人教版高中物理选择性必修第二册第4章2电磁场与电磁波学案

2．电磁场与电磁波
1．进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。

知道电磁波的概念。

初步了解电磁场是物质的一种形式。

会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接收。

2．领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验证明电磁波存在的重大意义。

3．了解发现电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献。

领会物理实验对物理学发展的基础意义。

电磁场
1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。

2．变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。

变化的磁场产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。

如图所示，磁铁相对闭合线圈上下运动时，闭合线圈中的自由电荷做定向移动。

问题1电荷受到什么力的作用？
提示：磁铁上、下运动时，导体中自由电荷定向移动，说明电荷受到静电力作用，即导体处在电场中。

问题2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？
提示：能，磁铁的上、下运动使线圈处在变化的磁场中，这表明变化的磁场周围产生了电场。

如果没有导体，该处仍会产生电场。

1．电磁场的产生
如果在空间某处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。

2．对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场
注意
【典例1】(多选)关于电磁场的理论，下列说法中正确的是()
A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的
C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的
D．振荡电场在周围空间产生同样频率的振荡磁场
BD[变化的电场产生磁场有两层含义：①均匀变化的电场产生恒定的磁场；②非均匀变化的电场产生变化的磁场。

振荡电场产生同频率的振荡磁场。

均匀变化的磁场产生恒定的电场。

故B、D正确，A、C错误。

]
(1)变化的磁场所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。

(2)①振荡电场(即周期性变化的电场)产生同频率的振荡磁场。

②振荡磁场(即周期性变化的磁场)产生同频率的振荡电场。

[跟进训练]
1．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。

当产生的电场的电场线如图所示时，可能是()
A．向上方向的磁场在增强
B．向上方向的磁场在减弱
C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱
D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强
AC[根据楞次定律可以确定，A、C正确，B、D错误。

]
电磁波
1．电磁波的产生
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．电磁波是横波
根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度和磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。

3．电磁波的速度
麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速。

他指出了光本身是按电磁波规律传播的一种电磁振动。

4．麦克斯韦电磁场理论的意义
不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，建立了完整的电磁场理论。

5．赫兹的电火花
(1)赫兹的实验装置
(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火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场，这种变化的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：证实了电磁波的存在。

电磁波具有波的一切特点，能发生反射、折射、干涉、衍射等现象。

如图是一列电磁波，判断下列说法是否正确。

问题1电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关。

(×)问题2周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波。

(√)问题3电磁波在传播过程中可以发生干涉、衍射，但不能发生反射和折射。

(×)
电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波产生机理不同，所以除具有波的共性外，还有不同之处。

项目机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象
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
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关
B．电磁波可以发生衍射现象和偏振现象
C．简谐机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高，则波传播速度越快D．机械波不但能传递能量，而且能传递信息，其传播方向就是能量或信息传递的方向
BD[电磁波在真空中的传播速度等于光速，与电磁波的频率无关，故A错误；衍射现象是波特有的现象，而偏振现象是横波特有的现象，电磁波也是一种横波，可以发生衍射现象和偏振现象，故B正确；波传播速度与介质有关，则在同一种介质中传播时，简谐机械波的传播速度相等，故C错误；机械波不但能传递能量，而且能传递信息，其传播方向就是能量或信息传递的方向，如声波，故D 正确。

]
[跟进训练]
2．(多选)关于电磁波与声波的说法，下列正确的是()
A．电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质
C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小
AC[由电磁波和声波的概念可知A正确；因为电磁波可以在真空中传播，而
声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误；电磁波
在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度，声波在
水中的传播速度大于在空气中的传播速度，故C正确；无论是电磁波还是声
波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝v
及它们在不同
f
介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误。

]
1．下列说法正确的是()
A．变化的磁场不能产生电场
B．变化的电场不能产生磁场
C．麦克斯韦证实了电磁波的存在
D．电磁波能在真空中传播
D[变化的磁场周围会产生电场，故A错误；变化的电场周围会产生磁场，故B错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故C错误；电磁波可以在真空、固体、液体、气体中传播，故D正确。

]
2．如图所示是空间中某磁场的磁感应强度B随时间变化的图像，在它周围空间产生的电场中的某一点的电场强度E应是()
A．逐渐增强B．逐渐减弱
C．不变D．无法确定
C[由题图可知，磁场的磁感应强度均匀增强，根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场产生恒定的电场，即电场强度E不变，C正确，A、B、D错误。

] 3．分析下列生活中的各种现象是否会产生电磁波，并说明原因。

(1)开灯的一瞬间。

(2)灯泡正常发光时。

(3)关灯的一瞬间。

(4)使用电吹风时。

(5)电饭煲从加热状态自动跳转到保温状态时。

提示：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，生活用电为220 V交流电，电流迅速发生变化时，会产生电磁波，故(1)(2)(3)(4)(5)都会产生电磁波。

回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)电磁波是怎样产生的？
提示：周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，向周围空间传播，由近及远形成电磁波。

(2)电磁波能否在真空中传播？
提示：能。

(3)电磁波有哪些特点？
提示：电磁波是横波，是物质波，具有波的一切特性。

麦克斯韦电磁场理论的建立
法拉第发现电磁感应现象那年，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡附近诞生了。

他从小热爱科学，喜欢思考。

1854年从剑桥大学毕业以后，他精心研读了法拉第的著作。

麦克斯韦被法拉第关于“场”和“力线”的思想深深吸引，但他也看到了法拉第定性表述的弱点。

因此，这位初出茅庐的科学家下定决心，要把法拉第的物理思想用数学公式定量化地表达出来。

麦克斯韦在稳恒场理论的基础上，提出了涡旋电场和位移电流的概念。

麦克斯韦电磁场理论的基本概念如下：变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的，它们永远密切地联系在一起，相互激发，组成一个统一的电磁场的整体。

麦克斯韦首先从类比研究入手，借用适当的数学工具表述法拉第的“力线”；后来，为了进一步说明“力线”的分布和性质，他转而建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念；最后，他把电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。

麦克斯韦电磁场理论的意义足以跟牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展中一个划时代的里程碑。

电磁波的发现使得我们进入了无线电科学与技术的时代，从对电磁波的利用中发明了收音机和电视机，再到后来的卫星通信、互联网和移动电话。

在电磁发展的过程中，有许多科学家做了很多贡献，请说出四个科学家的贡献。

提示：奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，等等。

课时分层作业(十四)电磁场与电磁波
题组一电磁场
1．(多选)如图所示为无线充电原理图，由与充电底座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成。

当送电线圈通入周期性变化的电流时，就会在受电线圈中感应出电流，从而实现为手机充电。

在充电过程中()
A．送电线圈中产生均匀变化的磁场
B．送电线圈中产生周期性变化的磁场
C．无线充电的原理是互感现象
D．手机电池是直流电源，所以受电线圈输出的是恒定电流
BC[由于送电线圈中通入周期性变化的电流，根据麦克斯韦理论可知送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变化，A错误，B正确；无线充电利用的是电磁感应原理，所以送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递，C正确；周期性变化的磁场会产生周期性变化的电场，输出不是恒定电流，D错误。

]
2．(多选)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周围空间产生均匀变化的磁场
B．电磁波和机械波一样依赖于介质传播
C．电磁波中每一处的电场方向和磁场方向总是互相垂直，且与波的传播方向垂直
D．只要空间某个区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波
CD[均匀变化的电场和恒定电流一样，只能产生恒定的磁场，A错误；电磁波是电磁场自身的运动过程，它本身就是物质，不需要介质就能传播，B错误；振荡的电场和振荡的磁场总是交替产生，且能由发生的区域向周围空间传播，产生
电磁波，D正确；理论分析和实验都证明电磁波是横波，电磁场中E、B的方向跟波的传播方向是互相垂直的，C正确。

]
3．(多选)用一把梳子在气球上摩擦带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波，该电磁波()
A．是横波
B．不能在火星表面传播
C．只能沿着梳子摇动的方向传播
D．在空气中的传播速度约为3×108 m/s
AD[电磁波传播方向与电磁场方向垂直，是横波，A正确；电磁波传播不需要介质，可以在火星表面传播，B错误；电磁波可以朝任意方向传播，C错误；电磁波在空气中的传播速度接近光速，D正确。

]
4．有关电磁场和电磁波，下列说法正确的是()
A．麦克斯韦首先预言并证明了电磁波的存在
B．变化的电场一定产生变化的磁场
C．使用空间波来传播信息时主要是应用无线电波波长大、衍射现象明显，即可以绕过地面上的障碍物
D．频率为750 kHz的电磁波在真空中传播时，其波长为400 m
D[赫兹用实验证明了电磁波的存在，A错误；均匀变化的电场产生恒定的磁
场，B错误；空间波沿直线传播，C错误；λ＝c
f ＝3×10
8
7.5×105
m＝400 m，D正确。

]
题组二电磁波与机械波的比较
5．(多选)关于电磁波和机械波，下列说法正确的是()
A．电磁波和机械波的传播都需要借助于介质
B．电磁波在任何介质中传播的速度都相同，而机械波的波速大小与介质密切相关
C．电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象
D．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生磁场
CD[机械波的传播需要借助于介质，但电磁波的传播不需要借助介质，A错误；电磁波和机械波的传播速度都与介质有关，B错误；电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，C正确；根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生磁场，变
化的磁场产生电场，D正确。

]
6．(多选)关于电磁波与机械波，下列说法正确的是()
A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质
B．电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一种介质中传播速率都相同
C．电磁波和机械波都不能发生干涉
D．电磁波和机械波都能发生衍射
AD[电磁波传播不需要介质，其传播速度与介质和频率都有关，而机械波传播需要介质，其传播速度只与介质有关，A正确，B错误；电磁波和机械波都具有波的一些特性，包括干涉和衍射，D正确，C错误。

]
7．甲坐在人民大会堂台前60 m处听报告，乙坐在家里离电视机5 m处看电视直播，已知乙所在处与人民大会堂相距1 000 km，不考虑其他因素，则(空气中声速为340 m/s)()
A．甲先听到声音
B．乙先听到声音
C．甲、乙同时听到声音
D．不能确定
B[声音传到甲所需时间为t1＝60
340s≈0.176 s，传到乙所需时间为t2＝1×106
3×108
s＋
5
340
s≈0.018 s<t1，乙先听到声音，故B正确。

]
8．有关电磁波和声波，下列说法错误的是()
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大C．电磁波是横波，声波也是横波
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长
C[电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故B正确；电磁波的传播方向与电场、磁场的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故D正确。

]
9．(多选)各磁场的磁感应强度B随时间t变化的情况如图所示，其中能产生持续电磁波的是()
A B
C D
BD[根据麦克斯韦的电磁场理论，恒定的磁场不能产生电场，更不能产生电磁波，故A错误；根据麦克斯韦的电磁场理论，周期性变化的磁场可以产生周期性变化的电场，周期性变化的电场又可以产生周期性变化的磁场，因而可以产生持续的电磁波，故B、D正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，因此不能产生持续的电磁波，故C错误。

]
10．(多选)判断如图所示的电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像(每个选项中的上图表示变化的场，下图表示变化的场产生的另外的场)，其中正确的是()
A B C D
BC[A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，所以下图错误；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生恒定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以下图正确；C图中的上图是振荡的磁场，它能产
，所以下图正确；D图的上图是振荡的电场，生同频率的振荡电场，且相位相差π
2
在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差应为
π
而不是π，所以下图错误。

综上所述，B、C正确，A、D错误。

]
2
11．(多选)(2022·黑龙江绥棱第一中学高二期中)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频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大
B．当电磁波波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失
C．电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号
D．电磁波的频率不同，但传播速度可能相同
BD[电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率、能量无关，故A错误；一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，故B正确；电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，故C错误；电磁波的频率不同，但在真空中传播时传播速度相同，故D正确。

]
12．(多选)(2022·黑龙江牡丹江第三高级中学高二阶段练习)2022年6月5日，中央电视台对神舟十四号飞船与天和核心舱交会对接进行了直播，其间航天员与北京飞控中心保持通话联络，直播画面通过电磁波传送到地面接收站。

下列关于电磁波和声波的说法不正确的是()
A．电磁波是横波，声波是纵波
B．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播
C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在
D．航天员讲话时画面能与声音同步，说明电磁波与声波具有相同的传播速度BCD[电磁波的传播方向和振动方向垂直是横波，声波的振动方向和传播方向平行则是纵波，故A正确；电磁波的传播不依赖介质，可在真空中传播，声波是机械波，只能在介质中传播，故B错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C错误；航天员讲话时画面能与声音同步，那是因为画面与声音都同时转换成电信号，通过电磁波传回到地面接收器再转换成画面和声音，电磁波的速度为光速，声波的传播速度为340 m/s，两者差距很大，故D错误。

]
13．(多选)如图所示，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，正以速度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电荷量不变，那么()
A．小球对玻璃环的压力不断增大
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
CD[玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功。

由楞次定律可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，选项C正确；小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力作用：环施予的弹力和磁场的洛伦兹力，且这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，弹力和洛伦兹力不一定始终在增大，选项A、B错误；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，选项D正确。

]。