第四章 2 电磁场与电磁波 3无线电波的发射和接收 4 电磁波谱（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第二册学习笔记（人教版 浙江专版）

本讲义聚焦电磁场与电磁波、无线电波的发射和接收、电磁波谱三大核心知识点，从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）切入，系统梳理电磁波的产生特点，再到无线电波有效发射（开放电路、高频振荡）与接收（调谐、解调）的原理，最后按波长排列电磁波谱并解析各波段特征及应用，辅以问题导入、例题解析和针对训练搭建学习支架。 该资料以问题驱动式导入（如磁铁相对线圈运动引发电场思考）激发探究兴趣，通过例题与训练结合（如麦克斯韦理论理解题、电磁波应用实例题）深化物理观念和科学思维，电磁波谱表格清晰对比各波段特征与应用。课中助力教师突出重点，课后学生可借助课时对点练巩固知识，有效查漏补缺。

2　电磁场与电磁波　3无线电波的发射和接收　4　电磁波谱 [学习目标]　1.知道电磁场的概念及产生的原理(重点)。2.知道有效发射电磁波的两个条件。3.了解无线电波的特点及传播规律。4.了解调制(调幅、调频)、电谐振、调谐、解调在电磁波发射、接收过程中的作用(重点)。5.知道什么是电磁波谱，了解不同波长电磁波的特征及主要用途(重点)。 一、电磁场与电磁波 如图所示，磁铁相对闭合线圈向下运动时，闭合线圈中的自由电荷做定向移动。自由电荷是受到什么力的作用做定向移动的？这能否说明变化的磁场产生了电场？如果没有导体，情况会怎样？ 答案　自由电荷受到静电力的作用；能说明变化的磁场产生了电场；没有导体，该处仍会产生电场。 1.变化的磁场产生电场 (1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。 甲　B增大时的情形 (2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动。 (3)实质：变化的磁场产生了电场(如图甲)。 2.变化的电场产生磁场 麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场(如图乙)。 乙　E增大时的情形 3.变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分割的统一的电磁场。 4.电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。 5.电磁波的特点 (1)电磁波在真空传播时，它的电场强度E与磁感应强度B互相垂直且均与传播方向垂直。如图丙所示。 丙 (2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝c＝3.0×108 m/s。 (3)电磁波在传播过程中频率不变，始终与振荡电路的频率相同，它由波源决定，与介质无关。 (4)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，电磁波也是传播能量的一种形式。 (5)电磁波波速c、波长λ及频率f之间的关系为c＝λf。 (6)赫兹通过实验证实了电磁波的存在。 例1　(多选)(2024·宁波市高二期中)对麦克斯韦电磁场理论理解正确的是(　　) A.稳定的磁场不产生电场 B.稳定的电场产生出稳定的磁场 C.均匀变化的磁场产生出均匀变化的电场 D.周期性变化的电场产生出周期性变化的磁场 答案　AD 解析　均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，稳定的电场不会产生磁场，稳定的磁场也不会产生电场，故A正确，B、C错误；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，故D正确。 对麦克斯韦电磁场理论的理解 针对训练　某电路中电场随时间变化的图像有如图所示几种情况，能激发电磁波的电场是(　　) 答案　D 解析　电场不随时间变化，不会产生磁场，故A错误；电场随时间均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，也不会产生和发射电磁波，故B、C错误；电场随时间周期性地变化，能在周围空间产生周期性变化的磁场，而这变化磁场又能产生变化的电场，从而组成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，才能发射电磁波，故D正确。 例2　(2024·嘉兴市海盐高级中学高二月考)人类现代生活与电磁波结下了不解之缘，下列陈述中符合事实的是(　　) A.麦克斯韦首先预言并用实验证实了电磁波的存在 B.在真空中电磁波的传播速度小于真空中的光速 C.变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场 D.把手机放在抽成真空的玻璃盒中，手机接收不到来电信号 答案　C 解析　麦克斯韦首先预言了电磁波，而赫兹用实验证实了电磁波的存在，故A错误；在真空中电磁波的传播速度等于真空中的光速，故B错误；均匀变化的电场产生稳定的磁场，而非均匀变化的电场产生变化的磁场；均匀变化的磁场产生稳定的电场，而非均匀变化的磁场产生变化的电场，故C正确；电磁波在真空中也能传播，把手机放在抽成真空的玻璃盒中，手机能接收到电磁波的信号，故D错误。 二、无线电波的发射与接收 在如图所示的普通LC振荡电路中能否有效地发射电磁波？ 答案　在普通LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部。在电磁振荡过程中，周围空间的电磁场很弱，辐射出去的能量很少，不能有效地发射电磁波。 1.无线电波的发射 (1)有效发射电磁波的条件 要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： ①要有足够高的振荡频率。频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号，要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去。 ②采用开放电路。可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如图。 说明：实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。 (2)调制 ①概念：把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使载波随各种信号而改变。 ②调制的分类 a.调幅(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。 b.调频(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。 2.无线电波的接收 (1)接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，空中的导体可以用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。 (2)接收方法 ①调谐：使接收电路产生电谐振的过程。 电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫作电谐振。 ②解调：把声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程。调幅波的解调也叫检波。 (3)电视广播的发射和接收 ①电视广播信号是一种无线电信号，实际传播中需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播。 ②高频电视信号的三种传播方式：地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输。 ③电视信号的接收：在电视接收端，接收到的高频电磁波信号经过解调将得到的电信号转变为图像信号和伴音信号。 例3　(多选)如图所示为无线电波实际发射过程的示意图，如图甲、乙、丙所示为发射过程产生的电流图像，关于这三种图像，下列说法中正确的是(　　) A.图甲为高频振荡器产生的高频等幅振荡电流 B.图乙为人对着话筒说话时产生的低频信号 C.图丙表示高频电磁波的振幅随信号的强弱而变 D.图丙表示高频电磁波的频率随信号的强弱而变 答案　ABC 解析　由高频振荡器产生的高频振荡电流如题图甲所示，选项A正确；题图乙为人对着话筒说话时产生的低频信号，选项B正确；题图丙的调制方法是调幅，可以使载波的振幅随信号的强弱而变，选项C正确，D错误。 例4　(来自鲁科教材)电视机的室外天线能把电信号接收下来，原因是(　　) A.天线处于变化的电磁场中，产生的电流输送给LC回路 B.天线只处于变化的电场中，产生的电流输送给LC回路 C.天线只是有选择地接收某电台信号，而其他电台信号则不接收 D.天线将电磁波传输到电视机内 答案　A 解析　天线处于室外空间变化的电磁场中，产生感应电流，此电流输送给LC回路，A正确，B错误；室外天线能接收各个电台的电磁波信号，但只有频率与调谐电路频率相等的信号对应的电流最强，然后通过解调处理后再输入后面的电路，其他的电信号被过滤掉，C、D错误。 三、电磁波谱、电磁波的特性及应用 1.电磁波谱：按电磁波的波长大小或频率高低的顺序排列成的谱。 2.按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，具有不同的特性。 3.不同波段电磁波的特征及应用 波段 特征 应用 无 线 电 波 长波 波长范围为1 000~10 000 m，频率范围为30~300 kHz 广播和导航 中波 波长范围为100~1 000 m，频率范围为300~3 500 kHz 短波 波长范围为10~100 m，频率范围为3~30 MHz 调幅(AM)广播和导航 超 短波 波长范围为1~10 m，频率范围为30~300 MHz 调频(FM)广播、电视、导航 微波 波长范围为1~0.001 m，频率范围为300~300 000 MHz 电视、雷达、导航、移动通信、射电天文 红外线 波长范围为760~106 nm。不能直接引起视觉，热效应强。一切物体都在不停地辐射红外线 红外线遥感、红外线遥控、热效应 可见光 波长范围为400~760 nm。能作用于眼睛引起视觉。按波长由长到短排列为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 照明、摄影 紫外线 波长范围为10~400 nm。不能直接引起视觉。荧光效应强，能杀菌，有助于人体合成维生素D 医用消毒、荧光灯、防伪标志 X射线 波长范围为10－3~10 nm。穿透能力强，可用于透视人体、检查工件内部的缺陷等 检查、探测、医用透视 γ射线 波长范围为10－7~10－2 nm。穿透能力比X射线更强。对人体细胞有很强的破坏作用 工业探伤、医用治疗(γ刀) (1)红外线有显著的热效应，紫外线具有较高的能量。 (　√　) (2)低温物体不能辐射红外线。 (　×　) (3)紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度。 (　×　) (4)可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪。 (　×　) (5)X射线的穿透本领比γ射线更强。 (　×　) (6)各种电磁波中最容易发生干涉和衍射现象的是γ射线。 (　×　) 例5　关于生活中遇到的各种电磁波，下列说法正确的是(　　) A.医院里“CT”机使用的电磁波是γ射线，它具有较强的穿透能力 B.紫外线常用于卫星通信、电视等信号的传输，它还可用于消毒 C.“浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，它具有显著的热效应 D.X射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症 答案　C 解析　医院里“CT”机使用的电磁波是X射线，利用X射线能够穿透物质，来检查人体的内部器官，故A错误；微波常用于卫星通信、电视等信号的传输，紫外线用于消毒，故B错误；“浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，利用红外线的热效应进行取暖，故C正确；γ射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症，故D错误。 例6　(2024·浙江省高二期中)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、乙波的频率都比可见光的频率小 B.真空中甲波的传播速度比乙波慢 C.测量体温时使用的测温枪探测的是乙波 D.真空中甲波比乙波更不容易绕过障碍物 答案　A 解析　由题图可知甲、乙两列波的波长都比可见光波长长，则甲、乙两列波的频率都比可见光的频率小，故A正确；所有频率的电磁波在真空中的传播速度都为3×108 m/s，故B错误；测量体温时使用的测温枪探测的是红外线，而通信用的是无线电波，故C错误；波长越长的波越容易发生衍射，甲波的波长比乙波长，所以真空中甲波比乙波更容易绕过障碍物，故D错误。 课时对点练 [分值：50分] [1~6题，每题4分] *1.(2024·杭州市高二期中)关于电磁波和机械波，下列说法正确的是(　　) A.电磁波和机械波均可在真空中传播 B.电磁波和机械波均可发生多普勒效应 C.电磁波是横波，机械波是纵波 D.电磁波可以传递能量，机械波无法传递能量 答案　B 解析　电磁波可在真空中传播，机械波只能在介质中传播，故A错误；电磁波和机械波均可发生多普勒效应，故B正确；电磁波是横波，机械波可以是横波也可以是纵波，故C错误；电磁波和机械波都可以传递能量，故D错误。 2.1886年，赫兹做了如图所示实验，关于该实验，以下说法正确的是(　　) A.实验证实了电磁波的存在 B.实验证实了法拉第的电磁场理论 C.实验可以说明电磁波是一种纵波 D.在真空环境下进行实验，仍能观察到明显的火花放电 答案　A 解析　该实验是赫兹用来发射和接收电磁波的实验，不能说明电磁波是横波还是纵波。之后进行了一系列实验观察到电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，测出了电磁波在真空中的速度等于光速，证明了电磁波与光的统一性，才证实了麦克斯韦的电磁场理论，故A正确，B、C错误；实验中火花放电是空气被击穿的现象，在真空环境下进行实验，不能观察到明显的火花放电，故D错误。 3.(2024·湖州市高二月考)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A.麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，法拉第最先用实验证实了电磁波的存在 B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C.在真空中，频率越高的电磁波传播速度越大 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　B 解析　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，A错误；根据麦克斯韦电磁场理论，周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，B正确；真空中电磁波的传播速度均为3.0×108 m/s，C错误；电磁波可以通过电缆、光缆传输，D错误。 4.(2024·台州市山海协作体高二期中)电磁波是一种由电场和磁场共同构成的特殊波动现象，是空间中传播的有序能量转移。因为它们的存在，我们才能建立电子通信技术和现代高科技的一切。下列情景中关于电磁波特性和应用的描述，正确的是(　　) A.手机通话在真空中也能实现 B.“CT”利用紫外线的穿透本领来检查多种疾病 C.天文学家利用射电望远镜接收无线电波，进行天体物理研究 D.遥控器发出的红外线有很高的穿透本领 答案　C 解析　手机通话过程是声波转换成电磁波传播出去，电磁波再转换成声波进入人耳，声波在真空中无法传播，所以无法转换成电磁波，所以手机通话在真空中无法实现，A错误；“CT”是利用X射线的穿透本领来进行身体检查的，B错误；天体能不断向外辐射电磁波，所以天文学家能够利用射电望远镜接收无线电波，进行天体物理研究，C正确；遥控器发出的红外线波长较长，穿透本领较弱，D错误。 5.(多选)为了有效地把能量以电磁波形式发射到尽可能大的空间，除了使用开放电路，还可以(　　) A.增大电容器极板间的距离 B.减小电容器极板的正对面积 C.减少线圈的匝数 D.采用低频振荡电流 答案　ABC 解析　使用开放电路和提高发射频率是提高电磁波发射能力的两种有效方法；由f＝、C＝可知，选项A、B、C正确，D错误。 6.如图甲所示为收音机的调谐电路，改变可变电容器C的电容，进而改变调谐电路的频率。若“调频”后，电路中的最强的高频电流i随时间t的变化规律为图乙所示的正弦曲线。下列说法或做法正确的是(　　) A.改变电容器C的电容的目的是使调谐电路的固有频率跟接收的电磁波频率相同 B.将可变电容器的电容减小，电路将接收到波长更大的电信号 C.在t1~t2时间内，电容器C正在放电 D.电路中电场能随时间变化的周期等于t4 答案　A 解析　改变电容器C的电容目的是使调谐电路的固有频率跟接收的电磁波频率相同，故A正确；根据f＝，将可变电容器的电容减小，固有频率会增加，根据公式λ＝可知，频率越大，波长越小，所以将可变电容器的电容减小后，将接收到波长更小的电信号，故B错误；在t1~t2时间内，电路中电流在减小，电容器在充电，故C错误；一个周期电容器充各放电两次，所以电路中的电场能随时间变化的周期等于t4，故D错误。 [7~10题，每题5分] 7.(2024·杭州二中高二期中)5G网络使用的无线电波通信频率是3.0 GHz以上的超高频段和极高频段，比目前通信频率在0.3~3.0 GHz间的特高频段的4G网络拥有更大的带宽和更快的传输速率，如图所示5G网络的传输速率是4G网络的50~100倍。与4G网络相比(　　) A.5G信号的频率更小 B.5G信号在真空中的传播速度超过光速 C.5G信号相同时间内能传递更大的信息量 D.5G信号不属于无线电波，它的波长小于可见光 答案　C 解析　5G信号的频率更大，5G信号相同时间内能传递更大的信息量，故A错误，C正确；任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，所以5G信号在真空中的传播速度等于光速，故B错误；5G信号属于无线电波，它的波长大于可见光，故D错误。 *8.(2024·杭州市高二期末)电磁波技术在当今社会得到了广泛的应用。电台在对外广播的时候利用电磁波传递信号。要传递信号就要对电磁波进行调制。在电磁波发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术叫作调制。有关电磁波的下列说法中正确的是(　　) A.LC振荡电路中的电场如果按E＝6t2＋8变化，那么LC振荡电路可以向远处辐射电磁波 B.由于长波比微波更容易发生衍射现象，雷达用长波探测定位飞机比用微波准确 C.高频率的电磁波比低频率的电磁波更适合采用调频的方式对信号进行调制 D.由于光是电磁波，所以用机械波的反射和折射规律不可以解释光的反射和折射 答案　C 解析　LC振荡电路中的电场如果按E＝6t2＋8变化，E对t求两次导数后为常数，则LC振荡电路不可以向远处辐射电磁波，A错误；由于长波比短波更容易发生衍射现象，所以长波容易绕开物体，因此雷达用微波探测定位飞机比用长波准确，B错误；高频率的电磁波比低频率的电磁波更适合采用调频的方式对信号进行调制，C正确；用机械波的反射和折射规律可以解释光的反射和折射，D错误。 9.(多选)在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，调制分调幅和调频两种。如图甲所示有A、B两幅图。在收音机电路中天线接收下来的电信号既有高频成分又有低频成分，经放大后送到下一级，需要把高频成分和低频成分分开，只让低频成分输入下一级，如果采用如图乙所示的电路，图中虚线框a和b内分别只用一个电容器或电感器。以下关于电磁波的发射和接收的说法中，正确的是(　　) A.在电磁波的发射技术中，甲图中A是调幅波 B.在电磁波的发射技术中，甲图中B是调幅波 C.乙图中a是电容器，用来通高频阻低频，b是电感器，用来阻高频通低频 D.乙图中a是电感器，用来阻交流通直流，b是电容器，用来阻高频通低频 答案　AC 解析　调幅，即通过改变电磁波的振幅来实现信号加载，故A为调幅波，A正确，B错误；在交流电路中，电容器通高频阻低频，电感器通低频阻高频，元件a要让高频信号通过，阻止低频信号通过，故元件a为电容器；元件b要让低频信号通过，阻止高频信号通过，故b为电感器，C正确，D错误。 10.(2024·舟山中学高二月考)如图甲所示，塑料制成的光滑细圆环水平固定放置，环上套一个带正电的电荷量为q的小球(视为质点)处于静止状态，磁感应强度大小为B的匀强磁场方向竖直向上，环面的面积为S；物理学家麦克斯韦认为，变化的磁场会在周围的空间激发出感生电场，如图乙所示，空间存在竖直向上均匀增加的匀强磁场，周围产生的环形电场线从上向下看沿顺时针，同一个圆周上的电场强度大小相等，下列说法正确的是(　　) A.对甲图，若磁场竖直向上均匀增加，则塑料圆环内部会产生感应电流 B.对甲图，若磁场竖直向下均匀增加，从上向下看小球会沿顺时针方向转动 C.乙图说明，任何磁场周围都会产生电场，与闭合电路是否存在无关 D.对甲图，若磁场竖直向上均匀增加的变化率为k，则小球运动一周，静电力做的功为kSq 答案　D 解析　对题图甲，若磁场竖直向上均匀增加，则在金属圆环上会产生感应电流，而塑料圆环不会产生感应电流，A项错误；对题图甲，若磁场竖直向下均匀增加，塑料圆环上产生的环形电场线从上向下看沿逆时针，则带正电的小球受到沿逆时针方向的静电力，小球会沿逆时针方向转动，B项错误；题图乙说明，只有变化的磁场周围才会产生电场，与闭合电路是否存在无关，C项错误；由法拉第电磁感应定律可得均匀变化的磁场产生的感应电动势为E＝＝kS，由静电力做功的定义W＝Uq，可得小球转动一周，静电力对小球做的功为W＝Eq＝kSq，D项正确。 11.(6分)(来自教材)某高速公路自动测速装置如图甲所示，雷达向汽车驶来的方向发射脉冲电磁波，相邻两次发射时间间隔为t。当雷达向汽车发射电磁波时，在显示屏上呈现出一个尖形波；在接收到反射回来的无线电波时，在显示屏上呈现出第二个尖形波。根据两个波在显示屏上的距离，可以计算出汽车至雷达的距离。显示屏如图乙所示。请根据图中t1、t、t2的意义，结合光速c求出汽车车速v的表达式。 答案　v＝ 解析　第1次发射电磁波时汽车与雷达间距离s1＝ 第2次发射电磁波时汽车与雷达间距离s2＝，两次发射时间间隔为t，则汽车车速 v＝。 学科网（北京）股份有限公司 $