1 电磁波的发现
[学科素养与目标要求]
物理观念:1.知道麦克斯韦电磁场理论.2.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律,知道电磁波与机械波的区别.
科学态度与责任:1.了解电磁波的发现对人类文明的影响.2.了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义.
一、伟大的预言
1.变化的磁场产生电场
(1)实验基础:如图1所示,在变化的磁场中放一个闭合电路,电路里就会产生感应电流.
图1
(2)麦克斯韦的见解:电路里感应电流的产生,一定是变化的磁场产生了电场,自由电荷在电场的作用下发生了定向移动.
(3)实质:变化的磁场产生了电场.
2.变化的电场产生磁场
麦克斯韦假设,既然变化的磁场能产生电场,那么变化的电场也会在空间产生磁场.
二、电磁波
1.电磁波的产生: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.电磁波是横波:根据麦克斯韦的电磁场理论,电磁波在真空中传播时,它的电场强度和磁感应强度互相垂直,而且二者均与波的传播方向垂直,因此电磁波是横波.
3.电磁波的速度:麦克斯韦指出了光的电磁本性,他预言电磁波的速度等于光速.
三、赫兹的电火花
赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论,为了纪念他,把频率的单位定为赫兹.
判断下列说法的正误.
(1)在电场周围,一定存在着和它联系着的磁场.( × )
(2)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场.( × )
(3)电磁波不能在真空中传播.( × )
(4)电磁波是横波.( √ )
一、麦克斯韦电磁场理论
1.电子感应加速器是用来获得高速电子的装置,其基本原理如图所示,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电磁铁线圈中通入变化的电流,真空室中的带电粒子就会被加速,其速率会越来越大.请思考:带电粒子受到什么力的作用而被加速?如果线圈中通以恒定电流会使粒子加速吗?这个现象告诉我们什么道理?
答案 带电粒子受到电场力作用做加速运动.线圈中通入恒定电流时,带电粒子不会被加速.变化的磁场能产生电场.
2.用导线将手摇发电机与水平放置的平行板电容器两极相连,平行板电容器两极板间的距离为4 cm左右,在下极板边缘放上几个带绝缘底座的可转动小磁针,当摇动发电机给电容器充电或电容器放电时,小磁针发生转动,充电结束或放电结束后,小磁针静止不动.请思考:小磁针受到什么力的作用而发生转动?这个现象告诉我们什么道理?
答案 小磁针受到磁场力的作用而转动.变化的电场产生磁场.
对麦克斯韦电磁场理论的理解
(1)变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生恒定的电场.
②非均匀变化的磁场产生变化的电场.
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场.
(2)变化的电场产生磁场
①均匀变化的电场产生恒定的磁场.
②非均匀变化的电场产生变化的磁场.
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场.
例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,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,在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恒定的磁场,非均匀变化的电场才产生变化的磁场.
[学科素养] 例1涉及对麦克斯韦电磁场理论的理解.学生需要认识到:恒定的磁场不会产生电场,同样,恒定的电场也不会产生磁场.本题考查了学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力,体现了“科学思维”的学科素养.
针对训练 某电路中电场随时间变化的图象如下列各图所示,能发射电磁波的电场是( )
答案 D
解析 图A中电场不随时间变化,不会产生磁场;图B和图C中电场都随时间均匀变化,只能在周围产生恒定的磁场,不会产生和发射电磁波;图D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间产生变化的磁场,而这个磁场的变化也是不均匀的,又能产生变化的电场,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,能发射电磁波.
二、电磁波
如图所示是赫兹证明电磁波存在的实验装置,当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时,导线环上两小球间也会产生电火花,这是为什么?这个实验证实了什么问题?
答案 当A、B两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场,这种变化的电磁场传播到导线环时,在导线环中激发出感应电动势,使导线环上两小球间也产生电火花.这个实验证实了电磁波的存在.
电磁波与机械波的比较
机械波 电磁波
研究对象 力学现象 电磁现象
周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播无需介质,在真空中波速等于光速c,在介质中传播时,波速与介质和频率都有关
产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡激发(下节内容)
是横波还是纵波 可能是横波,也可能是纵波 横波
干涉和衍射 可以发生干涉和衍射
例2 (多选)以下关于机械波与电磁波的说法中,正确的是( )
A.机械波和电磁波,本质上是一致的
B.机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关,而且与电磁波的频率有关
C.机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
D.它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
答案 BCD
解析 机械波由振动产生,电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生,机械波是能量波,传播需要介质,速度由介质决定,电磁波是物质波,波速由介质和自身的频率共同决定;机械波有横波,也有纵波,而电磁波一定是横波,它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象,故选项B、C、D正确.
例3 (多选)(2018·江苏卷)梳子在梳头后带上电荷,摇动这把梳子在空中产生电磁波.该电磁波( )
A.是横波
B.不能在真空中传播
C.只能沿着梳子摇动的方向传播
D.在空气中的传播速度约为3×108 m/s
答案 AD
解析 电磁波是横波,传播方向与振动方向垂直,既能在真空中传播,也能在介质中传播.电磁波在空气中的传播速度约为3×108 m/s,故选项A、D正确.
1.(麦克斯韦电磁场理论)下列说法中正确的是( )
A.任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场,振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B.任何电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C.任何变化的电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D.电场和磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场
答案 C
解析 根据麦克斯韦电磁场理论,如果电场(磁场)的变化是均匀的,产生的磁场(电场)是恒定的;如果电场(磁场)的变化是不均匀的,产生的磁场(电场)是变化的;振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场);周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场.故选C.
2.(电磁波的特点)(多选)下列关于电磁波的说法中,正确的是( )
A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108 m/s
C.电磁波由真空进入介质传播时,波长将变短
D.只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场,就能产生电磁波
答案 AC
解析 电磁波在真空中的传播速度为光速c=3.0×108 m/s,且c=λf,从一种介质进入另一种介质,频率不变,但速度、波长会变化.电磁波仍具有波的特征,电磁波只有在真空中的传播速度才为3.0×108 m/s,在其他介质中的传播速度小于3.0×108 m/s,波长变短,只有交变的电场和磁场才能产生电磁波.
3.(电磁波与机械波的比较)关于电磁波,下列叙述中正确的是( )
A.电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速
B.电磁波可以发生衍射现象
C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播
D.随着科技的发展,可以实现利用机械波从太空向地球传递信息
答案 B
解析 电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速,故A错误;电磁波属于波的一种,能够发生衍射现象等波特有的现象,故B正确;电磁波能在真空中传播,而机械波依赖于介质传播,不能在真空中传播,故C、D错误.
4.(电磁波与机械波的比较)(2018·新余一中高二下学期第三次段考)电磁波与机械波相比较,下列说法中不正确的是( )
A.电磁波传播不需要介质,机械波传播需在介质中
B.电磁波与机械波的波动频率都由波源确定
C.电磁波、机械波都能发生衍射和干涉现象
D.电磁波、机械波都包括横波和纵波
答案 D
考点一 麦克斯韦电磁场理论
1.(多选)(2018·沈阳市郊联体高二下学期期中)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.周期性变化的电场和周期性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 ABC
2.(多选)根据麦克斯韦电磁场理论,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.打点计时器工作时周围必有磁场和电场
C.恒定的电场产生恒定的磁场,恒定的磁场激发恒定的电场
D.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
答案 ABD
3.在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是( )
答案 C
解析 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中磁场随时间均匀变化,则会产生恒定的电场,故C正确;D中磁场随时间做非均匀变化,则会产生非均匀变化的电场,故D错误.
4.如图1所示是空间磁感应强度B随时间t的变化图象,在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应( )
图1
A.逐渐增强
B.逐渐减弱
C.不变
D.无法确定
答案 C
解析 由题图可知,磁场均匀增强,根据麦克斯韦电磁场理论,均匀变化的磁场产生恒定的电场,故场强E不变,选项C对.
5.(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2所示时,可能是( )
图2
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.向上方向的磁场先减弱,然后反向增强
答案 AC
解析 向上方向的磁场增强时,感应电流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题图中E的方向所示,选项A正确,B错误.同理,当磁场反向即向下的磁场减弱时,感应电场方向同样如题图中E的方向,选项C正确,D错误.
考点二 电磁波
6.下列关于电磁波的说法,正确的是( )
A.只要有电场和磁场,就能产生电磁波
B.电场随时间变化时,一定产生电磁波
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
答案 C
解析 只有变化的电场和磁场,才能激发电磁波,而稳定的电场和磁场不能产生电磁波,A错误;均匀变化的电场,产生恒定的磁场,但是恒定的磁场不能产生电场,故不能产生电磁波,B错误;做非匀变速运动的电荷可以在空间产生变化的电磁场,形成电磁波,C正确;赫兹证实了电磁波的存在,D错误.
7.关于电磁理论,下列描述正确的是( )
A.电磁场不是一种物质
B.静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场
C.稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场
D.变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波
答案 D
解析 变化的电场和变化的磁场互相激发,由近及远传播形成电磁波,电磁场是一种客观存在的物质,故A错误,D正确;静止的电荷周围不能激发磁场,故B错误;稳定的磁场不能产生电场,C错误.
8.(多选)以下关于电磁波的说法中正确的是( )
A.只要电场或磁场发生变化,就能产生电磁波
B.电磁波传播需要介质
C.赫兹用实验证实了电磁波的存在
D.电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
答案 CD
解析 如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是稳定的,就不能再产生新的电场(或磁场),也就不能产生电磁波;电磁波不同于机械波,它的传播不需要介质;赫兹用实验证实了电磁波的存在;电磁波具有能量,它的传播是伴随有能量传递的.故选C、D.
9.有关电磁波和声波,下列说法错误的是( )
A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质
B.由空气进入水中传播时,电磁波的传播速度变小,声波的传播速度变大
C.电磁波是横波,声波也是横波
D.由空气进入水中传播时,电磁波的波长变短,声波的波长变长
答案 C
解析 电磁波本身就是一种物质,它的传播不需要介质,而声波的传播需要介质,故选项A正确;电磁波由空气进入水中时,传播速度变小,但声波在水中的传播速度比其在空气中大,故选项B正确;电磁波的传播方向与电场、磁场的方向都垂直,是横波,而声波是纵波,故选项C错误;电磁波由空气进入水中传播时,波速变小,波长变短,而声波由空气进入水中传播时,波速变大,波长变长,故选项D正确.
10.声呐(水声测位仪)向水中发出的超声波遇到障碍物(如鱼群、潜水艇、礁石等)后被反射,测出从发出超声波到接收到反射波的时间及方向,即可测算出障碍物的方位;雷达则向空中发射电磁波,遇到障碍物后被反射,同样根据发射电磁波到接收到反射波的时间及方向,即可测算出障碍物的方位.超声波与电磁波相比较,下列说法正确的有( )
A.超声波与电磁波传播时,都向外传递了能量
B.这两种波都既可以在介质中传播,也可以在真空中传播
C.在空气中传播的速度与在其他介质中传播的速度相比较,这两种波在空气中传播时均具有较大的传播速度
D.这两种波传播时,在一个周期内均向前传播了两个波长
答案 A