第三章 4 电磁波的发现及其应用（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二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，系统梳理麦克斯韦电磁场理论、电磁波波长频率波速关系、电磁波谱分类及应用，构建从理论到特性再到应用的完整学习支架。 资料通过实验问题引入（如红外体温计原理）培养科学探究，表格对比（电磁场理论、电磁波谱特性）助力科学思维，结合高考例题强化物理观念，课中辅助教学引导，课后练习帮助学生查漏补缺。

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　(2024·成都市高二期末)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)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。(　√　) (2)电磁波依赖于介质才能传播。 (　×　) (3)无线电波、红外线、可见光、紫外线都属于电磁波。 (　√　) (4)电磁波频率最大的是γ射线，医学上常用它进行人体透视检查。 (　×　) 例2　(来自教材)可见光是一种电磁波，已知可见光在真空传播时的波长范围为400 nm到700 nm，请计算可见光的频率范围(已知真空中光速c=3×108 m/s)。 答案　4.29×1014~7.5×1014 Hz 解析　根据公式c=λf可知，光的频率f=，已知可见光在真空传播时的波长范围为400 nm到700 nm，故光的最小频率为fmin= Hz≈4.29×1014 Hz 最大频率为fmax= Hz=7.5×1014 Hz 因此可见光的频率范围为4.29×1014~7.5×1014 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，频率最小的是红外线，故选C。 例4　(2024·成都市高二期末)现代生活离不开电磁波。关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A.只有高温的物体才能发射红外线 B.赫兹首先用实验证实了电磁波的存在 C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播 D.γ射线是波长最短的电磁波，它的频率小于X射线的频率 答案　B 解析　任何物体都能发射红外线，选项A错误；赫兹首先用实验证实了电磁波的存在，选项B正确；电磁波可以在真空中传播，不依赖于介质传播，选项C错误；在电磁波谱中，γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，选项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　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 [分值：50分] [1~9题，每题4分] 考点一　电磁场 1.(2024·泸州市泸县第五中学高二期末)关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　　) A.电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电场 B.电磁场由发生的区域向远处的传播形成电磁波 C.在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场 D.电磁波是一种波，声波也是一种波，理论上它们是同种性质的波动 答案　B 解析　变化的电场和变化的磁场相互联系，它们统称为电磁场，故A错误；电磁场由发生的区域向远处传播形成电磁波，选项B正确；在变化的电场周围一定产生磁场，在变化的磁场周围一定产生电场，选项C错误；电磁波是一种波，声波也是一种波，但声波是机械波，它们是不同种性质的波动，选项D错误。 题点　电磁波的发现 2.(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。 题点　电磁波的发现 考点二　电磁波和电磁波谱 3.(多选)(2024·成都市实外高级中学高二期中)“中国天眼”位于贵州的大山深处，是500 m口径球面射电望远镜(FAST)。它通过接收来自宇宙深处的电磁波，探索宇宙。已知真空中光速为3×108 m/s。下列关于电磁波的说法正确的是(　　) A.电磁波在任何介质中传播速度均为3×108 m/s B.红外线的波长比紫外线大 C.麦克斯韦认为均匀变化的电场能激发出变化的磁场，空间将产生电磁波 D.赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论 答案　BD 解析　电磁波在不同介质中的传播速度不同，其在真空中传播的速度为3×108m/s，A错误；红外线的波长比紫外线大，B正确；麦克斯韦认为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，C错误；赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，D正确。 题点　电磁波的发现 4.(2024·南充市高二期中)电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波、X射线等，下列按频率由高到低排列顺序的是(　　) A.无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线 B.γ射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波 C.γ射线、X射线、红外线、紫外线、无线电波 D.X射线、γ射线、紫外线、无线电波、红外线 答案　B 解析　由电磁波谱可知按频率由高到低排列顺序为：γ射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波，故选B。 题点　电磁波分类及比较 5.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。 题点　波速、波长、频率的关系及应用 6.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。对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，有较好的穿透云雾的能力。可见光波段、紫外波段、X射线波段不具备以上特点，故选B。 题点　电磁波分类及比较 7.(多选)关于电磁波的说法正确的是(　　) A.红外线、X射线、γ射线中红外线的波长最短 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.微波可用于广播及其他信号的传播 D.X射线可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞 答案　CD 解析　红外线、X射线、γ射线中红外线的频率最小，波长最长，选项A错误；银行的验钞机发出的光是紫外线，家用电器的遥控器发出的光是红外线，选项B错误；微波不但能加热物体，而且能传播信息，故可以用于通信、广播及其他信号传输，选项C正确；X射线有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，γ射线有极强的穿透本领和很高的能量，可以摧毁病变的细胞，选项D正确。 考点三　电磁波的应用 8.关于电磁波的应用，下列说法正确的是(　　) A.X射线有显著的化学作用，医院可用来杀菌消毒，也可用于进行人体透视 B.红外线波长短，分辨率高，侦察上可用红外线拍摄指纹照片 C.雷达发出或接收的电磁波受天气影响，在浓雾天能见度低的黑夜不能使用 D.空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力 答案　D 解析　X射线没有显著的化学作用，不能用来杀菌消毒，但X射线有较强的穿透能力，用来进行人体透视，故A错误；侦察上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短，分辨率高，故B错误；电磁波的使用不受天气影响，故雷达在能见度低的黑夜一样使用，故C错误；红外线的热作用很强，有较好的穿透云雾烟尘的能力，可以制成热谱仪、红外线夜视仪等，所以在空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力，故D正确。 题点　电磁波的应用　电磁波的分类及比较 9.(2024·自贡市高二期中)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。 题点　电磁波的应用 [10题6分] 10.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的球的表面积，代入数据，解得x≈2.0 m，故选B。 题点　波速、波长、频率的关系及应用 11.(8分)(来自教材)激光测距是精确地测量长度的方法。为了准确地测量地球与月球间的距离，我们把一个可反射激光的装置放置在月球上，从地球对着它发射一束激光，记录下从发射到接收到月球反射回来的激光的时间间隔约为2.56 s。激光在真空中传播的速度c=2.998×108 m/s，试通过计算确定地球到月球间的距离为多少。 答案　3.837×108 m 解析　根据题意，设地球到月球间的距离为x，有2x=ct 代入数据解得x≈3.837×108 m。 题点　电磁波的应用 学科网（北京）股份有限公司 $