4.2 电磁场与电磁波【重难突破】讲义 -2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

4.2　电磁场与电磁波　【重难突破】 人教版（2019）选择性必修第二册 · 第四章 电磁振荡与电磁波 4.2　电磁场与电磁波 【重难突破】 人教版（2019）选择性必修第二册　第四章　电磁振荡与电磁波 建议用时：30 分钟 题量：19 题 难度：★★★★☆ 版本：原卷版 ▎学习目标 1．了解麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点，知道变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场，理解电磁场的概念。 2．知道电磁波是怎样产生的，理解 LC 振荡电路是电磁波的波源，掌握有效发射电磁波的两个条件。 3．知道电磁波是横波，掌握电场、磁场与传播方向两两垂直的关系，记住真空中的光速，会用 c＝λf 进行简单计算。 4．了解赫兹实验及其意义，能比较电磁波与机械波的异同，体会电磁波在移动通信、微波炉等实际中的应用。 ▎课标与考情 【课标要求】通过实验了解电磁波，初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，知道电磁波的发射、传播和接收，认识电磁波谱。 【考情分析】高考常以选择题结合麦克斯韦理论、电磁波横波模型、移动通信和中国天眼等情境，考查“变化产生场”的辨析、电磁波与机械波的比较及 c＝λf 的简单计算；恒定/均匀/振荡变化产生场的辨析、横波方向关系是高频易错点。 ▎思维导图 4.2 电磁场与电磁波 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 电场磁场交替产生，形成电磁场 电磁场由近及远传播，形成电磁波 产生与发射 振荡电场、磁场交替产生 LC 振荡电路是电磁波的波源 要有足够高的振荡频率 采用开放电路：天线、地线 波的特点 横波：E、B 与传播方向两两垂直 不需介质，真空中也能传播 真空 c＝λf，c≈3.0×108 m/s 反射、折射、干涉、衍射，传递能量信息 比较与证实 赫兹实验首次证实电磁波存在 机械波必须有介质，真空不能传 电磁波不需介质，真空可以传播 频率由波源决定，与介质无关 考向一　麦克斯韦电磁场理论 本考向围绕麦克斯韦电磁场理论展开，掌握“变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场”两个基本观点，理解电磁场、电磁波的概念及不同变化情形产生场的辨析。 ▎知识梳理 1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点： （1）变化的磁场能够在周围空间产生电场； （2）变化的电场能够在周围空间产生磁场。 2．电磁场：变化的电场和变化的磁场彼此联系、交替产生，形成一个不可分割的统一体，叫作电磁场。 3．电磁波：电磁场由发生区域向周围空间由近及远地传播，就形成电磁波。麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光在本质上是一种电磁波。 4．对“变化”的理解：恒定不变的场不产生另一种场；均匀变化的场产生恒定的另一种场；只有周期性（振荡）变化的场，才能产生同频率周期性变化的场，从而持续交替激发、形成电磁波。 图1　变化的电场与变化的磁场相互激发、交替产生，形成电磁场并由近及远传播成电磁波 ▎重难诠释 1．“变化的磁场产生电场”与是否存在闭合回路无关：即使没有导体，变化的磁场也会在空间激发电场；有闭合回路时，自由电荷在该电场作用下形成感应电流。 2．关键看“变化率”：均匀变化意味着变化率恒定，所以产生的是恒定的场；只有振荡变化才能持续交替激发、形成电磁波。 3．麦克斯韦只是从理论上预言电磁波，真正用实验证实电磁波存在的是赫兹。 场的变化情形 产生的另一种场 能否形成电磁波 恒定不变（不变化） 不产生另一种场 不能 均匀变化（变化率恒定） 产生恒定的场 不能 非均匀变化 产生变化的场 可能 周期性（振荡）变化 同频率振荡变化的场 能 ▎生活·科技实例：微波炉——变化场激发微波，电磁波传递能量 微波炉内的磁控管是一个高频振荡装置，工作时产生迅速变化的电场；根据麦克斯韦理论，变化的电场激发同频率变化的磁场，二者交替产生、由近及远传播，形成频率约 2.45 GHz 的微波。微波射入食物，使食物中的水分子随电场方向高速振荡、相互摩擦，把电磁能转化为内能，从而快速加热食物，这正是电磁波传递能量的典型应用。 图2　家用微波炉：磁控管产生微波，靠电磁波传递能量加热食物 ◆ 考点专练（第 1～5 题） 1．下列关于磁场的说法中错误的是（　　） A．磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的 B．永磁体的磁场是由原子内部电子的运动产生的 C．所有的磁场都是由电荷的运动产生的 D．电荷的定向运动能产生磁场 2．某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是（　　） A． B． C． D． 3．在磁感应强度B随时间t变化的以下四种磁场中，能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 4．关于电磁场相关知识，下列说法正确的是（　　） A．根据安培分子电流假说，所谓磁化就是分子电流由有序变成无序排列 B．麦克斯韦预言了电磁波，并通过实验证实了电磁波的存在 C．奥斯特发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系 D．地磁场的磁感线由地理南极发出，指向地理北极 5．如图所示，某空间中存在磁感应强度B随时间t变化的以下四种磁场中，能产生电场但不能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 考向二　电磁波的产生与发射 本考向围绕电磁波的产生与发射展开，理解 LC 振荡电路是电磁波的波源，掌握有效发射电磁波的两个条件，区分闭合电路与开放电路。 ▎知识梳理 1．电磁波的产生：如果在空间某处有振荡电场，它会在周围产生同频率的振荡磁场，振荡磁场又在较远空间产生新的振荡电场，两者交替产生、由近及远地向周围传播，就形成电磁波。 2．波源：LC 振荡电路中的振荡电流产生振荡的电场和磁场，是产生电磁波的波源。 3．有效发射电磁波的两个条件： （1）振荡电路要有足够高的频率：频率越高，向外发射电磁波的本领越强； （2）必须采用开放电路：把闭合电路开放为天线和地线，使电场和磁场分散到周围空间。 4．闭合 LC 电路中电场、磁场几乎集中在电容器和线圈内，发射效率很低；开放电路中能量随电磁场分散到空间，配合高频才能有效发射。 图3　闭合 LC 电路开放为天线、地线，电场磁场分散到空间，配合高频有效发射电磁波 ▎重难诠释 1．提高频率是为了增强发射本领，开放电路是为了让场“走出去”，二者缺一不可。 2．天线和地线本质上仍是振荡电路的一部分，只是把极板“拉开”，使场分布到更大的空间。 3．实际发射时还要让电磁波“携带”声音、图像等信号，即进行调制（调幅、调频），这部分将在后续学习。 比较项 闭合 LC 电路 开放电路（天线、地线） 场的分布 集中在电容、线圈内 分散到周围空间 发射效率 很低 较高 电路结构 线圈、电容闭合连接 天线、地线开放 适用场景 储能、振荡 发射电磁波 ▎生活·科技实例：5G 通信基站——高频开放电路发射电磁波 5G 通信基站塔上装有多组板状天线，内部是工作在高频的开放振荡电路。通话或上网时，基站把语音、数据信号加载到高频振荡电流上，通过天线以开放电路的形式向周围空间发射电磁波；手机接收到电磁波后还原出声音和信息。5G 使用更高的频段，频率高、发射本领强、可承载的信息量大，这正是电磁波发射原理在现代通信中的应用。 图4　5G 通信基站：板状天线以高频开放电路向空间发射电磁波 ◆ 考点专练（第 6～10 题） 6．19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，精辟地揭示了电场与磁场之间的联系，预言了电磁波的存在。在闭合金属线圈中通入以下不同的电流，能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 7．如图甲所示电路中，电流i（以图甲中电流方向为正）随时间t的变化规律如图乙所示的正弦曲线，下列说法正确的是（　　） A．0～t1内，电容器C正在充电 B．t1～t2内，电容器C上极板带负电 C．t2～t3内，自感电动势逐渐增大 D．t3～t4内，电场能转化为磁场能 8．如图甲，LC电路中的电流正在变大，保持L不变，改变电容器的电容，回路中电容器两端的电压变化如图乙，则下列说法正确的是（　　） A．回路中的磁场能正在向电场能转化 B．电路1中电容为电路2中电容的4倍 C．电路2中的电流最大时，电路1中的电流也一定最大 D．电路2中电容器的最大电荷量与电路1中电容器的最大电荷量相等 9． 某量子通信地面站的经典辅助系统中，有一台高频电磁波发射装置，其核心电路如图所示，为LC振荡电路。关于LC振荡电路和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．LC振荡电路中，振荡电流的周期随自感系数的增大而增大 B．电磁波在不同介质中的传播速度大小都相同 C．根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场周围一定产生变化的磁场 D．电容器放电过程中，电容器极板间的电场能逐渐增大 10．下列说法正确的是（　　） A．在真空中，5G信号比4G信号传输速度慢 B．在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量最大时电路中的电流最小 C．为有效地发射电磁波，可降低LC回路的振荡频率 D．根据麦克斯韦理论，变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围也一定产生变化的电场 考向三　电磁波的特点及波速、波长、频率 本考向围绕电磁波的特点及波速、波长、频率展开，掌握电磁波是横波、不需介质，记住真空光速，会用 c＝λf 分析频率、波长的关系。 ▎知识梳理 1．电磁波是横波：电磁波中电场强度 E、磁感应强度 B 与传播方向三者两两垂直，即 E、B 互相垂直，且都垂直于传播方向。 2．电磁波不需要介质：它依靠电磁场的交替激发传播，在真空中也能传播，这是它与机械波的重要区别。 3．波速：真空中电磁波的速度等于光速 c；在介质中，电磁波的速度 v 小于 c，n 为介质的折射率。 4．频率与波长：电磁波的频率 f 由波源决定，与介质无关；波长、波速、频率满足下面的关系。 5．波的共性：电磁波能发生反射、折射、干涉、衍射、偏振和多普勒效应，并能传递能量和信息。 图5　电磁波是横波：电场 E、磁场 B 与传播方向 c 两两垂直，相邻同相点间距为波长 λ ▎重难诠释 1．横波方向：E、B 都与传播方向垂直，且 E 与 B 互相垂直，判断方向时三者构成两两垂直关系。 2．频率由波源决定、波速由介质决定：电磁波从一种介质进入另一种介质时，频率不变，波速和波长改变。 3．真空中所有电磁波（无论频率高低）的传播速度都等于 c；频率越高，波长越短。 比较项 频率 f 波速 v 波长 λ 决定因素 由波源决定 由介质决定 由波源和介质共同决定 进入新介质 不变 改变 随波速改变 真空中 由波源决定 等于 c λ＝c/f ◆ 考点专练（第 11～14 题） 11．关于电磁场和电磁波，下列叙述正确的是（　　） A．均匀变化的电场在它的周围产生均匀变化的磁场 B．如果空间某区域有振荡的电场或振荡的磁场，就能产生电磁波 C．电磁波是纵波，不能产生偏振现象 D．电磁波和机械波都不能在真空中传播 12．关于电磁波，下列说法中正确的是（　　） A．周期性变化的电场和磁场交替产生由近及远的向周围传播，形成了电磁波 B．电磁波在真空中的传播速度比在水中小 C．电磁波能发生反射、折射、衍射和干涉现象，但不能发生偏振现象 D．不同电磁波具有不同的频率，但在同一介质中波速相同 13．关于电磁波，下列说法正确的是（　　） A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．稳定的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在传播过程中不能发生反射和折射 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 14．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．任何电场都会产生磁场 B．电磁波是纵波，可以在真空中传播 C．电磁波不能通过电缆、光缆传输 D．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 考向四　电磁波与机械波的比较、赫兹实验 本考向围绕电磁波与机械波的比较及赫兹实验展开，了解赫兹实验的装置与意义，能从产生机理、传播条件等方面区分电磁波与机械波。 ▎知识梳理 1．赫兹实验（1886—1888 年）： （1）赫兹用振荡电偶极子（发射装置）产生电磁波，用带有间隙的环形金属线（共振环）接收，观察到环的间隙处产生火花，首次用实验证实了电磁波的存在； （2）他还观察到电磁波的反射、折射、干涉、衍射等现象，证明电磁波与光具有相同的性质，验证了麦克斯韦电磁场理论。 2．电磁波与机械波的比较：二者产生机理、传播条件不同，但都具有波的共性，具体见对比表。 3．电磁波本身是一种物质，它传播的是电磁场这种物质，不需要借助其他介质。 ▎重难诠释 1．赫兹实验的意义：把麦克斯韦的理论预言变成实验事实，开创了无线电技术的新时代。 2．电磁波与机械波本质不同：前者是电磁现象、靠电磁场传播，后者是机械振动在介质中的传播；不能因为都有反射、干涉等现象就认为它们相同。 3．真空不能传播机械波（如声音），但能传播电磁波（如太阳光、手机信号）。 比较项 电磁波 机械波 产生机理 电磁振荡、电磁场交替激发 机械振动在介质中传播 传播介质 不需介质，真空可以传播 必须有介质，真空不能传播 波的类型 横波 横波或纵波 真空中速度 c＝3.0×108 m/s 不能传播 共同性质 反射、折射、干涉、衍射；传递能量和信息 反射、折射、干涉、衍射；传递能量和信息 ◆ 考点专练（第 15～16 题） 15．2022年3月23日，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，航天员太空授课的画面（如图）通过电磁波传输到地面接收站。下列有关电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波是一种理想化的模型 B．电磁波是电场或者磁场的传播 C．可见光和无线电波都是电磁波 D．电磁波不能独立于场源而存在 16．当人们用微信等手机APP语音聊天时，既有机械波又有电磁波。下列关于机械波和电磁波说法正确的是（　　） A．机械波和电磁波都有横波和纵波 B．机械波和电磁波的传播都要依赖于介质 C．机械波与电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 D．机械波和电磁波在本质上是相同的，只是频率不同而已 ★ 综合培优检测 ★ 17．“神舟号”系列飞船的成功发射及其后续的平稳运行，在很大程度上得益于载人航天测控通信系统的高效运作。该系统利用电磁波确保了地面指挥人员能够实时、准确地与飞船保持通讯联系。关于电磁波下列说法正确的是（　　） A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并通过实验捕捉到了电磁波 B．稳定的电场周围产生磁场，稳定的磁场周围产生电场 C．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 D．电磁波的速度等于光速 18．关于教材中的四幅图，说法正确的是（　　） A．图①为磁电式电流表内部磁场示意图，极靴和铁质圆柱之间存在一个辐射式磁场，使得线圈无论转到什么位置，左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等 B．图②为法拉第使用过的线圈，当给其中一个线圈通入恒定电流后，另一线圈中会产生稳定的感应电流 C．图③表明两条通电导线之间存在相互作用，这个相互作用是通过电场发生的 D．图④电磁波没有能量，也不存在，是假想出来的 19．关于电源和电流，下述说法正确的是（　　） A．电源的电动势在数值上始终等于电源正、负极之间的电压 B．电流的方向是负电荷定向移动的方向，导线中自由电荷定向运动的速率接近光速 C．磁通量有方向，所以是矢量 D．麦克斯韦提出变化的磁场会在空间激发一种电场 重难突破系列 · 人教版（2019）选择性必修第二册 · 4.2 电磁场与电磁波 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $4.2　电磁场与电磁波　【重难突破】 人教版（2019）选择性必修第二册 · 第四章 电磁振荡与电磁波 4.2　电磁场与电磁波 【重难突破】 人教版（2019）选择性必修第二册　第四章　电磁振荡与电磁波 建议用时：30 分钟 题量：19 题 难度：★★★★☆ 版本：解析版 ▎学习目标 1．了解麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点，知道变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场，理解电磁场的概念。 2．知道电磁波是怎样产生的，理解 LC 振荡电路是电磁波的波源，掌握有效发射电磁波的两个条件。 3．知道电磁波是横波，掌握电场、磁场与传播方向两两垂直的关系，记住真空中的光速，会用 c＝λf 进行简单计算。 4．了解赫兹实验及其意义，能比较电磁波与机械波的异同，体会电磁波在移动通信、微波炉等实际中的应用。 ▎课标与考情 【课标要求】通过实验了解电磁波，初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，知道电磁波的发射、传播和接收，认识电磁波谱。 【考情分析】高考常以选择题结合麦克斯韦理论、电磁波横波模型、移动通信和中国天眼等情境，考查“变化产生场”的辨析、电磁波与机械波的比较及 c＝λf 的简单计算；恒定/均匀/振荡变化产生场的辨析、横波方向关系是高频易错点。 ▎思维导图 4.2 电磁场与电磁波 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 电场磁场交替产生，形成电磁场 电磁场由近及远传播，形成电磁波 产生与发射 振荡电场、磁场交替产生 LC 振荡电路是电磁波的波源 要有足够高的振荡频率 采用开放电路：天线、地线 波的特点 横波：E、B 与传播方向两两垂直 不需介质，真空中也能传播 真空 c＝λf，c≈3.0×108 m/s 反射、折射、干涉、衍射，传递能量信息 比较与证实 赫兹实验首次证实电磁波存在 机械波必须有介质，真空不能传 电磁波不需介质，真空可以传播 频率由波源决定，与介质无关 考向一　麦克斯韦电磁场理论 本考向围绕麦克斯韦电磁场理论展开，掌握“变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场”两个基本观点，理解电磁场、电磁波的概念及不同变化情形产生场的辨析。 ▎知识梳理 1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点： （1）变化的磁场能够在周围空间产生电场； （2）变化的电场能够在周围空间产生磁场。 2．电磁场：变化的电场和变化的磁场彼此联系、交替产生，形成一个不可分割的统一体，叫作电磁场。 3．电磁波：电磁场由发生区域向周围空间由近及远地传播，就形成电磁波。麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光在本质上是一种电磁波。 4．对“变化”的理解：恒定不变的场不产生另一种场；均匀变化的场产生恒定的另一种场；只有周期性（振荡）变化的场，才能产生同频率周期性变化的场，从而持续交替激发、形成电磁波。 图1　变化的电场与变化的磁场相互激发、交替产生，形成电磁场并由近及远传播成电磁波 ▎重难诠释 1．“变化的磁场产生电场”与是否存在闭合回路无关：即使没有导体，变化的磁场也会在空间激发电场；有闭合回路时，自由电荷在该电场作用下形成感应电流。 2．关键看“变化率”：均匀变化意味着变化率恒定，所以产生的是恒定的场；只有振荡变化才能持续交替激发、形成电磁波。 3．麦克斯韦只是从理论上预言电磁波，真正用实验证实电磁波存在的是赫兹。 场的变化情形 产生的另一种场 能否形成电磁波 恒定不变（不变化） 不产生另一种场 不能 均匀变化（变化率恒定） 产生恒定的场 不能 非均匀变化 产生变化的场 可能 周期性（振荡）变化 同频率振荡变化的场 能 ▎生活·科技实例：微波炉——变化场激发微波，电磁波传递能量 微波炉内的磁控管是一个高频振荡装置，工作时产生迅速变化的电场；根据麦克斯韦理论，变化的电场激发同频率变化的磁场，二者交替产生、由近及远传播，形成频率约 2.45 GHz 的微波。微波射入食物，使食物中的水分子随电场方向高速振荡、相互摩擦，把电磁能转化为内能，从而快速加热食物，这正是电磁波传递能量的典型应用。 图2　家用微波炉：磁控管产生微波，靠电磁波传递能量加热食物 ◆ 考点专练（第 1～5 题） 1．下列关于磁场的说法中错误的是（　　） A．磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的 B．永磁体的磁场是由原子内部电子的运动产生的 C．所有的磁场都是由电荷的运动产生的 D．电荷的定向运动能产生磁场 【答案】C 【解答】解：A、磁铁的磁场和电流的磁场均由电荷运动产生，故A正确； B、永磁体的磁场由原子内部电子的运动产生，故B正确； C、根据麦克斯韦理论，变化的电场也能产生磁场，并非所有磁场均由电荷运动产生，故C错误； D、电荷定向移动时形成电流，电流周围存在磁场，所以电荷定向移动时会产生磁场，故D正确。 本题选错误的说法，故选：C。 2．某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【解答】解：A、恒定的电场周围不会产生磁场，不会形成电磁波，故A错误； BC、根据麦克斯韦的电磁场理论，可知均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，不会在空中形成交替出现的电磁场，无法形成电磁波，故BC错误； D、根据麦克斯韦的电磁场理论，可知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，电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波，故D正确。 故选：D。 3．在磁感应强度B随时间t变化的以下四种磁场中，能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【解答】解：A、磁感应强度保持不变，根据麦克斯韦的电磁场理论，恒定的磁场周围空间不能够激发出电场，即不能够产生电磁波，故A错误； BC、磁感应强度与时间呈现线性关系，即均匀变化，根据麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的磁场周围空间能够激发出恒定的电场，而恒定电场不能够激发出磁场，不能够产生电磁波，故BC错误； D、根据麦克斯韦电磁场理论，正弦式变化的磁场周围空间激发出同频率变化的正弦式电场，而正弦式变化的电场周围空间激发出同频率变化的正弦式磁场，电场与磁场交替产生，向外传播形成电磁波，故D正确。 故选：D。 4．关于电磁场相关知识，下列说法正确的是（　　） A．根据安培分子电流假说，所谓磁化就是分子电流由有序变成无序排列 B．麦克斯韦预言了电磁波，并通过实验证实了电磁波的存在 C．奥斯特发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系 D．地磁场的磁感线由地理南极发出，指向地理北极 【答案】C 【解答】解：A、根据安培分子电流假说，所谓磁化就是分子电流由无序变成有序排列，故A错误； B、麦克斯韦预言了电磁波，赫兹并通过实验证实了电磁波的存在，故B错误； C、奥斯特最先发现了电流的磁效应，首次揭示了电和磁的联系，故C正确； D、地球磁场的磁感线外部从地球地理南极出发回到地球地理北极，内部从地球地理北极出发回到地球地理南极，故D错误。 故选：C。 5．如图所示，某空间中存在磁感应强度B随时间t变化的以下四种磁场中，能产生电场但不能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【解答】解：A、根据麦克斯韦的电磁场理论，恒定磁场周围不会产生电场，故A错误； BD、根据麦克斯韦的电磁场理论，可知周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场，由近及远传播开来，形成电磁波，故BD错误； C、根据麦克斯韦的电磁场理论，可知均匀变化的磁场周围产生恒定电场，所以不会产生电磁波，故C正确。 故选：C。 考向二　电磁波的产生与发射 本考向围绕电磁波的产生与发射展开，理解 LC 振荡电路是电磁波的波源，掌握有效发射电磁波的两个条件，区分闭合电路与开放电路。 ▎知识梳理 1．电磁波的产生：如果在空间某处有振荡电场，它会在周围产生同频率的振荡磁场，振荡磁场又在较远空间产生新的振荡电场，两者交替产生、由近及远地向周围传播，就形成电磁波。 2．波源：LC 振荡电路中的振荡电流产生振荡的电场和磁场，是产生电磁波的波源。 3．有效发射电磁波的两个条件： （1）振荡电路要有足够高的频率：频率越高，向外发射电磁波的本领越强； （2）必须采用开放电路：把闭合电路开放为天线和地线，使电场和磁场分散到周围空间。 4．闭合 LC 电路中电场、磁场几乎集中在电容器和线圈内，发射效率很低；开放电路中能量随电磁场分散到空间，配合高频才能有效发射。 图3　闭合 LC 电路开放为天线、地线，电场磁场分散到空间，配合高频有效发射电磁波 ▎重难诠释 1．提高频率是为了增强发射本领，开放电路是为了让场“走出去”，二者缺一不可。 2．天线和地线本质上仍是振荡电路的一部分，只是把极板“拉开”，使场分布到更大的空间。 3．实际发射时还要让电磁波“携带”声音、图像等信号，即进行调制（调幅、调频），这部分将在后续学习。 比较项 闭合 LC 电路 开放电路（天线、地线） 场的分布 集中在电容、线圈内 分散到周围空间 发射效率 很低 较高 电路结构 线圈、电容闭合连接 天线、地线开放 适用场景 储能、振荡 发射电磁波 ▎生活·科技实例：5G 通信基站——高频开放电路发射电磁波 5G 通信基站塔上装有多组板状天线，内部是工作在高频的开放振荡电路。通话或上网时，基站把语音、数据信号加载到高频振荡电流上，通过天线以开放电路的形式向周围空间发射电磁波；手机接收到电磁波后还原出声音和信息。5G 使用更高的频段，频率高、发射本领强、可承载的信息量大，这正是电磁波发射原理在现代通信中的应用。 图4　5G 通信基站：板状天线以高频开放电路向空间发射电磁波 ◆ 考点专练（第 6～10 题） 6．19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，精辟地揭示了电场与磁场之间的联系，预言了电磁波的存在。在闭合金属线圈中通入以下不同的电流，能产生电磁波的是（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【解答】解：A、在闭合金属线圈中通入恒定电流，根据电流的磁效应产生稳定的磁场，稳定的磁场不能激发电场，不能产生电磁波，故A错误； B、在闭合金属线圈中通入周期性变化的电流，产生周期性变化的磁场，然后周期性变化的磁场，又会产生周期性变化的电场，传播下去，能产生电磁波，故B正确； CD、在闭合金属线圈中通入均匀变化的电流，产生稳定的磁场，不能产生电磁波，故CD错误。 故选：B。 7．如图甲所示电路中，电流i（以图甲中电流方向为正）随时间t的变化规律如图乙所示的正弦曲线，下列说法正确的是（　　） A．0～t1内，电容器C正在充电 B．t1～t2内，电容器C上极板带负电 C．t2～t3内，自感电动势逐渐增大 D．t3～t4内，电场能转化为磁场能 【答案】B 【解答】解：A.由乙图可知，0～t1时间内，电路中的电流在增大，电容器在放电，故A错误； B.t1～t2时间内，电路中的电流在减小，电容器在充电，下极板带正电，上极板带负电，故B正确； C.t2～t3时间内，电路中的电流在增大，电容器在反向放电，自感电动势阻碍电流的增大，自感电动势逐渐减小，故C错误； D.t3～t4时间内，电路中的电流在减小，电容器在充电，磁场能向电场能转化，故D错误。 故选：B。 8．如图甲，LC电路中的电流正在变大，保持L不变，改变电容器的电容，回路中电容器两端的电压变化如图乙，则下列说法正确的是（　　） A．回路中的磁场能正在向电场能转化 B．电路1中电容为电路2中电容的4倍 C．电路2中的电流最大时，电路1中的电流也一定最大 D．电路2中电容器的最大电荷量与电路1中电容器的最大电荷量相等 【答案】C 【解答】解： A.LC电路中的电流正在变大，电容器放电，故回路中的电场能正在向磁场能转化，故A错误； B.T＝2π，读图，电路1中周期为电路2中周期的一半，故电路1中电容为电路2中电容的倍，故B错误； C.LC电路中的电流正在变大，保持L不变，改变电容器的电容，其它因素不变，电路2中的电流最大时，电路1中的电流也一定最大，故C正确； D.根据Q＝CU，最大电压相同，电路1中电容为电路2中电容的倍，电路2中电容器的最大电荷量与电路1中电容器的最大电荷量不相等，故D错误； 故选：C。 9． 某量子通信地面站的经典辅助系统中，有一台高频电磁波发射装置，其核心电路如图所示，为LC振荡电路。关于LC振荡电路和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．LC振荡电路中，振荡电流的周期随自感系数的增大而增大 B．电磁波在不同介质中的传播速度大小都相同 C．根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场周围一定产生变化的磁场 D．电容器放电过程中，电容器极板间的电场能逐渐增大 【答案】A 【解答】解：A.根据公式，可知其自感系数L增大时振荡电流的周期增大，故A正确； B.电磁波在真空中传播速度相同，在不同的介质中传播速度不同，故B错误； C.根据麦克斯韦理论，均匀变化的电场产生恒定磁场，只有非均匀变化的电场才会产生变化的磁场，故C错误； D.电容器放电过程中，电容器中的电场能逐渐减小，故D错误。 故选：A。 10．下列说法正确的是（　　） A．在真空中，5G信号比4G信号传输速度慢 B．在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量最大时电路中的电流最小 C．为有效地发射电磁波，可降低LC回路的振荡频率 D．根据麦克斯韦理论，变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围也一定产生变化的电场 【答案】B 【解答】解：A、真空中所有电磁波的传播速度均为光速c，5G和4G信号都属于电磁波，传输速度相同，故A错误； B、LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量最大时，电场能最大，磁场能最小，电路电流大小与磁场能正相关，电路电流最小，故B正确； C、有效发射电磁波需要振荡频率足够高，因此需要升高LC回路的振荡频率，故C错误； D、结合麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场，故D错误。 故选：B。 考向三　电磁波的特点及波速、波长、频率 本考向围绕电磁波的特点及波速、波长、频率展开，掌握电磁波是横波、不需介质，记住真空光速，会用 c＝λf 分析频率、波长的关系。 ▎知识梳理 1．电磁波是横波：电磁波中电场强度 E、磁感应强度 B 与传播方向三者两两垂直，即 E、B 互相垂直，且都垂直于传播方向。 2．电磁波不需要介质：它依靠电磁场的交替激发传播，在真空中也能传播，这是它与机械波的重要区别。 3．波速：真空中电磁波的速度等于光速 c；在介质中，电磁波的速度 v 小于 c，n 为介质的折射率。 4．频率与波长：电磁波的频率 f 由波源决定，与介质无关；波长、波速、频率满足下面的关系。 5．波的共性：电磁波能发生反射、折射、干涉、衍射、偏振和多普勒效应，并能传递能量和信息。 图5　电磁波是横波：电场 E、磁场 B 与传播方向 c 两两垂直，相邻同相点间距为波长 λ ▎重难诠释 1．横波方向：E、B 都与传播方向垂直，且 E 与 B 互相垂直，判断方向时三者构成两两垂直关系。 2．频率由波源决定、波速由介质决定：电磁波从一种介质进入另一种介质时，频率不变，波速和波长改变。 3．真空中所有电磁波（无论频率高低）的传播速度都等于 c；频率越高，波长越短。 比较项 频率 f 波速 v 波长 λ 决定因素 由波源决定 由介质决定 由波源和介质共同决定 进入新介质 不变 改变 随波速改变 真空中 由波源决定 等于 c λ＝c/f ◆ 考点专练（第 11～14 题） 11．关于电磁场和电磁波，下列叙述正确的是（　　） A．均匀变化的电场在它的周围产生均匀变化的磁场 B．如果空间某区域有振荡的电场或振荡的磁场，就能产生电磁波 C．电磁波是纵波，不能产生偏振现象 D．电磁波和机械波都不能在真空中传播 【答案】B 【解答】解：A．均匀变化的电场在它的周围产生恒定的磁场，故A错误； B．振荡的电场或振荡的磁场会在周围产生振荡的电磁场，电磁场由近及远的传播形成电磁波，故B正确； C．电磁波是横波而不是纵波，能产生偏振现象，故C错误； D．电磁波能在真空中传播，机械波不能在真空中传播，机械波传播需要介质，故D错误。 故选：B。 12．关于电磁波，下列说法中正确的是（　　） A．周期性变化的电场和磁场交替产生由近及远的向周围传播，形成了电磁波 B．电磁波在真空中的传播速度比在水中小 C．电磁波能发生反射、折射、衍射和干涉现象，但不能发生偏振现象 D．不同电磁波具有不同的频率，但在同一介质中波速相同 【答案】A 【解答】解：A、周期性变化的电场和磁场交替产生，相互激发，在空间由远及近的传播，形成了电磁波，故A正确； B、电磁波在真空中传播速度为光速c，根据公式：可知，电磁波在其他介质中（n＞1），传播速度小于光速c，即电磁波在真空中的传播速度比在水中大，故B错误； C、电磁波是横波，可以发生反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象，故C错误； D、根据v＝λf，可知频率f不同，在同种介质中，波长λ不同，则波速v不同，故D错误。 故选：A。 13．关于电磁波，下列说法正确的是（　　） A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．稳定的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在传播过程中不能发生反射和折射 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】A 【解答】解：A．电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，与电磁波的频率无关，故A正确； B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故B错误； C．电磁波也是波的一种，具有波的一切特性，可以发生反射和折射，故C错误； D．电磁波可以在介质中传播，所以可以通过电缆、光缆进行有线传播，也可以不需要介质进行传播，即无线传播，故D错误。 故选：A。 14．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（　　） A．任何电场都会产生磁场 B．电磁波是纵波，可以在真空中传播 C．电磁波不能通过电缆、光缆传输 D．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 【答案】D 【解答】解：A、根据麦克斯韦电磁场理论，可知变化的电场产生磁场，稳定的电场不会产生磁场，故A错误； B、电磁波是横波，变化的电场与变化磁场相互垂直，能在真空中传播的，故B错误； C、电磁波可以通过电缆、光缆传输，也可以在真空中传播，故C错误； D、电磁波在真空中的传播速度等于光速c，与电磁波的频率无关，故D正确。 故选：D。 考向四　电磁波与机械波的比较、赫兹实验 本考向围绕电磁波与机械波的比较及赫兹实验展开，了解赫兹实验的装置与意义，能从产生机理、传播条件等方面区分电磁波与机械波。 ▎知识梳理 1．赫兹实验（1886—1888 年）： （1）赫兹用振荡电偶极子（发射装置）产生电磁波，用带有间隙的环形金属线（共振环）接收，观察到环的间隙处产生火花，首次用实验证实了电磁波的存在； （2）他还观察到电磁波的反射、折射、干涉、衍射等现象，证明电磁波与光具有相同的性质，验证了麦克斯韦电磁场理论。 2．电磁波与机械波的比较：二者产生机理、传播条件不同，但都具有波的共性，具体见对比表。 3．电磁波本身是一种物质，它传播的是电磁场这种物质，不需要借助其他介质。 ▎重难诠释 1．赫兹实验的意义：把麦克斯韦的理论预言变成实验事实，开创了无线电技术的新时代。 2．电磁波与机械波本质不同：前者是电磁现象、靠电磁场传播，后者是机械振动在介质中的传播；不能因为都有反射、干涉等现象就认为它们相同。 3．真空不能传播机械波（如声音），但能传播电磁波（如太阳光、手机信号）。 比较项 电磁波 机械波 产生机理 电磁振荡、电磁场交替激发 机械振动在介质中传播 传播介质 不需介质，真空可以传播 必须有介质，真空不能传播 波的类型 横波 横波或纵波 真空中速度 c＝3.0×108 m/s 不能传播 共同性质 反射、折射、干涉、衍射；传递能量和信息 反射、折射、干涉、衍射；传递能量和信息 ◆ 考点专练（第 15～16 题） 15．2022年3月23日，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，航天员太空授课的画面（如图）通过电磁波传输到地面接收站。下列有关电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波是一种理想化的模型 B．电磁波是电场或者磁场的传播 C．可见光和无线电波都是电磁波 D．电磁波不能独立于场源而存在 【答案】C 【解答】解：A、电磁波是客观存在的，不是一种理想化模型，故A错误； BD、电磁波是由于电场和磁场相互激发而产生的，所以电磁波可以短暂脱离场源而独立存在，当电磁场能量耗尽之后，电磁波才会消失，故BD错误； C、电磁波是一个大家族，其频率范围极广，可见光和无线电波均属于电磁波家族的成员，只是二者的频率（或波长）不同，故C正确。 故选：C。 16．当人们用微信等手机APP语音聊天时，既有机械波又有电磁波。下列关于机械波和电磁波说法正确的是（　　） A．机械波和电磁波都有横波和纵波 B．机械波和电磁波的传播都要依赖于介质 C．机械波与电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 D．机械波和电磁波在本质上是相同的，只是频率不同而已 【答案】C 【解答】解：A.机械波既有横波也有纵波，但电磁波全部是横波，不存在纵波，故A错误； B.机械波的传播需要依赖介质，而电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，故B错误； C.反射、折射、干涉和衍射是所有波的共性现象，机械波与电磁波都能发生这些现象，故C正确； D.机械波是机械振动在介质中的传播，属于力学现象；电磁波是电磁场的周期性变化并向外传播，属于电磁现象，二者本质完全不同，故D错误。 故选：C。 ★ 综合培优检测 ★ 17．“神舟号”系列飞船的成功发射及其后续的平稳运行，在很大程度上得益于载人航天测控通信系统的高效运作。该系统利用电磁波确保了地面指挥人员能够实时、准确地与飞船保持通讯联系。关于电磁波下列说法正确的是（　　） A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并通过实验捕捉到了电磁波 B．稳定的电场周围产生磁场，稳定的磁场周围产生电场 C．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 D．电磁波的速度等于光速 【答案】D 【解答】解：A．赫兹通过实验捕捉到了电磁波，麦克斯韦预言了电磁波的存在，故A错误； B．稳定的电场周围不能产生磁场，稳定的磁场周围也不能产生电场，故B错误； C．电磁波和声波都可以传递信息，故C错误； D．电磁波的速度等于光速，光也是一种电磁波，故D正确。 故选：D。 18．关于教材中的四幅图，说法正确的是（　　） A．图①为磁电式电流表内部磁场示意图，极靴和铁质圆柱之间存在一个辐射式磁场，使得线圈无论转到什么位置，左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等 B．图②为法拉第使用过的线圈，当给其中一个线圈通入恒定电流后，另一线圈中会产生稳定的感应电流 C．图③表明两条通电导线之间存在相互作用，这个相互作用是通过电场发生的 D．图④电磁波没有能量，也不存在，是假想出来的 【答案】A 【解答】解：A、图①为磁电式电流表内部磁场示意图，极靴和铁质圆柱之间存在一个辐射式磁场，不是匀强磁场，使得线圈无论转到什么位置，左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等，故A正确； B、图②为法拉第使用过的线圈，当给其中一个线圈通入变化的电流后，另一线圈中会产生感应电流，故B错误； C、图③表明两条通电导线之间存在相互作用，这个相互作用是通过磁场发生的，故C错误； D、图④中的电磁波是真实存在且具有能量的物质，故D错误。 故选：A。 19．关于电源和电流，下述说法正确的是（　　） A．电源的电动势在数值上始终等于电源正、负极之间的电压 B．电流的方向是负电荷定向移动的方向，导线中自由电荷定向运动的速率接近光速 C．磁通量有方向，所以是矢量 D．麦克斯韦提出变化的磁场会在空间激发一种电场 【答案】D 【解答】解：A、根据闭合电路欧姆定律 E＝U+Ir 电源正负极之间的电压指的是路端电压U，小于电源电动势，故A错误； B、电流的方向即为正电荷定向移动的方向，导线中电场传播的速度接近光速，而不是自由电荷定向运动的速率接近光速，故B错误； C、磁通量虽然需要区分穿过闭合区域的方向，但不是矢量，故C错误； D、麦克斯韦认为磁场变化会在空间激发一种电场，故D正确。 故选：D。 重难突破系列 · 人教版（2019）选择性必修第二册 · 4.2 电磁场与电磁波 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $