高中物理第4章1电磁波的发现学案新人教版选修11

学习目标知识脉络
1.理解麦克斯韦的电磁场理论．(重点)
2．知道电磁波是如何形成的．(难点)
3．知道赫兹实验在物理学发展中的贡献．
4．掌握电磁波的传播速度．(重点)
高中物理第4章1电磁波的发现学案新人教版选修11
一、麦克斯韦的电磁场理论
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．3．麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一．
二、电磁波及赫兹的火花实验
1．电磁场
(1)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，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．
2．赫兹的火花实验
(1)赫兹首先捕捉到电磁波，在以后的一系列实验中，证明了电磁波与光具有相同的性质．他还测得，电磁波在真空中具有与光相同的传播速度c.
(2)赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论．
(3)赫兹被誉为无线电通信的先驱．后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹．
1．思考判断
(1)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场．(×)
(2)均匀变化的电场产生稳定的磁场．(√)
(3)稳定的电场也能产生变化的磁场．(×)
(4)电磁波的传播不需要介质．(√)
(5)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论．(√)
(6)电磁波的传播不需要介质，机械波的传播也不需要介质．(×)
2．(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．变化的电场和变化的磁场相互关联，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
AB[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对；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．] 3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是( )
C[由电磁场理论，结合图象，则有：A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随着时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随着时间非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误．]
麦克斯韦的电磁场理论的理解
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦总结前人对电磁规律的研究成果，建立了完善的电磁场理论，并预言了电磁波的存在，其主要内容为：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，要正确理解这个理论需要明确以下几点：
1．变化的磁场产生电场：均匀变化的磁场产生稳定的电场，周期性变化的振荡磁场能产生同周期性的振荡电场，这条理论的基础是法拉第的电磁感应现象．
2．变化的电场产生磁场：均匀变化的电场产生稳定的磁场，周期性变化的振荡电场产生同频率的振荡磁场，这一条是麦克斯韦的一个伟大的预言．
3．不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场．
4．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．
5．电场、磁场的变化关系：
【例1】有关电磁场理论的下列说法中，正确的是( )
A．任何变化的磁场都要在空间产生变化的电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，即电磁场
思路点拨：根据麦克斯韦电磁场理论的内容理解判断．
C[根据麦克斯韦理论，均匀变化的磁场在周围空间产生的电场是稳定的，故A错．同理，并不是任何电场都会在周围空间产生磁场，故B错．电场和磁场并不总是相互联系着的，例如，静止电荷周围只有静电场，静止磁体周围只有稳定的磁场．只有变化的电场和变化的磁场才能形成一个不可分离的统一体，即电磁场，故D错．]
1．某闭合电路的电流或电压随时间变化的规律如图所示，能发射电磁波的是( )
C[非均匀变化的电场产生变化的磁场，非均匀变化的磁场再产生变化的电场，从而形成电磁场，电磁场由近及远地传播，形成电磁波，故要求电流或电压是变化的，但不能是均匀变化的，C项正确．]
电磁波的特点及其与机械波的区别
(1)电磁波是横波，在传播方向上，任意一点的E和B都随时间按正弦规律变化，E和B 彼此垂直，且与电磁波的传播方向垂直．
(2)电磁场中储存电磁能，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)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质．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)电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．
①麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一．
②赫兹用实验证明了电磁波的存在，并研究了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波与光具有相同的性质，测出了电磁波在真空中的传播速度与光速c相同．
2．电磁波与机械波的比较
电磁波机械波研究对象电磁现象力学现象
产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生
纵、横波横波纵波或横波
波速在真空中等于光速波速由传播介质决定，在空气中很小(如声波为340 m/s)
是否需
要介质
不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播)
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大
C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大
D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定的，与频率无关
思路点拨：波速公式形式相同，但波速不同，波传播过程中频率不变．
ABC[此题考查电磁波和声波的区别，可从它们的特点上分析，A、B符合物理事实所以正确．根据v＝λf，电磁波速度变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以C正确．电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一介质中
频率越大，波速越小，所以D错误．]
[注意事项]
(1)电磁波和机械波从一种介质进入另一种介质时，频率都不变，但机械波的传播需要介质，而电磁波的传播不需要介质．
(2)v＝λf是机械波和电磁波都能用的公式．
2．(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
CD[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)必须是非均匀变化的，所以A选项错误；电磁波是物质波，电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播，B 选项错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C选项正确；电磁波可以使电荷移动，说明电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量传播的过程，所以D选项正确．]
1．第一个用实验验证电磁波客观存在的科学家是( )
A．法拉第B．奥斯特
C．赫兹D．麦克斯韦
C[麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C正确．] 2．关于电磁场，下列说法中不正确的是( )
A．在一个磁铁旁放一带电体，则两者周围空间就形成了电磁场
B．电磁场既不同于静电场，也不同于静磁场
C．电磁场中的电场和磁场是不可分割的一个统一体
D．电磁场中的电场的变化频率和磁场的变化频率是相同的
A[电磁场是变化的电场和变化的磁场形成的不可分割的统一场，而不是静电场和静磁场简单的复合．所以选项A错．]
3．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波由电磁场发生区域向远处传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为c
C．电磁波在真空中传播时，传播速度为c
D．光是一种电磁波
ACD[电磁波由电磁场发生区域向远处传播，电磁波在真空中的传播速度为c，故选项A、
C、D正确．]
4．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，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
D[根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才能产生磁场，所以A错，而非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错．]。