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第四节
电磁波的发现与应用
一、电磁场
麦克斯韦在前人的发现和工作基础之上，通过自己深刻的物理思想和数学归纳整理，创建了一套完善的理论体系—麦克斯韦方程组，又称麦克斯韦电磁场理论。我们以陈述的方式介绍麦克斯韦的理论成就。
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
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
1.电磁波的产生
如果空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就会在空间引起周期性变化的磁场，这一周期性变化的磁场又会引起新的变化电场。于是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.电磁波的特性
①
麦克斯韦推算出电磁波的速度等于光速。他还由此提出光的电磁理论；光是以波动形式传播的电磁波
②
电磁波具有能量，是真实存在的物质
③
电磁波可以传递信息，电磁波携带的信息既可以有线传播，也可以无线传播
3.电磁波的验证
1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
三、电磁波谱
1.描述波的物理量
①
凸起的最高处叫做波峰；凹下的最低处叫做波谷
②
波长：邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长，通常用表示
③
频率：在1s内波峰（或波谷）通过的次数，通常用表示
④
波速：描述波传播快慢的物理量，波速由介质决定
⑤
波长、波速和频率的关系
2.电磁波谱
电磁波的传播速度为光速，同样符合波的方程
电磁波的范围很广如图所示
3.电磁波的特征及用途
电磁波谱
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
射线
特性
从左向右，波长变小，频率变大
主要特征
波动性强，易衍射，易绕过障碍物
热作用强
引起视觉感光作用
化学作用、荧光效应
穿透能力强
穿透能力强，能量大
主要用途
通信、广播、导航
加热、遥感、红外摄影、夜视
成像、照明
杀菌消毒
透视检查、探测探伤
探测、伽马刀
【典例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
【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。
【典例2】下面列出一些医疗器械的名称和这些器械应用的物理现象，请将相应的字母填写在应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)用理疗“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好，这里的“神灯”是利用________。
A.紫外线具有很强的荧光作用
B.紫外线具有杀菌消毒作用
C.X射线的很强的贯穿力
D.红外线具有显著的热效应
【答案】(1)C (2)B (3)D
【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的伤害，因此应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，选择C。
(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，因此选择B。
(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，因此选择D。
【练习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，变化的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
【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稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，A、B、C错误，D正确。
【练习2】电磁波在真空中传播的速度v是3.00×108
m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0
MHz，这个台发射的电磁波的波长λ为（ ）
A．2.70
m
B．270
m
C．333
m
D．3.33
m
【答案】D
【解析】
根据λ＝得，λ＝
m≈3.33
m。
【练习3】（多选）根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是（ ）
A.教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场
C.稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场
D.只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波
【答案】AB
【解析】
教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中流的电流是交变电流，在其周围产生交变磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；只有周期性变化的电场和磁场才能交替产生，由发生区域向外传播形成电磁波，选项D错误。
【练习4】（多选）电磁波与声波比较，下列叙述中正确的是（ ）
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，与频率无关
【答案】ABC
【解析】
选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据λ＝，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误。
【练习5】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（ ）
A B
C
D
【答案】C
【解析】
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。
【练习6】（多选）根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时，可能是（ ）
A.向上方向的磁场在增强
B.向上方向的磁场在减弱
C.向上方向的磁场先增强，然后反向减弱
D.向上方向的磁场减弱，然后反向增强
【答案】AC
【解析】
向上方向的磁场增强时，感应电场的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则知感应电场方向如图中E的方向，选项A正确，B错误；同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如图中E的方向，选项C正确，D错误。
【练习7】（多选）应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)，正确的是（ ）
【答案】BC
【解析】
A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以B图正确；C图中的上图是周期性变化的磁场，它能产生同频率的周期性变化的电场，C图是正确的；D图的上图是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，故D图错误。
【练习8】英国物理学家麦克斯韦认为：变化的磁场________(选填“能”或“不能”)产生电场；德国物理学家________用实验成功证实了电磁波的存在；已知电磁波在真空中的传播速度为3.0×108
m/s，频率为1.0×108
Hz的电磁波，在真空中的波长为________m。
【答案】能 赫兹 3.0
【解析】
根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的磁场能产生电场；赫兹用实验证实了电磁波的存在；由公式v＝λf，可得波长λ＝＝
m＝3.0
m。
【练习9】在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。(已知地球的质量为6.0×1024
kg，地球半径为6.4×106
m，引力常量为6.67×10－11
N·m2·kg－2)
【答案】电磁波传递信息需要时间 0.24
s
【解析】
主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传递信息是需要时间的，设同步卫星高度为H，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即＝m(R＋H)，H＝－R＝3.6×107
m，则一方讲话，另一方听到对方的讲话所需的最少时间是
t＝＝0.24
s。
【练习10】某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4
s，某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示，t＝173
s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示，雷达荧光屏上相邻刻线间表示的时间间隔为10－4
s，电磁波的传播速度为c＝3×
108
m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？
【答案】335
m/s
【解析】
由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4
s，甲图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4
s，乙图时间间隔t2＝1×10－4
s，所以，第一次战斗机距雷达的距离为s1＝c×＝6.0×104
m，第二次战斗机在雷达正上方。所以，战斗机的高度h＝c×＝1.5×104
m，故173
s内战斗机飞行的水平距离为s＝＝5.8×104
m。所以v＝＝335
m/s。
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电磁波的发现与应用
一、电磁场
麦克斯韦在前人的发现和工作基础之上，通过自己深刻的物理思想和数学归纳整理，创建了一套完善的理论体系—麦克斯韦方程组，又称麦克斯韦电磁场理论。我们以陈述的方式介绍麦克斯韦的理论成就。
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
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
1.电磁波的产生
如果空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就会在空间引起周期性变化的磁场，这一周期性变化的磁场又会引起新的变化电场。于是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.电磁波的特性
①
麦克斯韦推算出电磁波的速度等于光速。他还由此提出光的电磁理论；光是以波动形式传播的电磁波
②
电磁波具有能量，是真实存在的物质
③
电磁波可以传递信息，电磁波携带的信息既可以有线传播，也可以无线传播
3.电磁波的验证
1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
三、电磁波谱
1.描述波的物理量
①
凸起的最高处叫做波峰；凹下的最低处叫做波谷
②
波长：邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长，通常用表示
③
频率：在1s内波峰（或波谷）通过的次数，通常用表示
④
波速：描述波传播快慢的物理量，波速由介质决定
⑤
波长、波速和频率的关系
2.电磁波谱
电磁波的传播速度为光速，同样符合波的方程
电磁波的范围很广如图所示
3.电磁波的特征及用途
电磁波谱
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
射线
特性
从左向右，波长变小，频率变大
主要特征
波动性强，易衍射，易绕过障碍物
热作用强
引起视觉感光作用
化学作用、荧光效应
穿透能力强
穿透能力强，能量大
主要用途
通信、广播、导航
加热、遥感、红外摄影、夜视
成像、照明
杀菌消毒
透视检查、探测探伤
探测、伽马刀
【典例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
【典例2】下面列出一些医疗器械的名称和这些器械应用的物理现象，请将相应的字母填写在应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)用理疗“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好，这里的“神灯”是利用________。
A.紫外线具有很强的荧光作用
B.紫外线具有杀菌消毒作用
C.X射线的很强的贯穿力
D.红外线具有显著的热效应
【练习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，变化的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
【练习2】电磁波在真空中传播的速度v是3.00×108
m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0
MHz，这个台发射的电磁波的波长λ为（ ）
A．2.70
m
B．270
m
C．333
m
D．3.33
m
【练习3】（多选）根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是（ ）
A.教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场
C.稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场
D.只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波
【练习4】（多选）电磁波与声波比较，下列叙述中正确的是（ ）
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，与频率无关
【练习5】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（ ）
A B
C
D
【练习6】（多选）根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时，可能是（ ）
A.向上方向的磁场在增强
B.向上方向的磁场在减弱
C.向上方向的磁场先增强，然后反向减弱
D.向上方向的磁场减弱，然后反向增强
【练习7】（多选）应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)，正确的是（ ）
【练习8】英国物理学家麦克斯韦认为：变化的磁场________(选填“能”或“不能”)产生电场；德国物理学家________用实验成功证实了电磁波的存在；已知电磁波在真空中的传播速度为3.0×108
m/s，频率为1.0×108
Hz的电磁波，在真空中的波长为________m。
【练习9】在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。(已知地球的质量为6.0×1024
kg，地球半径为6.4×106
m，引力常量为6.67×10－11
N·m2·kg－2)
【练习10】某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4
s，某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示，t＝173
s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示，雷达荧光屏上相邻刻线间表示的时间间隔为10－4
s，电磁波的传播速度为c＝3×
108
m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？
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