第3节 初识电磁波及其应用 第4节 初识光量子与量子世界-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦电磁波及光量子核心知识点，先阐述电磁波的产生原理（麦克斯韦电磁场理论、赫兹实验证实）、横波特性与光速，再介绍其应用（手机通信、雷达、卫星通信）及电磁污染防护，后过渡到光量子（爱因斯坦假说、波粒二象性）与能量量子化（E=nhν），构建从经典电磁学到量子理论的认知支架。 该资料通过“链接实景”关联北斗导航、手机通信等实例，渗透科学态度与责任；设置判断正误、例题及针对练，以科学推理深化科学思维。课中辅助教师结合生活案例教学，课后学生可通过练习查漏补缺，强化知识理解与应用能力。

第3节　初识电磁波及其应用　 第4节　初识光量子与量子世界 【核心素养目标】 物理观念 知道电磁波的概念及电磁波的产生原理，知道光是一种电磁波，知道光的能量是不连续的，具有与光的量子化有关的能量观念。 科学思维 理解电磁波的产生原理，了解电磁波的应用和电磁污染及防护；能应用光的量子化解释相关的自然现象。 科学态度与责任 能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，能体会人类对自然界的认识是不断发展的。 学生用书第125页 一、初识电磁波及其应用 1．电磁波的产生 (1)英国物理学家麦克斯韦提出：变化的磁场在周围空间激发出一种电场，变化的电场也能够产生磁场。 (2)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相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。 (3)空间交替变化的电磁场传播出去就形成电磁波。赫兹证实了电磁波的存在。 (4)电磁波特点：①横波，②传播速度与光速相同。 2．电磁波的应用 (1)手机通话是靠一种特殊的无线通信系统来实现的。 (2)雷达是一种检测飞行器、船只等远距离物体位置的系统。 (3)卫星通信利用地球同步卫星传递微波通信信号。 3．电磁污染及防护 (1)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。 (2)电磁辐射的防护。从物理学的角度看，可以从电磁波源，电磁波的传播途径及受辐射的人三个方面进行防护。 二、初识光量子与量子世界 1．光的量子化 (1)光的微粒说和光的波动说。光的微粒说可以解释光的反射、光的颜色等；光的波动说可解释干涉、衍射、偏振等现象。 (2)爱因斯坦在解释光电效应时提出了光量子假说，认为光的发射、传播和接收都是以一份份光子的形式进行的。后来光量子正式命名为光子。 (3)光既具有波动性，又具有粒子性，即具有波粒二象性。 2．初识量子世界：量子假说认为，物质辐射(或吸收)的能量E只能是最小能量单位的整数倍，即E＝nε(n＝1，2，3，…)。一份能量就是一个能量子，能量子的能量ε与频率ν成正比，即ε＝hν。 1．判断正误 (1)麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在。 (　　) (2)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场。(　　) (3)雷达是通过接收障碍物发出的电磁波来确定物体位置的。(　　) (4)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (5)光是一种电磁波。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　 2．链接实景 中国“北斗”导航可以时刻告知车辆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，这一切都是因为电磁波这一大家族的作用。电磁波是如何产生的？这一大家族还有哪些成员？在实际生活中都有哪些作用？ 提示：周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，两者交替产生由近及远地传播形成电磁波；包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。无线电波可以传输广播、电视信号等；红外线可以制成红外遥感器；可见光可以用于摄影。紫外线可以用于杀菌。X射线可以用于诊断病情；γ射线可以用于摧毁病变细胞。 学生用书第126页 知识点一　麦克斯韦电磁场理论 (1)观察下面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？ (2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？ 提示：(1)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的。 (2)不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 2．对电磁场的理解 (1)电磁场的产生：振荡电场产生同频率的振荡磁场，振荡磁场产生同频率的振荡电场，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场一环套一环，如图所示。 (2)电磁场并非简单地将电场、磁场相加，而是相互联系、不可分割的统一整体。在电磁场示意图中，电场E矢量和磁场B矢量，在空间相互激发时，相互垂直，以光速c在空间传播。 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，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：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，故D正确。 麦克斯韦电磁场理论的两大支柱 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。需要着重对以下两点加以理解： 1．均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，均匀变化的电场周围产生稳定的磁场。 2．不均匀变化的磁场周围产生变化的电场，不均匀变化的电场周围产生变化的磁场。　　 针对练．某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示，能发射电磁波的电场是(　　 ) 答案：D 解析：图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C中电场都随时间做均匀的变化，只能在周围产生恒定的磁场，也不会产生和发射电磁波；图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而产生的磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即电磁场，能交替发射电磁波，D正确。 学生用书第127页 知识点二　电磁波的性质及应用 “神舟号”系列飞船的成功发射及正常运行，载人航天测控通信系统立下了很大的功劳，它通过国内、外的地面测控站和遍布三大洋的4艘远洋测量船，保证地面指挥员及时与飞船取得联系。你知道各测控站点是通过什么途径对飞船传递指令的吗？ 提示：各测控站点和飞船之间通过发射和接收载有指令信号的电磁波实现对飞船的测控。 1．电磁波的共性 (1)它们在本质上都是电磁场的传播，它们的行为服从相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义。 (2)都遵守公式v＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s。 (3)它们的传播都不需要介质。 (4)它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。 2．电磁波在雷达测速中的应用 (1)雷达的原理：利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性。 (2)雷达的构造及特点： 一般由天线系统、发射装置、接收装置、输出装置(显示器)、电源、用于控制雷达工作和处理信号的计算机以及防干扰设备等构成。 某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10-4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示，t＝173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示，雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10-4 s，电磁波的传播速度为c＝3×108 m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？ 思路点拨：解答本题按以下思路进行： 答案：335 m/s 解析：由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10-4 s，甲图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10-4 s，乙图时间间隔t2＝1×10-4 s，所以第一次飞机位置距雷达的距离为s1＝c·＝6.0×104 m，第二次飞机在雷达正上方，所以飞机高度h＝c·＝1.5×104 m，所以173 s内飞机飞行的水平距离为s＝＝5.8×104 m，所以v＝＝335 m/s。 针对练．现在车辆常安装GPS(全球卫星定位系统)接收器，可用来接收卫星发射的信号，实现对车辆的精确定位和导航。卫星向GPS接收器传送信息通过的是(　　 ) A．激光 B．电磁波 C．红外线 D．紫外线 答案：B 解析：GPS接收器通过接收卫星发射的导航信号，实现对车辆的精确定位并导航。卫星向GPS接收器传送信息依靠的是电磁波。故选B。 学生用书第128页 知识点三　光量子与量子世界 麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在。哪些证据能够说明电磁波具有能量？电磁波的能量如何计算？ 提示：光是一种电磁波，太阳光照射到我们身上，我们感觉到身体热起来，说明电磁波具有能量。电磁波的能量可根据公式ε＝hν＝计算。 1．能量子公式 ε＝hν＝，λ为电磁波波长，ν是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h＝6.63×10-34 J·s。 2．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。 3．量子化假设的实验证实 普朗克公式与实验结果比较，发现它与实验结果“令人满意地相符”。比较图线如下图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆代表实验值。 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是(　　 ) A．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收 B．辐射和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．辐射和吸收的能量是量子化的 思路点拨：(1)吸收和辐射能量只能是一份一份的。 (2)能量是量子化的，不连续的。 答案：ABD 解析：带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误。 针对练．一盏灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长为6.0×10-7m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为(普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s)(　　 ) A．2×1015 B．2×1016 C．2×1017 D．2×1023 答案：C 解析：在距电灯R＝10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子的能量为E＝，一个光子的能量为ε＝h，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为n＝≈2×1017。故选C。 学生用书第129页 1．建立了完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是(　　 ) A．法拉第 B．奥斯特 C．赫兹 D．麦克斯韦 答案：D 解析：麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D正确。 2．下列说法中正确的是(　　 ) A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场 B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场 答案：C 解析：根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。故C正确。 3．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　　 ) A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B．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 C．能量子与电磁波的频率成正比 D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 答案：BC 解析：由普朗克能量子假说可知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，A错误，B正确；最小能量值ε作能量子，且ε＝hν，C正确；借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式与实验符合，D错误。 4．为了体现高考的公平、公正，高考时很多地方在考场使用手机信号屏蔽器，该屏蔽器在工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描，该扫描速度可以在手机接收报文信号时形成乱码干扰，手机不能检测从基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立连接，达到屏蔽手机信号的目的，手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。由以上信息可知(　　 ) A．由于手机信号屏蔽器的作用，考场内没有电磁波了 B．电磁波必须在介质中才能传播 C．手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波不能传播到考场内 D．手机信号屏蔽器是通过发射电磁波干扰手机工作来达到目的的 答案：D 解析：电磁波在空间的存在，不会因手机信号屏蔽器而消失，故A错误；电磁波可以在真空中传播，B错误；由题意知手机信号屏蔽器工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描，干扰由基站发出的电磁波信号，使手机不能正常工作，故C错误，D正确。 5．一雷达站探测敌机时荧光屏上出现的记录图像如图，A是发射时的雷达探索波的脉冲波形，B是敌机反射回来的脉冲波形，则敌机距雷达站的距离是(　　 ) A．9×105 m B．4.5×105 m C．3×105 m D．无法确定 答案：B 解析：由题图知两波形相差3×10-3 s，即敌机与雷达站距离为s＝vt＝3×108××3×10-3 m＝4.5×105 m，故B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $