵敏度环形线圈两端与微电流传感器相连，再接入计算机，可以检测多种电磁波信号源（如电动机、电动剃须刀等）。如果采集到电磁波，则在显示器上显示出得到的电磁波信号。图 11–36 用微电流传感器检测电磁波 电磁波主要有哪些应用？ 电磁波的频率范围极为宽广，各个频段都有专门的名称，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线等。电磁波在日常生活中有广泛的应用，我们的生活离不开电磁波。 1．卫星通信 利用人造地球卫星在地面站之间进行通信的系统，称为卫星通信系统，人造卫星相当于离地面很高的中继站。卫星通信（图 11–37）可以在两个或多个地面站之间进行。卫星通信的特点是：通信范围大，只要在卫星发射的电磁波所覆盖的范围内，任何两点之间都可进行通信。图 11–37 卫星通信 如果一位在中国的用户要与南极洲的科考人员打电话，这个过程就是先通过手机把声音转换为数字信号发射到基站，通过基站把用户电话线路与地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后经过信号放大再转发到南极洲的地面站，地面站把电话信号取出来，送到科考人员的手机上，手机把数字信号转换成声音。无线电广播、电视节目转播的原理与电话传输相似。 2．微波加热 微波炉是利用电磁波中的微波加热食物的，使用微波炉加热食物快速高效，且能保证食物的营养，尤其是蛋白质和维生素不被破坏。 3．遥控和自动控制 电磁波中特定波段的红外线常用于遥控和自动控制。例如，家用电器的遥控器大多是 利用发射红外线进行遥控的。公共场所的感应式水龙头则是靠人手遮挡反射红外线实现自动控制。 4．无线射频识别技术 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可以通过无线电信号自动识别特定目标，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学的接触。图 11–38 所示是公交卡的内部结构，当公交卡接近刷卡机时，卡内的线圈就会产生感应电流，实现卡内芯片与外部数据库的数据传输。图 11–38 公交卡的内部结构 芯片 感应线圈 5．医疗设备 电磁波中的紫外线可以用于医用消毒，形成无菌空间；X 射线透射照相和 X–CT 扫描用于疾病检查。X 射线和 γ 射线常用于治疗疾病。许多种理疗设备也是靠电磁波对人体的作用治疗疾病。如图 11–39 所示是由我国原陆军总医院研制成功的“稀土材料小型 16 层移动 X–CT”，各项质量指标显著优于国际同类 CT 扫描仪。图 11–39 稀土材料小型 16 层移动 X-CT 6．雷达 雷达是利用电磁波测定物体位置的设备。电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达向一定的方向发射周期性的不连续的电磁波（叫做电磁脉冲）。发射出去的电磁波遇到障碍物反射，反射波可以在脉冲周期时间间隔内被天线接收。测出从发射到接收电磁脉冲之间的时间，就可以得到障碍物的距离，再根据发射电磁波的方向，便能确定障碍物的位置。 我国自主设计建设的 500 m 口径球面射电望远镜（FAST）与雷达接收天线类似，遥远天体投射来的微弱电磁波信号被精确镜面反射后会聚到公共焦点，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式。FAST 主导国际甚长基线干涉测量网，能获得天体超精细结构。FAST 具有空间飞行器的测控与通信能力，将深空通信能力延伸至太阳系外缘行星，将卫星数据接收能力提高 100 倍。FAST 建成启用以来，已经在脉冲星探测方面取得众多成果，未来在暗物质和暗能量的探测及地外文明搜寻等方面将会起到重要作用。 一方面人们利用电磁波为人类服务，借助电磁波工作、生活，另一方面还有更多的电磁波是在无意中产生的。例如：家用电器中的电风扇、吹风机、榨汁机等，这些电器工作时都会产生电磁波。在利用电磁波提高人们的生活质量的同时，电磁波也可能对人们产生一定的危害，我们需要加以防范，趋利避害。 电磁波和光有何关系？ 麦克斯韦从理论上得出电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，认为光是一种电磁波，并在此基础上提出了光的电磁说。 光的本性是复杂的。19 世纪末，科学家发现了光电效应现象，但无法用当时流行的光的波动理论解释。爱因斯坦提出了光子说，成功地解释了光电效应现象。爱因斯坦指出空间传播的光能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，这是人们对微观粒子本质认识的一个飞跃。 科学家发现光既具有波动特性，又具有粒子特性。光既能像波一样传播，有时又表现出粒子的特征，因此我们称光具有“波粒二象性”。 麦克斯韦的电磁场理论在物理学上具有重要意义；这一理论推进了第二次工业革命，为人类利用电能提供了科学依据，使人类进入了电气化时代。现在，在电磁场理论和近代物理发展的基础上，人类又迈向信息化时代。 一、单选题 1．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．稳定的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在传播过程中不能发生反射和折射 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】A 【详解】A．电磁波在真空中的传播速度恒定，与频率无关，故A正确； B．根据麦克斯韦电磁理论可知，周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故B错误； C．电磁波也是波的一种，具有波的一切特性，可以发生反射和折射，故C错误； D．电磁波可以在介质中传播，所以可以根据电缆、光缆进行有线传播，也可以不需要介质进行传播，即无线传播，故D错误。 故选A。 二、解答题 法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律的发现一方面使人们制造出了发电机和变压器，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术、电工测量等方面都有广泛的应用，人类社会从此迈入了电气化时代。 2．涡流、电磁驱动和电磁阻尼都是电磁感应现象，三者常常有紧密联系。下列说法正确的是（    ） A．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁会很快静止下来，这属于电磁阻尼现象 B．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁振动时，铝板中会产生涡流，涡流对磁铁总有排斥作用 C．图乙中，竖直放置的蹄形磁铁转动后，同轴的闭合线圈会同向转动，这属于电磁阻尼现象 D．图乙中，蹄形磁铁匀速转动时间足够长，闭合线圈的转速可以大于蹄形磁铁的转速 3．图是一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接，线圈B两端连在一起，构成一个闭合电路。在断开开关S的时候，弹簧K将 （A：立即；B：过一会儿）将衔铁D向上拉起，原因是： 4．从发电机输出的电压通常需要通过变压器将电输送给用户。某同学为研究变压器的规律，利用图示装置进行实验，图中左右线圈匝数之比为，现该同学在左侧输入端接入一12V的恒压直流电源，则右侧输出端测出的电压为 （选填：“A：4V”、“B：0V”）。当该同学左侧接入的电压时，右侧测出的电压值为 （选填：“A：4V”、“B：”） 5．如图所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，线圈电阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕轴以角速度匀速转动，外电路电阻为R。当线圈由图示位置转过的过程中，通过电阻R的电荷量 ；电阻R上所产生的热量 。 6．为了测量储罐中不导电液体高度，将与储罐外壳绝缘的平行板电容器C置于储罐中，先将开关与a相连，稳定后再将开关拨到b，此时可测出由电感L与电容C构成的回路中产生的振荡电流的频率。已知振荡电流的频率随电感L、电容C的增大而减小，若储罐内的液面高度降低，测得的回路振荡电流的频率将 （选填A：增大；B：减小）不计电磁辐射损失，振荡回路的总能量将 （选填A：增大；B：减小） 【答案】2．A 3． B 线圈B中产生感应电流，使得铁芯中磁性慢慢消失 4． B A 5． 6． A B 【解析】2．AB．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁会很快静止下来，这属于电磁阻尼现象，磁铁振动时，铝板中会产生涡流，涡流对磁铁的运动有阻碍作用，靠近时排斥，远离时吸引，选项A正确，B错误； CD．图乙中，竖直放置的蹄形磁铁转动后，同轴的闭合线圈会同向转动，这属于电磁驱动现象；蹄形磁铁匀速转动时间足够长，闭合线圈的转速总是小于蹄形磁铁的转速，选项CD错误。 故选A。 3．[1][2]图是一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接，线圈B两端连在一起，构成一个闭合电路。在断开开关S的时候，由于线圈B中产生感应电流，使得铁芯中磁性慢慢消失，则弹簧K将过一会儿将衔铁D向上拉起，故选B；原因是线圈B中产生感应电流，使得铁芯中磁性慢慢消失。 4．[1]变压器不能改变直流电压，则在左侧输入端接入一12V的恒压直流电源，则右侧输出端测出的电压为0V，故选B； [2]当该同学左侧接入的电压时，右侧测出的电压值为 故选A。 5．[1]通过电阻R的电荷量 [2]交流电最大值 有效值 电阻R上所产生的热量 6．[1]当储罐内的液面高度降低时，两板间充入的电介质减少，电容减小，根据LC振荡周期可知回路的振荡周期变小，故振荡频率增大，故选A； [2]电容器的电容减小，则储存的能量减小，即振荡电路的总能量减小，故选B。 四、机器人 7．工业机器人广泛用于工业领域。某工业机器人设备接在的交流电源上，正常工作时电流为2A，该交流电的频率为 Hz，每秒内电流方向变化 次，该设备正常工作时消耗的功率为 kW。 8．如图甲所示，某款波士顿动力黄狗机器人的直流电动机的额定电压为U，额定电流为I，线圈电阻为R，将它接在电动势为E，内阻未知的直流电源两端时，电动机恰好能正常工作，内部电路如图乙所示，则电源的内阻为 ，电动机的输出功率为 。 9．某兴趣小组设计了一款金属探测仪，如图所示，探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时探测仪线圈的自感系数发生变化，从而引起振荡电路中的电流频率发生变化，探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。已知某时刻，电流的方向由b流向a，且电流强度正在增强，则（　　） A．该时刻电容器下极板带正电荷 B．在电流强度增强过程中，线圈的自感电动势在减小 C．若探测仪靠近金属探测时其线圈的自感系数增大，则振荡电流的频率降低 D．若探测仪靠近金属探测，并保持相对静止时，金属中不会产生感应电流 【答案】7． 50 100 0.76 8． 9．BC 【解析】7．[1]根据u=380√2sin100πt（V）可知 可得该交流电的频率为 [2]一个周期内电流方向变化2次，且周期为 所以每秒内电流方向变化100次； [3]该设备正常工作时的电压为 所以该设备正常工作时消耗的功率为 8．[1]由闭合电路的欧姆定律 可得电源的内阻为 [2]电动机消耗的电功率为 电动机线圈内阻因发热而消耗的功率为 所以电动机的输出功率为 9．A．某时刻，电流的方向由b流向a，且电流强度正在增强中，电容器正处于放电过程，上极板带正电荷，A错误； B．电流的方向由b流向a，且电流强度正在增强中，电流强度增大的越来越慢，则线圈的自感电动势正在减小，B正确； C．若探测仪靠近金属时，相当于给线圈增加了铁芯，所以其自感系数L增大，根据公式可知，其自感系数L增大时振荡电流的频率降低，C正确； D．电流强度正在增大，虽然探测仪与金属保持相对静止，金属也会产生感应电流，D错误。 故选BC。 法拉第是英国物理学家和化学家，他最早引入电场的概念，并发现了磁场产生电流的条件和规律。法拉第详细地研究载流导线四周的磁场，想出了“磁场线”，因此建立了电磁场的概念。法拉第观察到磁场会影响光线的传播，找出了两者之间的关系，还发现了电磁感应的原理、抗磁性、电解定律。 10．下列家用电器中利用电磁波工作的是（    ） A．电冰箱 B．微波炉 C．电热水壶 D．洗衣机 11．如图所示为三根平行导线的截面图，它们的电流大小都相同，方向垂直于纸面向里。如果，则A点的磁感应强度的方向是（    ） A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 12．在“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”的实验中，用 传感器测量螺线管的轴线上各点的磁感应强度，得到如图所示的图像。实验中使用的螺线管的内径（直径）为，根据图像估算螺线管中心的磁通量约为 Wb．（保留两位有效数字） 13．如图，闭合金属线框置于匀强磁场中，磁场方向垂直线框平面向里，边与磁场右边界重合。若将线框水平向右拉出磁场，则此过程中穿过线框的磁通量 （选填“增大”或“减小”）。若将线框以边为轴旋转90°，则线框中将 （选填“会”或“不会”）产生感应电流。 【答案】10．B 11．D 12． 磁 13． 减小 会 【解析】10．A．电冰箱是利用电动机做功来完成制冷的，故A错误； B．微波炉是利用了电磁感应原理工作的，属于电磁波应用，故B正确； C．电热水壶是将电能转化为热能工作的，故C错误； D．洗衣机是将电能转化为机械能来工作的，故D错误。 故选B。 11．因BD两处的电流在A点的磁场的合磁感应强度为零，则A点的磁感应强度由C处的电流来决定，根据安培定则可知A点的磁感应强度的方向是向右。 故选D。 12．[1]在“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”的实验中，用磁传感器测量螺线管的轴线上各点的磁感应强度； [2]螺线管中心的磁通量约为 13．[1]若将线框水平向右拉出磁场，则此过程中穿过线框的磁通量减小。 [2]若将线框以边为轴旋转90°，则线框中磁通量发生变化，则将会产生感应电流。 三、综合题 14．新能源汽车安装了防撞预警安全系统，车载雷达会发射毫米波（毫米级电磁波），并对前车反射的毫米波进行处理。 (1)毫米波（　　） A．遇前车时会发生明显衍射现象 B．由空气进入水时传播速度会变大 C．是原子核受到激发而产生 D．是横波能发生偏振现象 (2)雷达发现前方28m处有一固定的障碍物后，防撞预警安全系统立即进行急刹车，汽车运动的v-t图像如图示。刹车过程中车的加速度的大小为 。该车静止后距离障碍物的距离为 m。 【答案】(1)D (2) 5 5.5 【详解】（1）A．毫米波的波长远小于车的大小，所以遇到前车时不会发生明显衍射现象，故A错误； B．毫米波由空气进入水时传播速度会变小，故B错误； C．毫米波是由LC振荡电路产生的电磁波，故C错误； D．偏振是横波特有的现象，毫米波是横波，能发生偏振现象，故D正确。 故选D。 （2）[1]根据图像的斜率可知加速度为 =5 [2]车行驶的位移为 m 距离障碍物的距离为 m-22.5m=5.5m 电磁炉的原理是利用感应电动势在锅底内产生涡流，致使锅体本身快速发热，从而加热锅内食物。 15．适合做电磁炉锅具的材料是（　　） A．铁 B．瓷器 C．玻璃 D．紫砂 16．电磁炉在工作中会产生电磁波， 预言了电磁波的存在， 在首次在实验中发现了电磁波。 17．某个同学制作了一个简易装置来研究电磁炉工作原理。如图所示，将一根电线缠绕在铁芯外部，接通交流电源，过了一会儿， 放置在铁芯上方的多匝线圈开始发热。下述可以增大线圈热功率的办法是（　　） A．增大交流电源的频率 B．减小上方线圈的匝数以减小电阻 C．将交流电源换成电动势更大的直流电源 18．间距L=0.5m光滑平行金属导轨，水平放置在竖直方向的磁感应强度B=1T的匀强磁场中，一端接阻值为R=5Ω的电阻。一电阻为r=1Ω、质量为m，长也为L的导体棒垂直放置在导轨上，在外力作用下可以让导体棒在匀强磁场中做简谐运动产生类似电磁炉所用的正弦交流电。导体棒从t=0时刻开始运动，其感应电动势e与时间t的关系是如图所示的正弦函数。不计导轨电阻。求： （1）这一感应电动势的有效值； （2）写出导体棒速度大小随时间变化的关系式； （3）算出0-2s内外力所做的功。 【答案】15．A 16． 麦克斯韦 赫兹 17．A 18．（1）12V；（2）（m/s）；（3）96J。 【解析】15．电磁炉采用的是电磁感应现象，即通过线圈中产生的磁场在锅体中产生涡流而产生热量，需采用金属制作锅体，故适合做电磁炉锅具的材料是铁。 故选A。 16．[1][2]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。 17．A．感应电动势与电流的变化率成正比，增大交流电源的频率，感应电动势增大，电流增大，热功率增大，故A正确； B．线圈匝数减少，电动势也减小，电阻减小，电流不变，热功率减小，故B错误； C．换成直流电源，恒定电流产生恒定的磁场，穿过线圈的磁通量不变，线圈中不会有感应电流，热功率为0，故C错误； 故选A。 18．（1）由图可知交变电压的最大值为16.97V，则有效值为 V （2）根据最大值的计算公式有，解得 m/s 由图可知周期为2.0s，则角频率为 rad/s 则导体棒速度大小随时间变化的关系式为 （m/s） （3）0-2s内导体棒的动能不变，外力所做的功及电能，则有 J 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $