高中物理 第三章 电磁振荡与电磁波 第二节 电磁场与电磁波学案(含解析)粤教版选修34

第二节 电磁场与电磁波
一、麦克斯韦电磁场理论的基本思想
变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象；
变化的电场周围产生磁场是一种普遍存在的现象．
二、电磁波的产生及其特点
1．电磁场
变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场．
2．电磁波的产生
如果在空间某区域有周期性变化的电场，这个变化的电场就会在周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又会在较远的空间引起周期性的电场……这样，变化的电场和磁场就不局限于空间某区域．而是由近及远地向周围空间传播出去，电磁场这样由近及远地传播，就形成了电磁波．
3．电磁波的特点 （1）电磁波中电场和磁场相互垂直，电磁波在与两者均垂直的方向传播．因此，电磁波是横波．
（2）电磁波在空间以一定的速度传播，经过一个周期的时间，传播一个波长的距离，即其波长λ，频率f （或周期T ）和波速v 之间遵从波动的一般关系：v
＝λ
T
＝λf ．
（3）电磁波的频率即为电磁振荡的频率．由波源决定，与介质无关．电磁波在真空中
的传播速度等于光在真空中的传播速度，即v ＝c ＝3.0×108m/s ．
（4）电磁波与机械波一样，也能产生反射、折射、干涉、衍射等现象，也是传播能量的一种形式．
（5）电磁波的传播不需要借助任何介质，在真空中也能传播．
预习交流
机械波的产生必须有产生振动的振源和传播振动的介质，电磁波与机械波一样，具有波的共性，电磁波的传播是否必须有介质？
答案：不是．电磁波的传播不需要任何介质，在真空中也能传播．因为电磁波的传播是依靠电场和磁场的相互“激发”，而不是依靠介质的机械传递．
一、麦克斯韦的电磁场理论
1．麦克斯韦根据什么现象认为“变化的磁场产生电场”？关于“变化的电场产生磁场”的观点，他是在什么情况下提出的？
答案：（1）麦克斯韦是在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的
假设．
（2）“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的，他相信磁场和电场有对称之类．他认为：既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么变化的电场也能够在空间产生磁场．
2．麦克斯韦关于电磁场理论主要论点是什么？用麦克斯韦的电磁场理论说明电磁波是怎样产生的．
答案：（1）麦克斯韦关于电磁场理论的两大支柱是：①变化的磁场产生电场，②变化的电场产生磁场．
（2）根据这两个基本点，麦克斯韦进一步推断：如果在空间某处有变化的电场，那么这个变化的电场就在空间产生变化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化的电场，如此下去变化的电场和磁场交替产生，从而形成由近及远传播的电磁波．
3．学生讨论：按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系，不可分割的．空间中只要存在变化的磁场（或电场），就一定能形成电磁场吗？
答案：不一定．如果磁场（或电场）均匀变化，其周围产生稳定的电场（或磁场），稳定的电场（或磁场）周围不能再产生磁场（或电场），不能形成电磁场；如果磁场（或电场）是非均匀变化的，其周围产生非均匀变化的电场（或磁场），非均匀变化的电场（或磁场）周围又产生非均匀变化的磁场（或电场）……这样变化的磁场（或电场）和变化的电场（或磁场）交替产生，从而形成电磁场．
某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是哪一种（）．
点拨：变化的电场有均匀变化和非均匀变化之分，由此产生新的电场有稳定和变化之分．答案：D
解析：图A中电场不随时间变化，不产生磁场，图B和图C中电场都随时间做均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，也不会产生和发射电磁波，图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这种磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成不可分割的统一体，即形成电磁场，才能发射电磁波．
1．在变化的磁场中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．恒定的电场不产生磁场；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；均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场．
4．周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场；周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．
二、电磁波与机械波的异同
学生讨论：电磁波和机械波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射等现象，是传播能量的一种方式，能传递信息．除此之外，电磁波和机械波还有哪些相同点和不同点？
答案：（1）相同点：电磁波的波长、频率、波速关系与机械波一样，满足v＝λf，T＝1
的关系，且传播过程中频率不变，波速由介质决定．
f
（2）不同点：①产生的机理不同：电磁波是电磁运动产生的，是变化的电磁场在空间的传播；机械波是机械运动产生的，是振动这一运动形式在介质中的传播．
②电磁波传播不需要介质，机械波必须有介质才能传播．
③电磁波是横波，电场方向和磁场方向互相垂直且都与波的传播方向垂直；机械波有横波也有纵波．
④电磁波波速比机械波波速大得多，任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小．
⑤电磁波向外传播的是电磁能，机械波传播的是机械能．
以下关于机械波与电磁波的说法中，不正确的是（）．
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
答案：A
解析：机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场（或磁场）产生，机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，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．
1．电磁波和机械波都属于波，具有波的共性．都能发生反射、折射、干涉、衍射等现象．
2．电磁波和机械波的产生机理不同．两种波有本质的区别：
（1）机械波只能在介质中传播；电磁波既能在介质中传播，又能在真空中传播．
（2）机械波可能是横波，也可能是纵波；电磁波一定是横波．
（3）机械波的波速只由介质决定，与振源无关；电磁波的波速由介质和自身的频率共同决定．
1．关于电磁场理论，下列说法正确的是（）．
A．稳定的电场周围能产生磁场
B．变化的电场周围产生的磁场一定也是变化的
C．均匀变化的电场周围产生的磁场一定也是均匀变化的
D．振荡电场周围产生同频率的振荡磁场
答案：D
解析：稳定的电场周围不能产生磁场，A错误；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，B、C错误；振荡电场周围产生同频率的振荡磁场，D正确．
2．下列关于电磁波与机械波的说法正确的是（）．
A．机械波和电磁波的传播都需要介质
B．机械波和电磁波都是横波
C．机械波和电磁波都是传播能量或信息的一种方式
D．公式v＝λf都适用
答案：CD
解析：电磁波的传播不需要介质，A错误；机械波有可能是纵波，B错误；机械波和电磁波都是传播能量或信息的方式，C正确；v＝λf适用于一切波，D正确．3．电磁波从真空传入水中时，下列说法正确的是（）．
A．频率不变，波速变大，波长变长
B．频率不变，波速变小，波长变短
C．波速不变，频率变小，波长变长
D．波速不变，频率变大，波长变短
答案：B
解析：电磁波和机械波一样，从真空传入水中时，频率不变，但电磁波在真空中传播的速度最快，所以从真空传入水中时波速变小，由v＝λf知λ也变短，B正确．4．下列关于电磁场的说法中不正确的是（）．
A．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波B．任何变化的电场周围一定有磁场
C．振荡电场和振荡磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场
D．电磁波的理论在先，实践证明在后
答案：A
解析：任何变化的电场周围一定有磁场，B正确；如果电场或磁场均匀变化，则不能产生电磁场，A错误；振荡电场和振荡磁场交替产生，形成电磁场，C正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证明了电磁波的存在，D正确．
5．雷雨天气，从收音机中会不断地传出很响的“咔嚓”声，这是为什么？
答案：雷雨天形成闪电时会发出很强的电磁波，收音机接收到后会感应出电流，使扬声器发出声响，形成很响的“咔嚓”声．。