人教版(新教材)高中物理必修3精品学案：13.4 电磁波的发现及应用

4 电磁波的发现及应用『学习目标』1．了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念.2.知道电磁波的特点，掌握电磁波波长、频率、波速之间的关系.3.知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量．一、电磁场与电磁波1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场产生电场①在变化的磁场中放一个闭合的电路，由于穿过电路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流．这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场．②即使在变化的磁场中没有闭合电路，也同样要在空间产生电场．(2)变化的电场产生磁场变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场．2．电磁场：变化的电场和变化的磁场所形成的不可分割的统一体．3．电磁波(1)电磁波的产生：周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．(2)电磁波的特点①电磁波可以在真空中传播．②电磁波的传播速度等于光速．③光在本质上是一种电磁波．即光是以波动形式传播的一种电磁振动．(3)电磁波的波速①波速、波长、频率三者之间的关系：波速＝波长×频率．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c＝λf.②电磁波在真空中的传播速度c＝3×108 m/s.二、电磁波谱与电磁波的能量1．电磁波谱(1)概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱．(2)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．(3)各种电磁波的特性①无线电波：用于广播、卫星通信、电视等信号的传输．②红外线：用于加热理疗等．③可见光：照亮自然界，也可用于通信．④紫外线：用于灭菌消毒．⑤X射线和γ射线：用于诊断病情、摧毁病变的细胞．2．电磁波的能量(1)光是一种电磁波，光具有能量．(2)电磁波具有能量，电磁波是一种物质．判断下列说法的正误．(1)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场．(×)(2)电磁波在空气中可以传播，在真空中不能传播．(×)(3)光在真空中的速度与电磁波在真空中的速度相同，光是一种电磁波．(√)(4)无线电波、可见光、红外线、紫外线都属于电磁波．(√)一、麦克斯韦电磁场理论1．变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场也在周围空间产生磁场．2．均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场．3．振荡的磁场产生同频率振荡的电场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场．4．周期性变化的电场和磁场相互联系，形成一个统一的场，就是电磁场，而电磁场由近及远地向周围空间传播形成电磁波．(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是()A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场C．变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场『答案』AB『解析』变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A 正确；周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B 正确；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，C 错误；只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D 错误．二、电磁波 1．电磁波的形成周期性变化的电场和磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波． 2．电磁波的特点(1)电磁波的传播不需要介质．在真空中传播速度等于光速c ＝3×108 m/s. (2)电磁场储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程． (3)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．(4)电磁波是电磁场在空间中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质． 3．电磁波的波速对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f 表示频率、c 表示波速，则有c ＝λf .(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 ．电磁波的传播需要介质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『答案』 CD『解析』 要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A 错误；电磁波是物质波，电磁波的传播不需要介质，B 错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C 正确；电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量的传播过程，D 正确．电磁波在真空中传播的速度c ＝3.00×108 m/s ，有一个广播电台的频率f ＝90.0 MHz ，这个电台发射的电磁波的波长λ为( ) A ．2.70 m B ．270 m C ．3.00 mD ．3.33 m『答案』 D『解析』 根据λ＝cf 得，λ＝3.00×10890.0×106m ≈3.33 m.三、电磁波谱1．电磁波谱电磁波谱的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．它们共同构成了范围广阔的电磁波谱．2．不同波长的电磁波的比较名称特性无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线主要应用通信、广播红外探测器、红外体温计引起视觉灭菌、消毒、防伪医学透视、安检治疗疾病、金属探伤真空中的速度都是c＝3×108 m/s频率小→大同介质中速度大→小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射线具有很强的穿透力E．红外线具有显著的热效应F．红外线波长较长，易发生衍射『答案』(1)D(2)C(3)E『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力的电磁波，但又不能对人体造成太大伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线，因此选D.(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，因此选C.(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，因此选E.1．(电磁波)(多选)关于电磁波，下列说法正确的是()A．麦克斯韦用实验成功地证明了电磁波的存在B．电磁波的传播不需要借助任何介质C．电磁波的传播过程是电磁场能的传播过程D．均匀变化的电场一定能形成电磁波『答案』BC『解析』麦克斯韦提出电磁场理论，赫兹用实验证明了电磁波的存在，A错误；电磁波可以在真空中传播，B正确；电磁波是将电磁场能传播出去，C正确；均匀变化的电场形成的磁场是稳定的，无法形成电磁波，D错误．2．(电磁波谱)下列各组电磁波中，按波长由长到短排列正确的是()A．红外线、紫外线、可见光、γ射线B．γ射线、紫外线、红外线、可见光C．γ射线、紫外线、可见光、红外线D．红外线、可见光、紫外线、γ射线『答案』 D3．(电磁波的特性)(多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是()A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变B．γ射线是波长最短的电磁波，它的频率比X射线还要高C．紫外线的频率比紫光低D．在电磁波谱中，穿透能力最强的是X射线『答案』AB『解析』X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它的频率比X射线还要高，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，紫外线的频率比紫光高，在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强，选项C、D错误.考点一麦克斯韦电磁场理论1．(多选)下列说法中，正确的有()A．最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特B．电磁感应现象是法拉第发现的C．建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦D．最早预言电磁波存在的科学家是赫兹『答案』ABC『解析』最早预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，赫兹用实验证明了电磁波的存在，D 错误；由物理学史的知识可知，A、B、C正确．2．(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．周期性变化的电场在周围空间产生同样频率的周期性变化的磁场『答案』BD3．(多选)某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，能产生磁场的电场是()『答案』ABC『解析』根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，选项A、B、C正确．考点二电磁波谱及电磁波的应用4．(多选)关于光波和无线电波，下列说法正确的是()A．都是电磁波B．都可以在真空中传播C．在真空中的传播速度都是3×108 m/sD．二者的波长、频率均相同『答案』ABC『解析』光波和无线电波本质上都是电磁波，都可以在真空中传播，在真空中传播的速度都是3×108 m/s，A、B、C对；光波和无线电波波长、频率不同，D错．5．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是()A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限B．γ射线的频率一定大于X射线的频率C．X射线的波长有可能等于紫外线波长D．可见光波长一定比无线电波的短『答案』CD『解析』X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确．6．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是()A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康C．电磁波中频率最大的是X射线D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光『答案』 D『解析』X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X 射线都具有明显的化学反应，可以使感光底片感光，故D正确．7．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是()A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同『答案』 B『解析』无论是电磁波还是声波，都可以传递能量和信息，则A项错误；手机通话时，打电话人的手机将声波转化成电磁波，接收者的手机再将电磁波转换成声波，B项正确；太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波的传播速度不相同，C项错误；遥控器发出的红外线频率和医院“CT”中的X射线频率不同，它们的波长也不相同，D项错误．8．间谍卫星上装有某种遥感照相机，可用来探测军用和民用目标．这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车，即使车队离开，也瞒不过它．这种遥感照相机敏感的电磁波属于( ) A ．可见光波段 B ．红外线波段 C ．紫外线波段D ．X 射线波段『答案』 B『解析』 一切物体在任何情况下都辐射红外线，但不能随意辐射可见光、紫外线和X 射线，故这种遥感照相机敏感的电磁波属于红外线波段，B 正确．9．频率为5×1014 Hz 的红光，从10 m 外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？『答案』 3.3×10－8 s 1.7×107个『解析』 由c ＝λf 得，该红光的波长λ＝c f ＝3×1085×1014m ＝6×10－7 m ．传到眼睛需要的时间是t ＝x c ＝103×108 s ≈3.3×10－8 s ，在这个距离中的波长数有n ＝x λ＝106×10－7≈1.7×107(个)． 10．波长为50～100 m 的无线电波适宜通过电离层的反射向远处传播，这些无线电波的频率范围是多大？若传到相隔1 500 km 的远处至少需要多长时间？『答案』 3×106～6×106 Hz 5×10－3 s『解析』 由c ＝λf 得，f 1＝c λ1＝3×10850 Hz ＝6×106 Hz ，f 2＝c λ2＝3×108100 Hz ＝3×106 Hz ，所以频率范围为3×106～6×106 Hz由x ＝ct 可得t ＝x c ＝1 500×1033×108 s ＝5×10－3 s ．。