第5章 第3节 初识电磁波及其应用 第4节 初识光量子与量子世界 讲义

第5章 初识电磁场与电磁波
第3节　初识电磁波及其应用
第4节　初识光量子与量子世界
[学习目标]
1.了解电磁波，知道电磁场的物质性。
2.了解电磁波的应用及其带来的影响。
3.知道光是一种电磁波，知道光的能量是不连续的。
4.初步了解微观世界的量子化特征。
[基础梳理]
一、对电磁波的认识
1.电磁波的产生
(1)英国物理学家麦克斯韦提出：变化的磁场在周围空间激发出一种电场，变化的电场也能够产生磁场。
(2)周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的，不可分割的电磁场。
(3)空间交替变化的电磁场传播出去就形成电磁波。赫兹证实了电磁波的存在。
(4)电磁波特点：①横波，②传播速度与光速相同。
2.电磁波应用
(1)手机通话是靠一种特殊的无线通信系统来实现的。
(2)雷达是一种检测飞行器、船只等远距离物体位置的系统。
(3)卫星通信利用地球同步卫星传递微波通信信号。
3.电磁污染及防护
(1)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。
(2)电磁辐射的防护。从物理学的角度看，可以从电磁波源，电磁波的传播途径及受辐射的人三个方面进行防护。
二、光量子与量子世界
1.光的量子化
(1)光的微粒说和光的波动说。光的微粒说可以解释光的反射、光的颜色等；光的波动说可解释干涉、衍射、偏振等现象。
(2)爱因斯坦在解释光电效应时提出了光量子假说，认为光的发射、传播和接收都是一份份光子的形式进行的。后来光量子正式命名为光子。
(3)光即具有波动性，又具有粒子性，即具有波粒二象性。
2.初识量子世界：量子假说认为，物质辐射(或吸收)的能量E只能是最小能量单位的整数倍，即E＝nε(n＝1，2，3，…)。一份能量就是一个能量子，能量子的能量ε与频率ν成正比即ε＝hν。
[能力拓展]
一、电磁波特点
1.根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，如图所示。因此电磁波是横波。
2.电磁波中的电场强度E与磁感应强度B这两个物理量随时间和空间做周期性的变化。
3.光的本质是电磁波。
4.电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
二、电磁波的应用
1.无线电波(radio wave)：无线电波用于通信和广播。如手机、卫星通讯等。
电视塔能发射无线电波
2.红外线(infrared ray)
红外线是一种光波，它的波长比无线电波短，比可见光长。所有物体都发射红外线。主要用于加热、遥测等。
红外体温计不与身体接触也可以测体温
3.可见光(visible light)
阳光是由各种色光组成的。主要用于照明、照相等。
4.紫外线(ultraviolet ray)
人眼看不到比紫光波长更短的电磁波。在紫光之外，波长范围在5 nm到370 nm之间的电磁波是紫外线。主要应用：日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等。
紫外线消毒柜
5.X射线(X－ray)和γ射线(γ－ray)
波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线。主要应用：探测、治疗等。
“CT”是“计算机辅助X射线断层以摄影”的简称
6.电磁波谱
如无线电波、光波、X射线、γ射线都是电磁波
三、光量子与量子世界
1.能量子公式
ε＝hν＝，λ为电磁波波长，ν是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量(Planck costant)，其值为h＝6.63×10－34 J·s。
2.能量的量子化
在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化。
3.量子化假设的实验证实
普朗克公式与实验结果比较，发现它与实验结果“令人满意地相符”。比较图线如下图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆代表实验值。
[随堂演练]
1．关于电磁波在真空中的传播速度，下列说法中正确的是（　　）
A．频率越高，传播速度越大
B．能量越大，传播速度越大
C．波长越长，传播速度越大
D．频率、波长、能量的强弱都不能影响电磁波的传播速度
2．关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有（　　）
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的
B．利用β射线的贯穿性可以为金属探伤
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害
3．有关波的干涉和衍射现象，下列说法正确的是（　　）
A．电磁波可以发生衍射现象和偏振现象
B．无论什么波，只要振幅足够大就可以产生明显的衍射现象
C．只要两列波叠加，都能产生稳定的干涉
D．只要是波都能发生衍射，波长比障碍物或孔的宽度大得多时衍射不明显
4．关于电磁场和电磁波的说法中正确的是（　　）
A．紫外线是一种波长比紫光波长更长的电磁波，能够灭菌
B．变化的磁场一定产生变化的电场，变化的电场一定产生变化的磁场
C．电磁波是横波，可以在真空中传播
D．麦克斯韦第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在
5．如图所示的振荡电路中，某时刻电容器上下极板带电情况和线圈中的磁场方向如图所示，则此时（　　）
A．线圈中的自感电动势在增大
B．电容器两端电压正在增大
C．磁场能正在转化为电场能
D．在电容器内放入绝缘物质，可以减小电路的振荡频率
6．关于电磁波理论，下列说法正确的是（　　）
A．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
B．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
C．做非匀变速运动的电荷可以产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
7．收音机的调频电路由自感线圈和可变电容器组成，调节可变电容器的电容，可以改变调谐电路的频率。已知中波频率范围为535～1605kHz，那么，
(1)收听中波段最低频率电台时的电容是收听最高频率电台电容的多少倍？
(2)收音机在中波段所接收的无线电波的波长范围是从多少米到多少米？
8．实验室里有一水平放置的平行板电容器，其电容C=1 μF。在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间。还有一个自感系数L=0.1 mH的电感器，现连成如图所示电路，试分析以下两个问题：
(1)从S闭合时开始计时，经过π×10-5 s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？
(2)当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？
试卷第1页，总3页
参考答案
1．D
【详解】
电磁波在真空中的传播速度等于光速，与频率、波长、能量大小均无关，故选D。
2．D
【详解】
A．利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电泄出。故A错误；
B．利用射线的贯穿性可以为金属探伤。故B错误；
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异不一定都有益，还要经过筛选才能培育出优良品种。故C错误；
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害。故D正确。
故选D。
3．A
【详解】
A．衍射是一切波都具有的现象，电磁波是横波，只要是横波就能发生偏振现象，故A正确；
B．波能否产生衍射现象与波的振幅无关，故B错误；
C．两列波只有在频率相同的条件下，才可能产生稳定的干涉，故C错误；
D．当波长比障碍物或孔的宽度大得多时，将发生明显的衍射，故D错误。
故选A。
4．C
【详解】
A．紫外线是一种波长比紫光波长更短的电磁波，能够灭菌，故A错误；
B．变化的电场产生的磁场不一定是变化的，当均匀变化时，则产生恒定的。当非均匀变化时，则产生非均匀变化的。故B错误；
C．电磁波是横波，可以在真空中传播，故C正确；
D．赫兹第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在，故D错误。
故选C。
5．D
【详解】
ABC．由电路可知，电容器正在放电，则电流的变化率正在减小，感应电动势在减小，电容器带电量减小，则两端的电压在减小，电场能正在转化为磁场能；选项ABC错误；
D．在电容器内放入绝缘物质，则电容器的电容变大，根据
可知，可以减小电路的振荡频率，选项D正确。
故选D。
6．C
【详解】
AB. 根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，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，故AB均错误；
C．做非匀变速运动的电荷可以在周围空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；
D．赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D错误；
故选C。
7．(1)9；(2)560.7m～186.9m
【详解】
(1)据公式
得
即
(2)据公式
得
8．(1)2g；(2)g，方向竖直向下
【详解】
(1)S断开时，电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且
F电=mg
闭合S后，L、C构成LC振荡电路，
T=2π=2π×10-5 s
经过π×10-5 s时，电容器间的电场强度反向，电场力的大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得
a==2g
(2)线圈中电流最大时，电容器两极间的电场强度为零，由牛顿第二定律可得
a==g
方向竖直向下。