人教版高中物理选修1-1同步学习 第4章 电磁波及其应用1 第1节 电磁波的发现 第2节 电磁波谱

第一节电磁波的发现第二节电磁波谱
1.了解麦克斯韦电磁场理论,了解电磁波的形成和传播．(重点＋难点)
2.知道波长、频率和波速的关系．知道电磁波在真空中的传播速度．(重点)
3.了解电磁波谱是由无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线组成的,知道它们各自的特点与主要应用．
,
[学生用书P59])
一、伟大的预言
1．变化的磁场产生电场．
2．变化的电场产生磁场．
二、电磁波
1．产生：如果在空间某区域有不均匀变化的电场,那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化的电场和磁场……于是,变化的电场和磁场交替产生,由近及远地传播,这种电场和磁场的传播是一种波动过程,这就是电磁波．
2．传播速度：电磁波可以在真空中传播,它的传播速度等于光速,光也是一种电磁波．
三、赫兹的电火花
物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在及麦克斯韦电磁理论的正确性．
1．手机发射的是电磁波还是机械波？
提示：是电磁波．因为手机信号能在真空中传播．
四、波长、频率和波速
1．概念
(1)在波的传播中,凸起的最高处,叫做波峰．凹下的最低处叫做波谷．相邻的两个波峰(或波谷)的距离叫波长．
(2)在一秒内所通过波峰或波谷的次数叫波的频率．
(3)波的传播快慢用波速来表示．
2．波长、频率和波速的关系
波长、频率和波速三者的关系式为波速＝波长×频率,即c＝λf.
3．电磁波在真空中传播的速度为c＝3.00×108 m/s.
五、电磁波谱
按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱,叫做电磁波谱．按波长由大到小的顺序,它们分别是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线．
六、电磁波的能量
1．电磁波具有能量,电磁波是物质存在的一种形式．
2．微波炉的工作应用了一种电磁波——微波,食物中的水分子在微波的作用下加剧了热运动,内能增加,温度升高．
七、太阳辐射
1．太阳光中含有可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线、无线电波．
2．辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内．眼睛正好接收可见光这个区域的辐射．
2．太阳光是包含各种颜色的白光,为什么清晨和傍晚的时候,我们看到太阳发红呢？
提示：清晨或傍晚时,太阳光几乎平行于地平面,穿过的大气层最厚,波长较短的蓝光、紫光等侧向散射较多,剩下波长较长的红光、橙光透过大气射入我们的眼睛,所以看起来太阳就是红色的了．当天空中有云块时,云块为阳光所照射,也呈红色,从而形成了朝霞和晚霞．而正午时大气层最薄,散射不多,因此阳光仍然呈白色．
对电磁场理论的理解[学生用书P60]
1．电磁场的产生
(1)变化的磁场产生电场(如图甲所示),这是电磁场理论的核心之一．在变化的磁场中放一个闭合电路,电路里将会产生感应电流,这是法拉第发现的电磁感应现象．麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场周围产生电场,也正是由于这个电场的产生使得放在它里面的闭合电路出现电流(如图乙所示)．这是一种普遍存在的现象,就算闭合电路不存在,电场也照样产生,而闭合电路的作用只是用来显示电场的存在．
(2)变化的电场产生磁场,这是电磁场理论的核心之二．这个假设没有直接的实验做基础,它出于麦克斯韦对自然规律的洞察力,是一个大胆而且富有创造性的假设．自然规律有着和谐美和对称美．根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流会产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场(极板上的电荷量不断改变造成电场变化)周围也会产生磁场．
2．对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)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；
(4)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；
(5)如果在空间某处有周期性变化的电场,就在空间产生周期性变化的磁场；这个周期性变化的磁场又会引起新的周期性变化的电场,如此下去,变化的电场和磁场交替产生,从而形成由近至远传播的电磁波．某电路中电场随时间变化的图象如图所示,能发射电磁波的电场是( )
[关键提醒] 解答本题应注意以下两点：
(1)均匀变化的电场(磁场)产生恒定的磁场(电场)；
(2)非均匀变化的电场(磁场)产生变化的磁场(电场)．
[解析] 变化的电场可产生磁场,产生磁场的性质是由电场的变化情况决定的．均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变化的电场产生变化的磁场,振荡的电场产生同频率的振荡磁场．A中电场不随时间变化,不会产生磁场．B和C中电场都随时间做均匀变化,在周围空间产生稳定的磁场,这个磁场不能再激发电场,所以不能激起电磁波．D中是一振荡电场,它将在周围空间产生振荡的磁场,振荡的磁场又产生振荡的电场,从而形成一个不可分割的统一体,即电磁场,它由近及远的传播即为电磁波．故选项D正确．[答案] D
1．关于麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A．稳定的电场产生稳定的磁场
B．均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场
C．变化的电场产生的磁场一定是变化的
D．振荡电场周围空间产生的磁场也是振荡的
解析：选D.麦克斯韦电磁场理论的要点是：变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场),若磁场(电场)的变化是振荡的,产生的电场(磁场)也是振荡的；稳定的电场不产生磁场,均匀变化的电场产生的是稳定的磁场,变化的电场产生的磁场不一定是变化的,也可能是稳定的．
电磁波的特点[学生用书P60]
1．电磁波传播时不需要介质,机械波传播必须在介质中传播．
2．电磁波具有波的共性,能产生干涉、衍射现象,也能发生反射、吸收、折射等现象．它是物质存在的一种形式,也是能量传递的一种方式．
3．波长、频率、波速的关系：电磁波和机械波的波速、波长、频率关系相同都是v＝λf,式中λ表
示波长,频率与周期的关系是f＝1
T
或T＝
1
f
,频率的单位是赫(Hz),也常用千赫(kHz)或兆赫(MHz)作单位.1
kHz＝103Hz,1 MHz＝106Hz.
4．在真空中传播时,不同频率的电磁波的传播速度相同,都等于光速,即v＝c＝3.00×108 m/s.
(1)电磁波在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度,在一般计算中认为电磁波在空气中的传播速度与真空中的传播速度相等．
(2)机械波和电磁波的频率取决于波源,从一种介质进入另一种介质时,波的频率不变．
(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场和磁场发生变化,就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．停止发射电磁波,发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
[解析] 对电磁波的产生机制及传播途径要搞清,如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是恒定的,就不能产生新的电场(或磁场),也就不能产生电磁波．电磁波不同于机械波,它的传播不需要介质,故应选C、D项．
[答案] CD
2．关于电磁波,下列说法正确的是( )
A．所有电磁波的频率相同
B．电磁波只能在真空中传播
C．电磁波在任何介质中的传播速度相同
D．电磁波在真空中的传播速度是3.0×108 m/s
答案：D
电磁波谱及应用[学生用书P61]
波长特征用途
无线电波
大
↓
小波动性强通信广播、导航等无线电技术
红外线热效应强加热、遥测、遥感、红外制导
可见光引起视觉照明、摄影等
紫外线化学效应日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等
X射线贯穿性强检查、探测、医用透视、治疗等
γ射线贯穿本领最强工业探伤、探测、治疗等
电磁波在生活中有着广泛的应用．不同波长的电磁波具有不同的特性,因此也有不同的应用．下列器件与其所应用的电磁波对应关系不正确的是( )
A．雷达——无线电波
B．手机——X射线
C．紫外消毒柜——紫外线
D．遥控器——红外线
[关键提醒] 熟记各种电磁波的特点和应用是解题的关键．
[解析] 由电磁波的不同特性可知,雷达、手机利用无线电波,消毒柜利用紫外线,遥控器则利用红外遥感技术,由此可知选项B不正确．
[答案] B
3．我国进行第三次大熊猫普查时,首次使用了全球卫星定位系统和RS卫星红外遥感技术,详细调查了珍稀动物大熊猫的种群、数量、栖息地周边情况等,红外遥感利用了红外线的( ) A．热效应
B．相干性
C．反射性能好
D．波长较长,易衍射
解析：选D.红外线的波长较长,衍射现象明显,容易穿透云雾、烟尘,因此被广泛应用于红外遥感和红外高空摄影,故D对．
机械波和电磁波的比较[学生用书P61]
电磁波和机械波不同：机械波的传播速度与介质有关,电磁波的传播速度与介质和电磁波的频率均有关．
1．在同一均匀介质中传播时,机械波的传播速度相同；在同一均匀介质中频率不同的电磁波传播速度不同,频率越高波速越小,频率越低波速越大,当波从一种介质进入另一种介质时频率不变．2．在不同的介质中传播时,频率相同的电磁波和机械波传播速度不同．
(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中,正确的是( )
A．机械波与电磁波本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速,不仅与介质有关,而且与电磁波的频率有关C．机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
[审题指导] 解答本题应注意电磁波和机械波的本质,波长、波速和频率与哪些因素有关,并注意电磁波和机械波的共性．
[解析] 机械波由振动产生,机械波传播需要介质,速度由介质决定；电磁波传播不需要介质,波速由介质和本身频率共同决定,机械波有横波,也有纵波,而电磁波一定是横波,故选项B、C、D正确．[答案] BCD
(1)电磁波和机械波都是波,都具有波的共性,能发生干涉、衍射等现象；
(2)电磁波和机械波又有自己不同的特点,传播时有的需要介质有的不需要介质,波速的影响因素也不同．
[随堂检测] [学生用书P62]
1．在物理学史上,最先建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家是( ) A ．赫兹 B ．爱因斯坦 C ．麦克斯韦
D ．法拉第
解析：选C.法拉第发现了电磁感应现象,麦克斯韦建立了完整的电磁场理论,赫兹用电火花实验证明了电磁波的存在,爱因斯坦建立了相对论,故选项C 正确．
2．(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论,判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图是表示变化的场,下图是表示变化的场产生的另外的场),正确的是( )
解析：选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,A 图中的下图是错误的；B 图中的上图是均匀变化的电场,应该产生稳定的磁场,下图中的磁场是稳定的,所以B 图正确；C 图中的上图是振荡的磁场,它能产生同频率的振荡电场,且相位相差π
2,C 图是正确的；D 图中的上
图是振荡的电场,在其周围空间产生振荡的磁场,但是下图中的图象与上图相比较,相位相差π,故D 图错误．
3．关于电磁波,下列说法中不正确的是( ) A ．频率越高,传播速度越大 B ．无线电波的传播不需要介质
C ．无线电波在真空中的传播速度是3.0×108
m/s
D ．振荡的电场与振荡的磁场相互激发,由近及远传播,形成电磁波
解析：选A.在真空中,电磁波的传播速度与频率无关,A 错．无线电波可以在真空中传播,传播速度为3.0×108
m/s,电场与磁场相互激发,形成电磁波．B 、C 、D 正确．
4．(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是( ) A ．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波 B ．红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的 C ．伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的 D ．红外线的显著作用是热作用,温度较低的物体不能辐射红外线
解析：选AB.γ射线是原子核受到激发产生的,选项C错误；一切物体都在发射红外线,选项D错误．5．下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象．请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上．
(1)X光机____________；
(2)紫外线灯____________；
(3)理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好．这里的“神灯”是利用____________．
A．光的全反射
B．紫外线具有很强的荧光作用
C．紫外线具有杀菌消毒作用
D．X射线具有很强的贯穿能力
E．红外线具有显著的热作用
F．红外线波长较长,易发生衍射
解析：(1)X光机是用来透视人的体内器官的,因此需要具有较强穿透能力的电磁波,但又不能对人体造成太大的伤害,因此采用了X射线．
(2)紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用．
(3)“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快．
答案：(1)D (2)C (3)E
[课时作业] [学生用书P109(单独成册)]
一、单项选择题
1．第一个用实验证实电磁波存在的物理学家是( )
A．赫兹B．爱因斯坦
C．麦克斯韦D．法拉第
解析：选A.麦克斯韦是第一个提出电磁场理论、预言电磁波存在的物理学家,但用实验作出证明的是赫兹,所以A正确．
2．下列设备不是利用电磁波来传递信息的是( )
A．电视B．手机
C．无线广播D．有线电话
解析：选D.有线电话是利用电磁感应的原理,通过电线传递信息,不需要发射电磁波．
3．电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等,按波长由长到短的排列顺序是( ) A．无线电波、红外线、紫外线、γ射线
B．红外线、无线电波、γ射线、紫外线
C．γ射线、红外线、紫外线、无线电波
D．紫外线、无线电波、γ射线、红外线
解析：选A.在电磁波谱中,无线电波波长最长,γ射线波长最短．
4．对电磁波传播速度表达式c＝λf的理解正确的是( )
A．波长越长,传播速度就越快
B．频率越高,传播速度就越快
C．发射能量越大,传播速度就越快
D．电磁波的传播速度与传播介质有关
解析：选D.电磁波在介质中传播时的速度由介质和电磁波的频率决定,在真空中电磁波的速度都是光速．选项D正确．
5．现代军事行动中,士兵都佩戴有“红外夜视仪”,以便在夜间也能清楚地看清目标,这主要是因为( )
A．“红外夜视仪”发射出强大的红外线,照射被视物体
B．一切物体均不停地辐射红外线
C．一切高温物体不停地辐射红外线
D．“红外夜视仪”发射出γ射线,放射物体受到激发而发出红外线
解析：选B.一切物体都不停地向外辐射红外线,不同物体辐射出来的红外线不同．采用红外线接收器,可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置,而不受白天和夜晚的影响．选项B正确．6．如图所示的四种磁场变化情况中,能产生图中电场的是( )
解析：选B.变化的磁场产生电场,A选项中的磁场是恒定磁场,不产生电场,A选项错；均匀变化的磁场产生恒定的磁场,选项B正确；选项C、D中的磁场是周期性变化的磁场,产生周期性变化的电场,选项C、D 错误．
二、多项选择题
7．关于电磁场和电磁波,下列说法正确的是( )
A．变化的电场和变化的磁场由近及远地向外传播,形成电磁波
B．电磁场是一种物质,不能在真空中传播
C．电磁波由真空进入介质中,传播速度变小,频率不变
D．电磁波的传播过程就是能量传播的过程
解析：选ACD.变化的电场和变化的磁场由近及远地向外传播,形成电磁波；电磁波可以在真空中传播,且传播速度大于在介质中的传播速度；电磁波的传播过程同时也是能量的传播过程．
8．关于波长为0.6 μm 的红光,下列说法中正确的是( ) A ．其在真空中的传播速度为3.0×108
m/s B ．其频率是5×1014
Hz
C ．传播10 m 的距离需要的时间是1.0×10－5
s D ．在10 m 的距离中约有1.7×107
个波长
解析：选ABD.电磁波在真空中的传播速度是光速,所以A 正确；λ＝0.6 μm ＝0.6×10－6
m,f ＝c λ＝
5×1014Hz,B 正确；t ＝x v ＝3.3×10－8 s,所以C 错误；在10 m 的距离中有波长的个数n ＝x λ＝1.7×107
,D
正确．
9．目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz 至1 000 MHz 的范围内．下列关于雷达和电磁波的说法正确的是( )
A ．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m 至1.5 m 之间
B ．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C ．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离
D ．波长越短的电磁波,频率越高
解析：选ACD.由v ＝λ·f 和雷达的工作原理可求得选项A 、C 、D 正确,B 错误． 10．在下列说法中符合实际的是( ) A ．医院里常用X 射线对病房和手术室消毒 B ．医院里常用紫外线对病房和手术室消毒
C ．在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用紫外线有较好的分辨能力
D ．在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力
解析：选BD.紫外线具有杀菌、消毒的作用,X 射线穿透能力较强,因此医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒,用X 射线透视人体；在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用射线容易透过云雾烟尘,因而用波长较长的红外线,所以答案为B 、D.
三、非选择题
11．一位观众在某剧场观看演出,他的座位离扬声器有20 m 远；另一位观众在家里的电视机旁收看实况转播,他的家离剧场20 km 远,那么,他们两人谁先听到演员的歌声？(声速约为340 m/s)
解析：在剧场的观众听到歌声所需的时间： t 1＝s 1v 1＝20340 s ＝0.059 s ＝5.9×10－2
s
在电视机旁听到歌声所需的时间： t 2＝s 2c ＝20×103
3.0×10
8 s ＝6.7×10－5
s
t 2＜t 1,即在电视机旁的观众首先听到歌声．
答案：电视机旁的观众首先听到
12．某高速公路自动测速仪的原理如图甲所示,雷达向汽车驶向的方向发射不连续的电磁波,每次发射时间为10－6
s,相邻两次发射时间间隔为t,当雷达向汽车发射无线电波时,在显示屏上呈现一个尖形波,在收到反射回来的无线电波时,在荧光屏上呈现第二个尖形波．根据两个波的距离,可以计算出汽车距雷达的距离．根据自动打下的纸带,如图乙所示,请求出车速．
解析：第一次测量时汽车距雷达距离s 1＝ct 1
2,
第二次测量时汽车距雷达距离s 2＝ct 2
2,
两次发射时间间隔为t,则汽车车速 v ＝s t ＝s 1－s 2t ＝c （t 1－t 2）2t . 答案：c （t 1－t 2）2t。