2013-2014学年高二物理配套课件：3.2 电磁场和电磁波（教科版选修3-4）

强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球的
带电荷量不变，那么
( )．
图3-2-4
A．小球对玻璃杯的压力不断增大 B．小球受到的磁场力不断增大 C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针 方向做加速运动 D．磁场力对小球一直不做功
解析 因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定 的旋涡电场，对带正电的小球做功．由楞次定律，判断电场方向 为顺时针方向．在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运 动，后沿顺时针方向做加速运动．小球在水平面内沿轨迹半径方 向受两个力作用：环对小球的弹力N和磁场的洛伦兹力F＝Bqv， 而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力．考虑到 小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力N和 洛伦兹力F不一定始终在增大．磁场力始终与圆周运动的线速度方 向垂直，所以磁场力对小球不做功． 答案 CD
ΔΦ Δt
＝429
V．设电子在加速器中绕行了N圈，则电场力做功NeE
应该等于电子的动能Ek.所以有N＝
Ek Ee
，代入数据可得N＝
2.8×105圈．所以正确答案为D.
答案 D
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一、麦克斯韦电磁场理论 克斯韦电磁场理论
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦总结前人对电磁现象的 研究，建立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在． (1)变化的磁场产生电场
图3-2-2
实验基础：实验装置如图3-2-2所示，麦克斯韦认为在变化的磁场 周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是 否存在无关．导体环的作用只是用来显示电场的存在． 注意：在变化的磁场中产生的电场的电场线是闭合的；而静电场 中的电场线是不闭合的．
A．向上方向的磁场在增强
B．向上方向的磁场在减弱
C．向下方向的磁场在减弱
D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强
图3-2-5
解析 在电磁感应现象的规律中，当一个闭合回路中由于通过它 的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有 电源，电流的产生是由于磁场的变化造成的．麦克斯韦把以上的 观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场．判 断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律，只不过是用电场线 方向代替了电流方向．向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场 阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则判断出感应电流方 向如图中E的方向所示，选项A正确、B错误．同理，当磁场反向 即向下的磁场减小时，也会得到如图中E的方向，选项C正确、D 错误，故选A、C. 答案 AC
(2)变化的电场产生磁场 根据麦克斯韦理论，在电容器充放电的时候，不仅导体中的电流 要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生 磁场．(如图3-2-3所示)．
图3-2-3
麦克斯韦电磁场理论的理解 (1)恒定的电场不产生磁场． (2)恒定的磁场不产生电场． (3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场． (4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场． (5)振荡电场产生同频率的振荡磁场． (6)振荡磁场产生同频率的振荡电场． 说明： ①周期性变化的电场又叫振荡电场；②周期性变化的磁 场又叫振荡磁场．
是
纵波
可以是
无
相同点 (1)都具有波的特性，能发生反射、折射、干涉和衍射等物理现象； (2)都满足 v＝Tλ＝λƒ； (3)波从一种介质传播到另一种介质，频率都不变．
对麦克斯韦电磁理论的理解
【典例1】 如图3-2-4所示， 在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，
有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针 方向匀速转动．若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应
借题发挥 对于电磁波除掌握其产生的基本原理外，还需注意： (1)电磁波可以在真空中传播，不需要介质；电磁波就是一种物质， 可以传递能量，搭载信息．(2)电磁波在不同介质中传播时，频率 不变．不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同， 频率越高波速越小，频率越低波速越大．(3)在真空中传播时，不 同频率的电磁波的速度相同：v＝c.在介质中传播时，电磁波与机 械波不同，机械波在介质中传播的速度与介质有关，电磁波在介 质中传播的速度与介质和频率均有关．
【变式2】
电磁波与声波比较，下列说法正确的是
( )．
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大
C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大
D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都由介质决定，与频
率无关
解析 本题可以根据电磁波的特点和声波的特点进行分析．选项
三、电磁波 生：由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及
远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波． (1)赫兹实验装置(如图3-2-1所示)
图3-2-1
(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个 小球间也跳过火花． (3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花 时，空间出现了迅速变化的电磁场．这种电磁场以 电磁波的形式 在空间传播．当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出 感应电动势 ，使得导线环的空隙中也产生了火花． (4)实验结论：赫兹证实了 电磁波 的存在．
2 电磁场和电磁波
1．定性理解麦克斯韦电磁场理论的两个核心． 2．了解电磁场和电磁波的初步概念． 3．记住真空中电磁波的速度． 4．知道v＝λf＝Tλ 对电磁波也适用．
一、麦克斯韦电磁理论的两个基本假设 变化的磁场能够在周围空间产生电场． 变化的电场能够在周围空间产生磁场．
二、电磁场 如果在空间某区域有变化的电场，那么这个变化的电场就在 它周围空间引起变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空 间引起变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替 产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场．
应加速器中，电子在被加速的4.2 ms内获得的能量为120 MeV.
这期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，磁通量从
零增到1.8 Wb，则电子绕行的圈数为
( )．
A．1.4×105圈 C．2.8×102圈
图3-2-6
B．1.4×102圈 D．2.8×105圈
解析 根据法拉第电磁感应定律，环形室内的感应电动势为E＝
A、B均与事实相符，所以A、B正确．由空气进入水中根据λ＝
v f
，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频
率不变，波长变大，所以选项C正确．电磁波在介质中的速度，
与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速
越小．所以选项D错误．
答案 ABC
电子感应加速器 应用感生电场加速电子的电子感应加 速器( betatron ) ，是感生电场存在的最 重要的例证之一. 早在1932年J.斯莱皮恩就提出利用感应电场加速电子的想法， 接着也有不少人进行了这方面的研究，但他们都没有成功，直到 1940年D.W.克斯特解决了电子轨道的稳定问题以后，才建成了第 一台电子感应加速器，把电子加速到2.3MeV.随后这种加速器发展 得很快，1942年建成了20MeV的电子感应加速器，1945年建成了 100MeV的电子感应加速器.
周期性 变化的 物理量
位移随时间和空间做周 期性变化
电场强度E和磁感应强度B随 时间和空间做周期性变化
传播
传播需要介质，波速与 介质有关，与频率无关
传播无需介质，在真空中波速 总是c，在介质中传播时，Hale Waihona Puke 速与介质及频率都有关系产生
由质点(波源)的振动产 生
横波
可以是
由周期性变化的电流(电磁振 荡)激发
【典例3】 电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速电
子的．如图3-2-6所示，在圆形磁铁的两极之间有一环形真空
室，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而
在环形室内产生很强的电场，使电子加速，被加速的电子同
时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动．设法把高能电子引
入靶室，能使其进一步加速．在一个半径r＝0.84 m的电子感
对电磁场和电磁波的理解
【典例2】 关于电磁场和电磁波，下列叙述中正确的是 ( )． A．恒定的电场能够产生电磁波 B．电磁波的传播需要介质 C．电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变 D．电磁波传播的过程中也传递了能量
解析 变化的电场产生磁场，恒定的电场不会产生磁场，所以不 会产生电磁波，选项A错．电磁波的传播不需要介质，在真空中也 能传播，选项B错．电磁波从一种介质进入另一种介质时，频率不 变，波长和波速发生变化，选项C正确．电磁波传播的过程也把电 磁场的能量传递出去，选项D正确． 答案 CD
电磁场 如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电 场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又 在它周围空间产生新的周期性变化的电场…… 变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统 一体，这就是电磁场．
二、电磁波和机械波的异同
机械波
电磁波
对象
研究力学现象
研究电磁现象
借题发挥 这是一道力、电综合题，其中许多物理量是相互关联 又相互制约的，如变化的磁场产生电场，F电改变带电小球的运动 状态，运动状态的改变又带来F洛的变化，继而又带来弹力N的变 化，等等．
【变式1】
根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场．当产
生的电场的电场线如图3-2-5所示时，可能是
( )．
因而，要求每次注入电子束并使它加速后，在电场尚未改变方向 前就将已加速的电子束从加速器中引出．由于用电子枪注入真空 室的电子束已经具有一定的速度，在电场方向改变前的短短时间 内，电子束已经在环内绕行几十万圈，并且一直受到电场加速， 所以，可以获得能量相当高的电子．例如一个100 MeV的电子感 应加速器，能使电子速度加速到0.999986c .这里，c是光在真空中 的速度．
电磁波的特点 (1)电磁波中变化的电场方向与变化的磁场的方向垂直 ，并且均 与波的传播方向 垂直 ，因此电磁波是横波． (2)电场中存在电能，磁场中存在磁能、电磁波的发射过程就是 辐射电磁能的过程． (3)电磁波可以在真空中传播，速度为一常数v＝c≈3.0×108 m/s. (4)电磁波的波长λ、波速v与波的频率f、周期T的关系．λ＝vT＝ v f.
在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室，当用交变电流励磁电 磁铁时，在环形室内就会感生出很强的、同心环状的有旋电 场．用电子枪将电子注入环形室，电子在有旋电场的作用下被加 速，并在洛伦兹力的作用下，沿圆形轨道运动．由于磁场和感生 电场都是交变的，所以在交变电流的一个周期内，只有当感生电 场的方向与电子绕行的方向相反时，电子才能得到加速．