第十三章 4 电磁波的发现及应用（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（人教版）

本讲义聚焦电磁波的发现及应用核心知识点，系统梳理麦克斯韦电磁场理论（变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场），电磁波的特点（无需介质传播、波速公式c=λf），电磁波谱的排列（无线电波、红外线到γ射线）及各波段应用，电磁波的能量及通信方式，构建从理论到应用的完整知识支架。 该资料通过表格对比不同变化电磁场的关系、例题解析（如FAST波长计算、5G频率与信息量关系）强化科学思维，结合“中国天眼”“5G通信”等实例培养科学态度与责任。课中辅助教师案例教学提升学生理解，课后课时对点练帮助学生巩固知识，查漏补缺。

4　电磁波的发现及应用 [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 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电路，由于穿过电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：变化的电场和磁场相互联系，所形成的不可分割的统一体。 例1　(多选)下列关于电磁场理论的叙述正确的是(　　) A.变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关 B.周期性变化的磁场产生同频率变化的电场 C.变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场 D.电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场 答案　AB 解析　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合电路时，电路中有电流，若无闭合电路，电场仍然存在，A正确；周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B正确；周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，形成电磁场，C错误；只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D错误。 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 1.(1)麦克斯韦的伟大预言：周期性变化的电场引起周期性变化的磁场，这个变化的磁场又引起新的变化的电场，这样变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。 (2)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”，不需要传播介质。 注意：电磁波传播虽然不需要介质，但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)光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动，电磁波在真空中的传播速度等于光速，即c=3×108 m/s。 (4)赫兹的贡献：1886年，科学家赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。 (5)电磁场中储存着能量，电磁波的发射过程就是辐射电磁能的过程。 2.波长、频率与波速之间的关系 (1)波速=波长×频率，即c=λf。 (2)频率由波源决定，与介质无关，而波长、波速的大小与介质有关，所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波长、波速发生改变。 (3)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。 (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。(　×　) 例2　(2025·保定市高二期末)下列关于电磁波的叙述中，正确的是(　　) A.电磁波的频率都相同 B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s C.麦克斯韦证实了电磁波的存在 D.电磁波具有波的一切特征 答案　D 解析　不同的电磁波，频率可以不同，故A错误；电磁波只有在真空中传播时，其速度才为3×108 m/s，故B错误；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，故C错误；因为电磁波也是一种波，故电磁波具有波的一切特征，故D正确。 例3　(2024·北京市期末)500米口径球面射电望远镜(简称FAST)又被称为“中国天眼”，是中国科学院国家天文台的一座射电望远镜，若其工作频率范围是7×107~3×109 Hz，那么它观测到的电磁波最长波长(　　) A.约0.1米 B.约4米 C.约40米 D.约1 000米 答案　B 解析　频率最小的电磁波的波长最长，则最长波长为λ== m≈4 m，故选B。 三、电磁波谱 1.电磁波谱 (1)概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。 (2)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 2.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 760~106 nm 热作用强 烘干、红外遥感、测温、夜视仪 可见光 400~760 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)过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康。(　×　) (2)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。(　×　) (3)紫外线和X射线都可以使感光底片感光。(　√　) 例4　某广播电台发射“中波”段某套节目的信号，家用微波炉中的微波，VCD机中的激光(可见光)，人体透视用的X光，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则(　　) A.f1>f2>f3>f4 B.f1<f2<f3<f4 C.f1<f3<f2<f4 D.f1>f3>f2>f4 答案　B 解析　由电磁波谱排列知 广播电台发射的“中波”段某套节目的信号频率最低，其次是家用微波炉中的微波，频率较高的是VCD机中的激光(可见光)，频率最高的是人体透视用的X光，即f1<f2<f3<f4，B正确。 例5　(2024·长沙市高二期末)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 解析　X射线穿透力较强，可用来进行人体透视，故A正确；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；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；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。 四、电磁波的能量　电磁波通信 1.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)电磁波具有能量 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。 2.电磁波通信 (1)传播途径 电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。 有线传播利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息，如台式电脑、电话等。 无线传播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，因此光缆可以传递大量的信息。 例6　5G是“第五代移动通信技术”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，比目前4G及以下网络(通信频率在0.3~3.0 GHz的特高频段)拥有更大的带宽和更快的传输速率。5G网络的传输速率(指单位时间传输的数据量大小)可达10 Gbps，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.在真空中的波长与4G网络使用的无线电波相同 D.频率更高，相同时间传递的信息量更大 答案　D 解析　无线电波在真空中的传播速度与光速相同，保持不变，其速度与频率没有关系，A错误；由c=λf，知频率变大，波长变短，B、C错误；无线电波频率越高，相同时间内传递的信息量越大，D正确。 课时对点练 [分值：50分] [1~8题，每题4分] 考点一　电磁场 1.(多选)在电磁学发展的过程中，许多科学家做出了贡献，下列说法正确的是(　　) A.奥斯特发现了电流的磁效应 B.法拉第发现了电磁感应现象 C.麦克斯韦预言了电磁波的存在，楞次用实验证实了电磁波的存在 D.库仑发现了点电荷间的相互作用规律，密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值 答案　ABD 解析　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，C错误。 2.关于电磁场理论，下列说法中正确的是(　　) A.稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场 B.非均匀变化的电场产生的磁场一定是均匀变化的 C.均匀变化的磁场一定产生变化的电场 D.均匀变化的电场一定产生稳定的磁场 答案　D 解析　稳定的电场不能产生磁场，稳定的磁场不能产生电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，故D正确。 3.下列四个选项中的四种磁场变化情况，能产生如图所示电场的是(　　) 答案　B 解析　由题图可知，产生的电场为稳定的电场，由麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的磁场才能产生稳定的电场，故选B。 考点二　电磁波及电磁波谱 4.(2024·阜阳市高二检测)下列关于电磁场、电磁波的说法中正确的是(　　) A.电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场 B.电磁波在不同介质中的传播速度大小都相同 C.人们利用电磁波传递信息或者能量 D.电磁场仅仅是一种描述方式，不是真正的物质存在 答案　C 解析　变化的电场周围一定存在磁场，变化的磁场周围一定存在电场，选项A错误；电磁波在不同介质中的传播速度大小不相同，选项B错误；人们利用电磁波传递信息或者能量，选项C正确；电磁场是真正存在的物质，选项D错误。 5.(多选)(2024·惠州市调研)使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意图如图所示，以下说法正确的是(　　) A.蓝牙通信的电磁波是可见光 B.蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短 C.两种电磁波都能在真空中传播 D.蓝牙通信的电磁波波速大于光速 答案　BC 解析　蓝牙通信的电磁波是无线电波，不是可见光，故A错误；在真空中传播时，蓝牙通信与手机通信的电磁波传播速度相等，但蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率，所以蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短，故B正确；一切电磁波都能在真空中传播，且在真空中的传播速度等于光速，故C正确，D错误。 6.(2025·天津市高二期末)如图所示是我国500 m口径球面射电望远镜(FAST)，它可以通过接收来自宇宙深处的电磁波探索宇宙。下列关于电磁波说法正确的是(　　) A.可见光不属于电磁波 B.电磁波不可以在真空中传播 C.X射线的波长比红外线的波长更长 D.电磁波的传播过程是伴随着能量向外传递的 答案　D 解析　可见光属于电磁波，故A错误；电磁波可以在真空中传播且在真空中的传播速度为光速，故B错误；根据电磁波谱，X射线的波长比红外线的波长短，故C错误；电磁波的传播过程是伴随着能量向外传递的，故D正确。 7.(2024·沈阳市高二学业考试)英国物理学家麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！电磁波在空气中的传播速度近似等于3×108 m/s，某无线电波的频率是0.998×108 Hz，该电磁波在空气中的波长约为(　　) A.1.52 m B.3.01 m C.2.56 m D.1.09 m 答案　B 解析　由c=λf，代入已知数据，解得λ== m≈3.01 m，故选B。 8.(多选)下列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低，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，故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，故D正确。 [9、10题，每题5分] 9.(2024·上饶市高二期末)2023年10月26日11时14分，长征二号F遥十七运载火箭托举着神舟十七号载人飞船，在酒泉卫星发射中心点火升空，送汤洪波、唐胜杰、江新林3名航天员奔赴“天宫”。如图所示，神十六、神十七两个乘组“太空会师”，航天员能与地面工作人员保持实时联络，直播画面通过电磁波传送到地面。下列关于电磁波说法正确的是(　　) A.电磁波传播过程中，电场和磁场是独立存在的，没有关联 B.电磁波可以在真空中传播 C.不能用实验验证电磁波的存在 D.太空中航天员讲话时画面与声音同步，说明电磁波与声波具有相同的传播速度 答案　B 解析　电磁波传播过程中，电场和磁场是相互关联的，选项A错误；电磁波可以在真空中传播，选项B正确；可以用实验验证电磁波的存在，选项C错误；太空中航天员讲话时画面与声音都是通过电磁波传播到地面的，所以画面和声音同步，但不能说明电磁波与声波具有相同的传播速度，选项D错误。 10.(2025·徐州市高二月考)电焊作业时，会产生对人体有害的电焊弧光，辐射出大量频率为1.0×1015 Hz的电磁波。已知光速c=3×108 m/s，根据如图所示的电磁波谱，判断它属于哪种电磁波(　　) A.微波 B.红外线 C.X射线 D.紫外线 答案　D 解析　根据c=λf，解得λ=3×10-7 m，根据电磁波谱可知，它属于紫外线。 11.(8分)若你用通过静止卫星转发的无线电话与朋友通话，则在你讲话后，至少要等多长时间才能听到对方的回话？(已知地球质量M=6.0×1024 kg，地球半径R=6.4×106 m，引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2) 答案　0.48 s 解析　静止卫星的周期T=3 600×24 s=8.64×104 s，设卫星离地面高h，由万有引力定律有 =m(R+h)()2，可得h=-R， 代入数据解得h≈3.59×107 m 当二人均在静止卫星的正下方时，此时无线电波传播距离最短，最短距离s=2h， 所以最短时间t=2×= s≈0.48 s。 学科网（北京）股份有限公司 $