高中物理选修3-4优质学案：1 电磁波的发现

1电磁波的发现
[学科素养与目标要求]
物理观念：1.知道麦克斯韦电磁场理论.2.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律，知道电磁波与机械波的区别．
科学态度与责任：1.了解电磁波的发现对人类文明的影响.2.了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义．
一、伟大的预言
1．变化的磁场产生电场
(1)实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流．
图1
(2)麦克斯韦的见解：电路里感应电流的产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动．
(3)实质：变化的磁场产生了电场．
2．变化的电场产生磁场
麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场．
二、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：麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于光速．
三、赫兹的电火花
赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，为了纪念他，把频率的单位定为赫兹．
判断下列说法的正误．
(1)在电场周围，一定存在着和它联系着的磁场．(×)
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场．(×)
(3)电磁波不能在真空中传播．(×)
(4)电磁波是横波．(√)
一、麦克斯韦电磁场理论
1．电子感应加速器是用来获得高速电子的装置，其基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电磁铁线圈中通入变化的电流，真空室中的带电粒子就会被加速，其速率会越来越大．请思考：带电粒子受到什么力的作用而被加速？如果线圈中通以恒定电流会使粒子加速吗？这个现象告诉我们什么道理？
[答案]带电粒子受到电场力作用做加速运动．线圈中通入恒定电流时，带电粒子不会被加速．变化的磁场能产生电场．
2．用导线将手摇发电机与水平放置的平行板电容器两极相连，平行板电容器两极板间的距离为4cm左右，在下极板边缘放上几个带绝缘底座的可转动小磁针，当摇动发电机给电容器充电或电容器放电时，小磁针发生转动，充电结束或放电结束后，小磁针静止不动．请思考：小磁针受到什么力的作用而发生转动？这个现象告诉我们什么道理？
[答案]小磁针受到磁场力的作用而转动．变化的电场产生磁场．
对麦克斯韦电磁场理论的理解
(1)变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生恒定的电场．
②非均匀变化的磁场产生变化的电场．
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．
(2)变化的电场产生磁场
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．
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．
例
1关于电磁场理论，下列说法正确的是()
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
[答案] D
[解析]根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场．
[学科素养]例1涉及对麦克斯韦电磁场理论的理解．学生需要认识到：恒定的磁场不会产生电场，同样，恒定的电场也不会产生磁场．本题考查了学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力，体现了“科学思维”的学科素养．
针对训练某电路中电场随时间变化的图象如下列各图所示，能发射电磁波的电场是()
[答案] D
[解析]图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C中电场都随时间均匀变化，只能在周围产生恒定的磁场，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，而这个磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，能发射电磁波．
二、电磁波
如图所示是赫兹证明电磁波存在的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？
[答案]当A、B两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在．
电磁波与机械波的比较
例
2(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是()
A．机械波和电磁波，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]BCD
[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，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项B、C、D正确．
例
3(多选)(2018·江苏卷)梳子在梳头后带上电荷，摇动这把梳子在空中产生电磁波．该电磁波()
A．是横波
B．不能在真空中传播
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3×108m/s
[答案]AD
[解析]电磁波是横波，传播方向与振动方向垂直，既能在真空中传播，也能在介质中传播．电
磁波在空气中的传播速度约为3×108m/s，故选项A、D正确.
1．(麦克斯韦电磁场理论)下列说法中正确的是()
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
[答案] C
[解析]根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场．故选C.
2．(电磁波的特点)(多选)下列关于电磁波的说法中，正确的是()
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波
[答案]AC
[解析]电磁波在真空中的传播速度为光速c＝3.0×108m/s，且c＝λf，从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变化．电磁波仍具有波的特征，电磁波只有在真空中的
传播速度才为3.0×108m/s，在其他介质中的传播速度小于3.0×108m/s，波长变短，只有交变的电场和磁场才能产生电磁波．
3．(电磁波与机械波的比较)关于电磁波，下列叙述中正确的是()
A．电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速
B．电磁波可以发生衍射现象
C．电磁波和机械波一样依赖于介质传播
D．随着科技的发展，可以实现利用机械波从太空向地球传递信息
[答案] B
[解析]电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波的一种，能够发生衍射现象等波特有的现象，故B正确；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，不能在真空中传播，故C、D错误．
4．(电磁波与机械波的比较)(2018·新余一中高二下学期第三次段考)电磁波与机械波相比较，下列说法中不正确的是()
A．电磁波传播不需要介质，机械波传播需在介质中
B．电磁波与机械波的波动频率都由波源确定
C．电磁波、机械波都能发生衍射和干涉现象
D．电磁波、机械波都包括横波和纵波
[答案] D。