高中物理学案：电磁波的发现及其应用

高中物理学案：电磁波的发现及其应用

[学科素养与目标要求]

物理观念：1.了解麦克斯韦电磁场理论，了解电磁波的产生机理.2.知道电磁波的特点，知道电磁场的物质性.3.了解电磁波的应用及其带来的影响.4.知道光是一种电磁波，知道光的能量的不连续性.

科学态度与责任：1.了解麦克斯韦在物理学发展中的贡献，体会其研究物理问题的方法.2.了解电磁波在现代生活中的应用，激发热爱科学、献身科学的热情.

一、麦克斯韦伟大的预言

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，电路里会产生感应电流.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.

二、电磁波

1.电磁波的产生：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化的电场……于是，变化的电场和磁场交替产生，由近及远地传播.电磁场这样由近及远地传播，就形成电磁波.

2.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.

(4)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＝3.00×108 m/s.

三、电磁波谱

1.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.

2.不同波长电磁波的特性

(1)无线电波

波长大于1mm(频率小于300GHz)的电磁波是无线电波.无线电波用于通信和广播.

(2)红外线

①红外线是一种光波，它的波长比无线电波的波长短，比可见光长.

②所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强.我们看不见红外线.

③利用红外线遥感可以在飞机或人造卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮.

(3)可见光

可见光的波长在400～760nm之间.

(4)紫外线

波长范围在5～370nm的电磁波是紫外线.可以利用紫外线灭菌消毒.人体接受适量的紫外线照射，能促进钙的吸收，改善身体健康.在紫外线的照射下，许多物质会发出荧光，根据这个特点可以设计防伪措施.

(5)X射线和γ射线

波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线.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.X射线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官.

波长最短的电磁波是γ射线，它具有更高的能量.在医学上可以治疗某些癌症，还可用于探测金属部件内部的缺陷.

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.变化的磁场产生电场

如图1所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关.导体环的作用只是用来显示电流的存在.

图1

注意：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.变化的电场产生磁场

根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场.(如图2所示).

图2

3.小结

(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.

例1(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；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，B对，C、D错.

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＝3.00×108m/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中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质.

(5)电磁波具有波的一切特性，能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象.

3.麦克斯韦电磁理论的实验验证

赫兹在实验室研究证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波与光具有相同的性质，证实了麦克