5.3初识电磁波及其应用（讲义）物理鲁科版必修第三册

本讲义聚焦高中物理“初识电磁波及其应用”核心内容，系统梳理麦克斯韦电磁场理论（变化的磁场/电场产生电场/磁场、电磁波预言与证实）、电磁波基本性质（产生条件、传播特点、波速波长频率关系及与机械波对比）、电磁波谱及应用（各波段排序、特性与实际用途），构建从理论到性质再到应用的完整学习支架。 该资料通过“随学随练”即时巩固、“疑难点”突破（如均匀与周期性变化电磁场区分）、“迁移创新”（如LC振荡电路、液面高度测量）等设计，以实例培养科学思维（模型建构、科学推理）和科学探究能力，课中辅助教师高效授课，课后助力学生查漏补缺，强化知识应用。

第五章 初识电磁场与电磁波 5.3初识电磁波及其应用 课标要点 1.了解麦克斯韦电磁场理论核心内容，知道变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场。 2.掌握电磁波的产生条件，理解电磁波传播不需要介质，知晓电磁波波速、波长、频率的关系。 3.能区分机械波与电磁波，熟记电磁波谱各波段划分及对应特性。 4.了解无线电通信、红外遥感、紫外线消毒、X射线探伤等电磁波生活与工业应用。 学习重难点 重点：麦克斯韦电磁场理论、电磁波基本规律、电磁波谱分类与应用 难点：均匀变化/周期性变化电磁场的区别、电磁波与机械波的对比辨析 知识点麦克斯韦电磁场理论 1.两大核心论断 (1)变化的磁场产生电场 恒定不变的磁场：不会激发电场； 均匀变化的磁场：激发恒定电场； 周期性(振荡)变化的磁场：激发同频率周期性变化的电场。 (2)变化的电场产生磁场 恒定不变的电场(直流稳态电路)：不会激发磁场； 均匀变化的电场：激发恒定磁场； 周期性(振荡)变化的电场：激发同频率周期性变化的磁场。 2.电磁场与电磁波诞生 周期性交替变化的电场、磁场会相互激发、由近及远向外传播，形成电磁波。 麦克斯韦通过理论预言电磁波存在，赫兹通过电火花实验首次证实电磁波真实存在。 3.电场分类补充 静电场：由静止电荷产生，电场线不闭合； 感生电场(涡旋电场)：由变化磁场激发，电场线闭合，可驱动导体产生感应电动势。 随学随练 1．以下说法中正确的是（　　） A．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在并通过实验进行了证实 B．变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场 C．LC振荡电路中，即使没有电阻，也会有能量损失 D．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变低，这属于多普勒效应 【答案】C 【详解】A．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹通过实验进行了证实。故A错误； B．周期性变化的电场一定在周围空间产生周期性变化的磁场。故B错误； C．LC振荡电路中，即使没有电阻，也会不断向外辐射电磁波，导致有能量损失。故C正确； D．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变高，这属于多普勒效应。故D错误。 故选C。 2．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（　　） A．振荡的电场周围一定产生同频率变化的磁场 B．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 C．在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场 D．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 【答案】A 【详解】A．振荡电场周围一定产生同频率的振荡磁场，振荡磁场周围一定产生同频率的振荡电场。故A正确； BCD．均匀变化的电场产生恒定的磁场，若非均匀变化的电场，则产生非均匀变化的磁场。同样，均匀变化的磁场产生恒定的电场。故BCD错误。 故选A。 3．（多选）下列说法正确的是（    ） A．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在 B．单摆做简谐运动的周期（或频率）跟振幅及摆球质量无关 C．当波源与观察者靠近时，观测者测得的频率等于波源频率 D．为了清晰拍摄玻璃橱窗内的物品，应选用有偏振片的相机镜头 【答案】BD 【详解】A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，选项A错误； B．单摆做简谐运动的周期（或频率）只与摆长和当地的重力加速度有关，跟振幅及摆球质量无关，选项B正确； C．根据多普勒效应，当波源与观察者靠近时，观测者测得的频率大于波源频率，选项C错误； D．由于反射光是偏振光，在拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以减弱玻璃的反射光，选项D正确。 故选BD。 知识点电磁波的基本性质 1.产生条件 存在周期性振荡的电流/电荷，振荡电路能产生高频交变电磁场，向外辐射电磁波。 2.传播特点 (1)传播无需介质，真空、空气、固体、液体中均可传播，机械波必须依赖介质； (2)真空内所有电磁波传播速度相同，等于光速：； (3)横波：电场强度、磁感应强度振动方向均垂直于电磁波传播方向，具备偏振现象； (4)携带能量，电磁辐射本质是能量向外传递。 3.波长、频率、波速关系 公式： ：真空电磁波波速；：波长；：频率 同一电磁波从真空传入介质，频率不变，波速、波长同步减小。 4.电磁波与机械波对比 对比维度 电磁波 机械波 传播介质 不需要介质，真空可传播 必须依赖介质，真空无法传播 波型 横波 横波/纵波均可 传播速度 真空恒为光速 由介质本身性质决定，速度远小于光速 产生源头 周期性变化的电磁场 质点机械振动 随学随练 4．（多选）当代人类的生活和电磁波紧密相关，关于电磁波，下列说法正确的是（　　） A．只要把带电体和永磁体放在一起，就会在周围空间产生电磁波 B．电磁波在传播过程中，随介质的变化其波速是变化的 C．电视机、收音机和手机所接收的信号都属于电磁波 D．微波炉内所产生的微波不是电磁波，而是波长很短的机械波 【答案】BC 【详解】A．周期性变化的磁场、电场才能产生电磁波，故A错误； B．电磁波的传播速度与介质有关，介质的变化波速变化，故B正确； C．电磁波能够携带信号，用于通讯、广播等，所以电视机、收音机和手机所接收的信号都属于电磁波，故C正确； D．微波炉内的微波是波长较短的电磁波，故D错误。 故选BC。 5．下列说法不正确的是（　　） A．听到迎面而来越来越尖锐的汽笛声，这是波的多普勒效应 B．变化的磁场能产生电场，变化的电场也能产生磁场 C．围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音，这是声音的衍射现象 D．红外线、X射线、紫外线、可见光都是电磁波 【答案】C 【详解】A．听到迎面而来越来越尖锐的汽笛声是多普勒效应，故A正确，不符合题意； B．变化的磁场能产生电场，变化的电场也能产生磁场，故B正确，不符合题意； C．围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音，是由于音叉发出两个频率相同的声波相互叠加，从而出现加强区和减弱区，属于波的干涉现象，故C错误，符合题意； D．红外线、X射线、紫外线、可见光都是电磁波，故D正确，不符合题意。 故选C。 6．下列说法不正确的是（　　） A．雷达用的是长波 B．红外线的波长比无线电波的波长短，比可见光的波长长 C．紫外线可以用来防伪 D．波长最短的电磁辐射是射线 【答案】A 【详解】A．雷达为“无线电探测和距离”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置，因此雷达也被称为“无线电定位”，雷达用频率极高的无线电波也就是波长极短的无线电波，不是长波，A错误； BD．电磁波中频率从小到大顺序为：无线电波，红外线，可见光，紫外线，X射线，射线。频率越小，波长越长，因此红外线的波长比无线电波的波长短，比可见光的波长长，波长最短的是射线，BD正确； C．紫外线有荧光作用，因此可以用来防伪，C正确。 故不正确的选A。 知识点电磁波谱及各波段特性、应用 按波长由长到短(频率由低到高)排序： 无线电波→红外线→可见光→紫外线→X射线→γ射线 1.无线电波(波长最长，频率最低) 细分：长波、中波、短波、微波 长/中波：调幅广播、地面无线电通信； 短波：远距离无线电广播，依靠电离层反射传播； 微波：手机通信、WiFi、雷达、微波炉。 2.红外线 一切温度高于绝对零度的物体都会辐射红外线； 特性：热效应显著，穿透云雾能力强； 应用：红外测温仪、红外夜视仪、遥感卫星、浴霸加热。 3.可见光 人眼唯一可感知的电磁波，分红橙黄绿蓝靛紫七色； 应用：照明、摄影、光纤通信(激光属于可见光/近红外)。 4.紫外线 特性：荧光效应、杀菌消毒，过量照射损伤皮肤； 应用：紫外线消毒柜、验钞机(荧光防伪)、促进人体合成维生素D。 5.X射线(伦琴射线) 穿透中等密度物质，无法穿透重金属骨骼； 应用：医用拍片、工业金属探伤、安检设备。 6.γ射线(波长最短、频率最高、能量最强) 原子核衰变产生，极强穿透能力； 应用：肿瘤放疗、工业厚金属探伤、辐射诱变育种。 随学随练 7．（多选）下列关于科学技术的运用的说法正确的是（　　） A．交通警察用监视器测量汽车的速度时可利用多普勒效应 B．用声呐探测水中的暗礁、潜艇，利用了波的反射 C．在摄像机中，摄像管的作用是摄取景物的图像并将其转换为电信号 D．雷达是利用超声波来测定物体位置的无线电设备 E．医生利用B超探测人体内脏的位置，发现可能的病变，其原理是利用了波的衍射 【答案】ABC 【详解】A．交通警察用监视器测量汽车的速度时可利用多普勒效应，A正确； B．用声呐探测水中的暗礁、潜艇，利用了波的反射，B正确； C．在摄像机中，摄像管的作用是摄取景物的图像并将其转换为电信号，C正确； D．雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，D错误； E．医生利用B超探测人体内脏的位置，发现可能的病变，其原理是利用了波的反射，E错误。 故选ABC。 8．关于电磁波及其用途，下列说法正确的是（　　） A．机场处用红外线对旅客的行礼箱进行安全检查 B．适量紫外线照射人体能促使人体合成维生素D C．在烤箱中能看见一种淡红色的光线，这是电热丝发出的红外线 D．无线电波的波长小于X射线的波长 【答案】B 【详解】A．机场处用Ｘ射线对旅客的行礼箱进行安全检查，故A错误； B．适量紫外线照射人体能促使人体合成维生素D，故B正确； C．在烤箱中能看见一种淡红色的光线，这是电热丝发出的红光，红外线是肉眼看不到的，故C错误； D．沿着电磁波谱的顺序波长逐渐减小，所以无线电波的波长大于X射线的波长，故D错误。 故选B。 9．人类一直没有停止对太空文明的探索，《三体》就是对地外文明哲学思考的一部科幻作品。某次探索地外文明时要向某星云发射波长为21cm的电磁波。下列关于该电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波是横波 B．电磁波只能在真空中传播 C．电磁波在真空中的传播速度大小为 D．该电磁波相比于可见光更不容易发生衍射 【答案】A 【详解】A．电磁波能发生偏振，所以电磁波是横波，故A正确； B．电磁波能在真空中传播，也能在介质中传播，故B错误； C．电磁波在真空中的传播速度大小为 故C错误； D．该电磁波的波长比可见光的波长大，所以该电磁波相比于可见光更容易发生衍射，故D错误。 故选A。 疑难点均匀变化与周期性变化电磁场区分 恒定磁场/电场：不激发任何场； 均匀变化(线性增减)的磁场/电场：只产生恒定电场/磁场，恒定场无法继续激发新场，不能形成电磁波； 周期性正弦式变化的磁场/电场：交替激发交变场，才能持续向外传播形成电磁波； 易错点：只要磁场变化就一定产生电磁波(错误，均匀变化磁场只能生成恒定电场，无法形成电磁波)。 活学活用 10．（多选）回旋加速器两个D形盒的半径为R，处于与盒面垂直的匀强磁场中，磁感应强度的大小为B，用LC振荡器作为带电粒子加速的交流高频电源，已知电感为L，电容为C。则下列正确的是（    ） A．被加速粒子的比荷为 B．被加速粒子最大速度与高频电源电压有关 C．被加速粒子最大速度与D形盒的半径R有关 D．在磁感应强度不变的情况下，比荷不同的粒子，可以用同一LC振荡器作为粒子的加速度电源 【答案】AC 【详解】A．被加速粒子在磁场中的运动周期等于LC振荡电路的周期，即 解得粒子的比荷为 选项A正确； BC．粒子被加速到速度最大时 解得最大速度 可知被加速粒子最大速度与高频电源电压无关，与D形盒的半径R有关，选项B错误，C正确； D．根据上述结论 在磁感应强度不变的情况下，比荷不同的粒子，不可以用同一LC振荡器作为粒子的加速度电源，选项D错误。 故选AC。 11．如图所示的电路中，电感的自感系数为，电容器的电容可调节，电源的电动势为，内阻为，定值电阻的阻值为，忽略电感线圈的直流电阻，闭合开关S，经过一段时间电路达到稳定状态，时刻将开关S断开。LC振荡电路的频率为，求： （1）电容器的电容； （2）断开开关S后，电流表的示数； （3）哪些时刻电容器的上极板开始带正电。 【答案】（1）；（2）1A；（3） 【详解】（1）根据 解得 （2）断开开关S前，由闭合电路欧姆定律可得 断开开关S后，电流表的示数 联立，解得 （3）LC振荡电路的周期为 时刻开始，LC振荡电路开始工作，在一个振荡周期内，电容器充电，下极板为正极板，电容器反向充电，上极板开始带正电。由此可知电容器的上极板开始带正电的时刻为 12．用如图所示装置可测量储液罐中不导电液体的液面高度。将与储液罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器置于储液罐中（金属板已做绝缘处理）电容器可通过开关与线圈或电源相连。当开关与接触时，电容器的左极板带______（选填“正电”“负电”或“不带电”）；再将开关从拨到，线圈与电容器构成的回路中将产生振荡电流，振荡电流的频率（其中为线圈的自感系数，为电容器的电容）。当储液罐内的液面高度升高时，电容______（选填“增大”“减小”或“不变”），振荡电流的频率将______（选填“增大”“减小”或“不变”），通过测量振荡频率可知储液罐内不导电液面的高度变化。 【答案】 正电 增大 减小 【详解】[1]当开关与接触时，电容器的左极板与电源正极相连，带正电。 [2]根据 可知，当储液罐内的液面高度升高时，极板间的有液体部分的正对面积增大，电容增大。 [3]根据 可知，振荡电流的频率将减小。 基础通关 1．关于物理学史下列说法正确的是（　　） A．库仑用油滴实验测出了电子的电量 B．安培发现了电流的磁效应现象 C．法拉第最先提出力线与场的观点 D．麦克斯韦最先发现了电磁波 【答案】C 【详解】A．密立根用油滴实验测出了电子的电量，选项A错误； B．奥斯特发现了电流的磁效应现象，选项B错误； C．法拉第最先提出力线与场的观点，选项C正确； D．麦克斯韦最先预言了电磁波，赫兹最早用实验证明了电磁波的存在，选项D错误。 故选C。 2．下列关于电磁波的说法正确的是（　　） A．X射线穿透力较强，可用来进行人体透视 B．紫外线能在磁场中偏转，有很强的荧光效应，可用于防伪 C．麦克斯韦建立了电磁场理论并证实了电磁波的存在 D．红外体温计是依据体温计发射红外线来测量体温的 【答案】A 【详解】A．X射线穿透力较强，可用来进行人体透视，故A正确； B．紫外线有很强的荧光效应，可用于防伪，但不带电，不能在磁场中偏转，故B错误； C．麦克斯韦建立了电磁场理论并预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，故C错误； D．红外体温计是依据人体发射红外线来测量体温的，不是体温计发射红外线，故D错误。 故选A。 3．下列说法正确的是（　　） A．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 B．做圆周运动的物体，所受力的合力一定时刻指向圆心 C．如果穿过线圈的磁通量为零，则该处的磁感应强度不一定为零 D．动量为零时，物体一定处于平衡状态 【答案】C 【详解】A．变化的电场周围可能产生变化的磁场也可能产生恒定的磁场，变化的磁场周围可能产生变化的电场，也可能产生恒定的电场，故A错误； B．做匀速圆周运动的物体合力一定指向圆心，但做变速圆周运动的物体合力不一定指向圆心，故B错误； C．如果穿过线圈的磁通量为零，由于平面和磁场的夹角未知，所以该处的磁感应强度不一定为零，故C正确； D．动量为零时，物体速度为零，但加速度不一定为零，不一定处于平衡状态，故D错误。 故选C。 4．下列说法正确的是（    ） A．法拉第在对理论和实验资料进行严格分析后，得出了法拉第电磁感应定律 B．电磁波在不同介质中的传播速度大小都相同 C．要提高LC振荡电路的振荡频率，可以减小电容器极板的正对面积 D．LC振荡电路的电容器放电完毕时，回路中磁场能最小，电场能最大 【答案】C 【详解】A．法拉第发现的电磁感应现象，他的学生韦伯和纽曼在对理论和实验资料进行严格分析后，得出了法拉第电磁感应定律，故A错误； B．电磁波的传播速度与介质有关，在不同介质中的传播速度大小不同，故B错误； C．振荡电路的频率为 又因为电容器的电容决定式为 减小电容器极板的正对面积，电容器的电容减小，所以振荡电路的振荡频率增大，故C正确； D．LC振荡电路的电容器放电完毕时，回路中电场能最小，磁场能最大，故D错误。 故选C。 5．随着科技的进步，越来越多的人使用蓝牙耳机，手机与基站及耳机的通信如下图所示。若基站与手机、手机与耳机之间通信的电磁波分别为甲波、乙波，则以下说法正确的是（　　） A．甲波的波长比可见光的小 B．乙波的波长比可见光的大 C．甲波的波长比乙波的小 D．乙波比甲波更容易发生衍射现象 【答案】B 【详解】ABC．由图可知，甲波和乙波的波长都比可见光的大，甲波的波长比乙波的大，选项AC错误，B正确； D．甲波长较大，则甲波比乙波更容易发生衍射现象，选项D错误。 故选B。 6．下列几幅图的有关说法正确的是（　　） A．图甲光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象 B．图乙中的液晶显示器是应用了光的全反射 C．图丙医生用听诊器来听病人心脏跳动的声音是利用波的衍射现象 D．图丁所示的WiFi是一种无线传输技术，因为波长太短，只限于短程传输 【答案】A 【详解】A．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象， 故A正确； B．液晶显示器应用了光的偏振原理，故B错误； C．病人的心跳声主要是靠管内空气传到医生的耳朵里，医生听到的心跳声很响，其主要原因有两个： 采用了共振和减少了声音的分散，故C错误； D．WiFi信号的实质是由发射器发出的一种电磁波，WiFi信号限于短程传输，是因为其能量太低，在传输过程中存在能量损失，不能远程传播，故D错误。 故选A。 7．在我们的生产生活中很多应用都与电磁波有关，则下列说法正确的是（　　） A．验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的荧光作用 B．X射线和射线都可以探测金属构件内部的缺陷，X射线还可以摧毁病变细胞，治疗某些癌症 C．红外线的显著作用是热效应，温度较低的物体不能辐射红外线 D．麦克斯韦预言了电磁波并在实验室证实了电磁波的存在 【答案】A 【详解】A．验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的荧光作用，选项A正确； B．X射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它的穿透力很强。在工业上可用于检查工件内部是否有砂眼、裂纹等缺陷；医学上可用来透视人体，检查体内的病变和骨骼情况。γ射线是比X射线波长更短的电磁波，其穿透能力比X射线更强，因此工业上常用来进行探伤；医学上，则利用其强穿透能力来杀死病态细胞，治疗癌症等疾病，选项B错误； C．红外线的显著作用是热效应，任何物体都能辐射红外线，选项C错误； D．麦克斯韦预言了电磁波，赫兹在实验室证实了电磁波的存在，选项D错误。 故选A。 8．（多选）以下说法中正确的是（　　） A．磁场是实际存在于磁体或电流周围的一种物质，可用磁感线来研究磁场的相关性质，故磁感线也是存在的 B．法拉第提出了场的概念，并且直观地描绘了场的清晰图像 C．红外线可以用于消毒，紫外线可以用于遥感 D．电磁波谱中按波长从大到小排列的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线 【答案】BD 【详解】A．磁场是实际存在于磁体或电流周围的一种物质，可用磁感线来研究磁场的相关性质，但是磁感线是人们为描述磁场而假想的，不是客观存在的，选项A错误； B．法拉第提出了场的概念，并且直观地描绘了场的清晰图像，选项B正确； C．紫外线有化学作用，可以用于消毒，红外线波长较大，可以用于遥感，选项C错误 D．电磁波谱中按波长从大到小排列的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，选项D正确。 故选BD。 9．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．电磁波在玻璃中的传播速度大于在真空中的传播速度 B．γ射线的频率大于红外线的频率 C．丹麦物理学家奥斯特建立了经典电磁场理论 D．法拉第通过一系列实验，证实了电磁场理论 【答案】B 【详解】A．电磁波在玻璃中的折射率大于1，根据可知，电磁波在玻璃中的传播速度小于在真空中的传播速度，故A错误； B．根据电磁波谱中的各种光的排列可知，γ射线的频率大于红外线的频率，故B正确； C．丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，麦克斯韦建立了经典电磁场理论，故C错误； D．赫兹通过一系列实验，证实了光的电磁理论，法拉第通过一系列实验，发现了电磁感应现象，故D错误； 故选B。 10．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是（　　） A．红外线具有很强的穿透本领，常用来在医学上进行人体透视 B．适量的紫外线照射有利于人的健康 C．紫外线热效应显著，制成了紫外线炉 D．射线最容易用来观察衍射现象 【答案】B 【详解】AC．红外线具有很强的热效应，制成了红外线炉，穿透能力很差，故AC错误； B．适量的紫外线照射有利于人的健康，过量照射有害身体健康，故B正确； D．射线波长很短，不容易用来观察衍射现象，故D错误。 故B正确。 素养提升 11．对下列电器或设备的工作原理的描述，正确的是（　　） A．微波炉是利用电磁感应原理使食物温度升高的 B．手机无线充电的过程利用了电磁感应原理 C．雷达是利用超声波的多普勒效应进行测距和定位的 D．红外体温计是通过接收人体发射的X射线来测体温的 【答案】B 【详解】A．微波炉是一种利用微波加热食物的家电，通过加热食物中的水，从而实现加热目的，故A错误； B．手机无线充电技术应用了电磁感应原理，当交变电流通过充电底座中的线圈时，线圈产生磁场，带有金属线圈的只能手机靠近该磁场就能产生电流，通过“磁生电”来实线充电，故B正确； C．雷达是利用电磁波的多普勒效应进行测距和定位的，故C错误； D．红外体温计是通过接收人体发射的红射线来测体温的，故D错误。 故选B。 12．5G是“第五代移动通信网络”的简称，目前世界各国正大力发展 5G网络．5G网络使用的无线电波通信频率在3.0 GHz以上的超高频段和极高频段（如图所示），比目前4G及以下网络（通信频率在0.3GHz～3.0GHz间的特高频段）拥有更大的带宽和更快的传输速率．未来5G网络的传输速率（指单位时间传送的数据量大小）可达10G bps（bps为bits per second的英文缩写，即比特率、比特/秒），是4G网络的50-100倍．关于5G网络使用的无线电波，下列说法正确的是 A．在真空中的传播速度更快 B．在真空中的波长更长 C．衍射的本领更强 D．频率更高，相同时间传递的信息量更大 【答案】D 【详解】A、无线电波（电磁波）在真空的传播速度与光速相同，保持不变，其速度与频率没有关系，故A错误； BC、由公式可知：，频率变大，波长变短，衍射本领变弱，故BC错误； D、无线电波（电磁波）频率越高，周期越小，相同时间内可承载的信息量越大，故D正确． 迁移创新 13．如图所示是接收无线电波的简易收音机电路图．已知L和C，当 C调至C0时， （1）指出哪些元件组成了调谐电路，周期是多少？ （2）这时该电路能收到的无线电波波长λ是多少？ （3）元件D、C1起什么作用？ 【答案】（1）线圈和可变电容组成了LC 调谐电路． （2） （3）D是检波元件，作用是从经过调制的高频振荡电流中取出调制信号．C1的作用是让高频成分基本上从此通过，剩下音频电流通过耳机． 【详解】（1）线圈和可变电容组成了LC调谐电路．这时周期 （2）谐振时f波＝f又c=λf ，故 （3）D是检波元件，作用是从经过调制的高频振荡电流中取出调制信号．C1 的作用是让高频成分基本上从此通过，剩下音频电流通过耳机． 14．（1）静电场可以用电场线和等势面形象描述． a．请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式； b．点电荷的电场线和等势面分布如图所示，等势面S₁、S₂到点电荷的距离分别为r₁、r₂．我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小．请计算S₁、S₂上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2． （2）观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小，观测越困难．为了收集足够强的来自天体的电磁波，增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要路径．2016年9月25日，世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用，被誉为“中国天眼”．FAST直径为500 m，有效提高了人类观测宇宙的精度和范围． a．设直径为100 m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P₁，计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P₂； b．在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的，仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象，设直径为100 m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0，计算FAST能够观测到的此类天体数目N． 【答案】（1）a． b．（2）a． b． 【详解】（1）a．在距Q为r的位置放一电荷量为q的检验电荷 根据库仑定律检验电荷受到的电场力 根据电场强度的定义 得 b．穿过每个面的电场线的总条数是相等的，若面积大，则单位面积上分担的条数就少， 故穿过两等势面单位面积上的电场线条数之比 （2）a．地球上不同望远镜观测同一天体，单位面积上接收的功率应该相同，因此 b．在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的．因此一个望远镜能观测到的此类天体数目正比于以望远镜为球心、以最远观测距离为半径的球体体积． 设地面上望远镜能观测到此类天体需收集到的电磁波的总功率的最小值为P0，直径为100 m望远镜和FAST能观测到的最远距离分别为L0和L，则 可得L=5L0 则 故本题答案是：（1）a     ;    b. （2）a    ;   b. 点睛：本题是一道信息题，要读懂题目中所描述的物理情景，然后结合物理知识求解，在电场线条数一定的情况下，圆的半径越大，则单位面积上的条数就越少；同样要知道地球上不同望远镜观测同一天体，单位面积上接收的功率应该相同，要借助于这些条件处理问题． 学科网（北京）股份有限公司1/10 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第五章 初识电磁场与电磁波 5.3初识电磁波及其应用 课标要点 1.了解麦克斯韦电磁场理论核心内容，知道变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场。 2.掌握电磁波的产生条件，理解电磁波传播不需要介质，知晓电磁波波速、波长、频率的关系。 3.能区分机械波与电磁波，熟记电磁波谱各波段划分及对应特性。 4.了解无线电通信、红外遥感、紫外线消毒、X射线探伤等电磁波生活与工业应用。 学习重难点 重点：麦克斯韦电磁场理论、电磁波基本规律、电磁波谱分类与应用 难点：均匀变化/周期性变化电磁场的区别、电磁波与机械波的对比辨析 知识点麦克斯韦电磁场理论 1.两大核心论断 (1)变化的磁场产生电场 恒定不变的磁场：不会激发电场； 均匀变化的磁场：激发恒定电场； 周期性(振荡)变化的磁场：激发同频率周期性变化的电场。 (2)变化的电场产生磁场 恒定不变的电场(直流稳态电路)：不会激发磁场； 均匀变化的电场：激发恒定磁场； 周期性(振荡)变化的电场：激发同频率周期性变化的磁场。 2.电磁场与电磁波诞生 周期性交替变化的电场、磁场会相互激发、由近及远向外传播，形成电磁波。 麦克斯韦通过理论预言电磁波存在，赫兹通过电火花实验首次证实电磁波真实存在。 3.电场分类补充 静电场：由静止电荷产生，电场线不闭合； 感生电场(涡旋电场)：由变化磁场激发，电场线闭合，可驱动导体产生感应电动势。 随学随练 1．以下说法中正确的是（　　） A．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在并通过实验进行了证实 B．变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场 C．LC振荡电路中，即使没有电阻，也会有能量损失 D．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变低，这属于多普勒效应 2．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（　　） A．振荡的电场周围一定产生同频率变化的磁场 B．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 C．在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场 D．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 3．（多选）下列说法正确的是（    ） A．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在 B．单摆做简谐运动的周期（或频率）跟振幅及摆球质量无关 C．当波源与观察者靠近时，观测者测得的频率等于波源频率 D．为了清晰拍摄玻璃橱窗内的物品，应选用有偏振片的相机镜头 知识点电磁波的基本性质 1.产生条件 存在周期性振荡的电流/电荷，振荡电路能产生高频交变电磁场，向外辐射电磁波。 2.传播特点 (1)传播无需介质，真空、空气、固体、液体中均可传播，机械波必须依赖介质； (2)真空内所有电磁波传播速度相同，等于光速：； (3)横波：电场强度、磁感应强度振动方向均垂直于电磁波传播方向，具备偏振现象； (4)携带能量，电磁辐射本质是能量向外传递。 3.波长、频率、波速关系 公式： ：真空电磁波波速；：波长；：频率 同一电磁波从真空传入介质，频率不变，波速、波长同步减小。 4.电磁波与机械波对比 对比维度 电磁波 机械波 传播介质 不需要介质，真空可传播 必须依赖介质，真空无法传播 波型 横波 横波/纵波均可 传播速度 真空恒为光速 由介质本身性质决定，速度远小于光速 产生源头 周期性变化的电磁场 质点机械振动 随学随练 4．（多选）当代人类的生活和电磁波紧密相关，关于电磁波，下列说法正确的是（　　） A．只要把带电体和永磁体放在一起，就会在周围空间产生电磁波 B．电磁波在传播过程中，随介质的变化其波速是变化的 C．电视机、收音机和手机所接收的信号都属于电磁波 D．微波炉内所产生的微波不是电磁波，而是波长很短的机械波 5．下列说法不正确的是（　　） A．听到迎面而来越来越尖锐的汽笛声，这是波的多普勒效应 B．变化的磁场能产生电场，变化的电场也能产生磁场 C．围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音，这是声音的衍射现象 D．红外线、X射线、紫外线、可见光都是电磁波 6．下列说法不正确的是（　　） A．雷达用的是长波 B．红外线的波长比无线电波的波长短，比可见光的波长长 C．紫外线可以用来防伪 D．波长最短的电磁辐射是射线 知识点电磁波谱及各波段特性、应用 按波长由长到短(频率由低到高)排序： 无线电波→红外线→可见光→紫外线→X射线→γ射线 1.无线电波(波长最长，频率最低) 细分：长波、中波、短波、微波 长/中波：调幅广播、地面无线电通信； 短波：远距离无线电广播，依靠电离层反射传播； 微波：手机通信、WiFi、雷达、微波炉。 2.红外线 一切温度高于绝对零度的物体都会辐射红外线； 特性：热效应显著，穿透云雾能力强； 应用：红外测温仪、红外夜视仪、遥感卫星、浴霸加热。 3.可见光 人眼唯一可感知的电磁波，分红橙黄绿蓝靛紫七色； 应用：照明、摄影、光纤通信(激光属于可见光/近红外)。 4.紫外线 特性：荧光效应、杀菌消毒，过量照射损伤皮肤； 应用：紫外线消毒柜、验钞机(荧光防伪)、促进人体合成维生素D。 5.X射线(伦琴射线) 穿透中等密度物质，无法穿透重金属骨骼； 应用：医用拍片、工业金属探伤、安检设备。 6.γ射线(波长最短、频率最高、能量最强) 原子核衰变产生，极强穿透能力； 应用：肿瘤放疗、工业厚金属探伤、辐射诱变育种。 随学随练 7．（多选）下列关于科学技术的运用的说法正确的是（　　） A．交通警察用监视器测量汽车的速度时可利用多普勒效应 B．用声呐探测水中的暗礁、潜艇，利用了波的反射 C．在摄像机中，摄像管的作用是摄取景物的图像并将其转换为电信号 D．雷达是利用超声波来测定物体位置的无线电设备 E．医生利用B超探测人体内脏的位置，发现可能的病变，其原理是利用了波的衍射 8．关于电磁波及其用途，下列说法正确的是（　　） A．机场处用红外线对旅客的行礼箱进行安全检查 B．适量紫外线照射人体能促使人体合成维生素D C．在烤箱中能看见一种淡红色的光线，这是电热丝发出的红外线 D．无线电波的波长小于X射线的波长 9．人类一直没有停止对太空文明的探索，《三体》就是对地外文明哲学思考的一部科幻作品。某次探索地外文明时要向某星云发射波长为21cm的电磁波。下列关于该电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波是横波 B．电磁波只能在真空中传播 C．电磁波在真空中的传播速度大小为 D．该电磁波相比于可见光更不容易发生衍射 疑难点均匀变化与周期性变化电磁场区分 恒定磁场/电场：不激发任何场； 均匀变化(线性增减)的磁场/电场：只产生恒定电场/磁场，恒定场无法继续激发新场，不能形成电磁波； 周期性正弦式变化的磁场/电场：交替激发交变场，才能持续向外传播形成电磁波； 易错点：只要磁场变化就一定产生电磁波(错误，均匀变化磁场只能生成恒定电场，无法形成电磁波)。 活学活用 10．（多选）回旋加速器两个D形盒的半径为R，处于与盒面垂直的匀强磁场中，磁感应强度的大小为B，用LC振荡器作为带电粒子加速的交流高频电源，已知电感为L，电容为C。则下列正确的是（    ） A．被加速粒子的比荷为 B．被加速粒子最大速度与高频电源电压有关 C．被加速粒子最大速度与D形盒的半径R有关 D．在磁感应强度不变的情况下，比荷不同的粒子，可以用同一LC振荡器作为粒子的加速度电源 11．如图所示的电路中，电感的自感系数为，电容器的电容可调节，电源的电动势为，内阻为，定值电阻的阻值为，忽略电感线圈的直流电阻，闭合开关S，经过一段时间电路达到稳定状态，时刻将开关S断开。LC振荡电路的频率为，求： （1）电容器的电容； （2）断开开关S后，电流表的示数； （3）哪些时刻电容器的上极板开始带正电。 12．用如图所示装置可测量储液罐中不导电液体的液面高度。将与储液罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器置于储液罐中（金属板已做绝缘处理）电容器可通过开关与线圈或电源相连。当开关与接触时，电容器的左极板带______（选填“正电”“负电”或“不带电”）；再将开关从拨到，线圈与电容器构成的回路中将产生振荡电流，振荡电流的频率（其中为线圈的自感系数，为电容器的电容）。当储液罐内的液面高度升高时，电容______（选填“增大”“减小”或“不变”），振荡电流的频率将______（选填“增大”“减小”或“不变”），通过测量振荡频率可知储液罐内不导电液面的高度变化。 基础通关 1．关于物理学史下列说法正确的是（　　） A．库仑用油滴实验测出了电子的电量 B．安培发现了电流的磁效应现象 C．法拉第最先提出力线与场的观点 D．麦克斯韦最先发现了电磁波 2．下列关于电磁波的说法正确的是（　　） A．X射线穿透力较强，可用来进行人体透视 B．紫外线能在磁场中偏转，有很强的荧光效应，可用于防伪 C．麦克斯韦建立了电磁场理论并证实了电磁波的存在 D．红外体温计是依据体温计发射红外线来测量体温的 3．下列说法正确的是（　　） A．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 B．做圆周运动的物体，所受力的合力一定时刻指向圆心 C．如果穿过线圈的磁通量为零，则该处的磁感应强度不一定为零 D．动量为零时，物体一定处于平衡状态 4．下列说法正确的是（    ） A．法拉第在对理论和实验资料进行严格分析后，得出了法拉第电磁感应定律 B．电磁波在不同介质中的传播速度大小都相同 C．要提高LC振荡电路的振荡频率，可以减小电容器极板的正对面积 D．LC振荡电路的电容器放电完毕时，回路中磁场能最小，电场能最大 5．随着科技的进步，越来越多的人使用蓝牙耳机，手机与基站及耳机的通信如下图所示。若基站与手机、手机与耳机之间通信的电磁波分别为甲波、乙波，则以下说法正确的是（　　） A．甲波的波长比可见光的小 B．乙波的波长比可见光的大 C．甲波的波长比乙波的小 D．乙波比甲波更容易发生衍射现象 6．下列几幅图的有关说法正确的是（　　） A．图甲光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象 B．图乙中的液晶显示器是应用了光的全反射 C．图丙医生用听诊器来听病人心脏跳动的声音是利用波的衍射现象 D．图丁所示的WiFi是一种无线传输技术，因为波长太短，只限于短程传输 7．在我们的生产生活中很多应用都与电磁波有关，则下列说法正确的是（　　） A．验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的荧光作用 B．X射线和射线都可以探测金属构件内部的缺陷，X射线还可以摧毁病变细胞，治疗某些癌症 C．红外线的显著作用是热效应，温度较低的物体不能辐射红外线 D．麦克斯韦预言了电磁波并在实验室证实了电磁波的存在 8．（多选）以下说法中正确的是（　　） A．磁场是实际存在于磁体或电流周围的一种物质，可用磁感线来研究磁场的相关性质，故磁感线也是存在的 B．法拉第提出了场的概念，并且直观地描绘了场的清晰图像 C．红外线可以用于消毒，紫外线可以用于遥感 D．电磁波谱中按波长从大到小排列的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线 9．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．电磁波在玻璃中的传播速度大于在真空中的传播速度 B．γ射线的频率大于红外线的频率 C．丹麦物理学家奥斯特建立了经典电磁场理论 D．法拉第通过一系列实验，证实了电磁场理论 10．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是（　　） A．红外线具有很强的穿透本领，常用来在医学上进行人体透视 B．适量的紫外线照射有利于人的健康 C．紫外线热效应显著，制成了紫外线炉 D．射线最容易用来观察衍射现象 素养提升 11．对下列电器或设备的工作原理的描述，正确的是（　　） A．微波炉是利用电磁感应原理使食物温度升高的 B．手机无线充电的过程利用了电磁感应原理 C．雷达是利用超声波的多普勒效应进行测距和定位的 D．红外体温计是通过接收人体发射的X射线来测体温的 12．5G是“第五代移动通信网络”的简称，目前世界各国正大力发展 5G网络．5G网络使用的无线电波通信频率在3.0 GHz以上的超高频段和极高频段（如图所示），比目前4G及以下网络（通信频率在0.3GHz～3.0GHz间的特高频段）拥有更大的带宽和更快的传输速率．未来5G网络的传输速率（指单位时间传送的数据量大小）可达10G bps（bps为bits per second的英文缩写，即比特率、比特/秒），是4G网络的50-100倍．关于5G网络使用的无线电波，下列说法正确的是 A．在真空中的传播速度更快 B．在真空中的波长更长 C．衍射的本领更强 D．频率更高，相同时间传递的信息量更大 迁移创新 13．如图所示是接收无线电波的简易收音机电路图．已知L和C，当 C调至C0时， （1）指出哪些元件组成了调谐电路，周期是多少？ （2）这时该电路能收到的无线电波波长λ是多少？ （3）元件D、C1起什么作用？ 14．（1）静电场可以用电场线和等势面形象描述． a．请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式； b．点电荷的电场线和等势面分布如图所示，等势面S₁、S₂到点电荷的距离分别为r₁、r₂．我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小．请计算S₁、S₂上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2． （2）观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小，观测越困难．为了收集足够强的来自天体的电磁波，增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要路径．2016年9月25日，世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用，被誉为“中国天眼”．FAST直径为500 m，有效提高了人类观测宇宙的精度和范围． a．设直径为100 m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P₁，计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P₂； b．在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的，仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象，设直径为100 m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0，计算FAST能够观测到的此类天体数目N． 学科网（北京）股份有限公司1/10 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $