13.4电磁波的发现及应用--高中物理必修三素养提升学案

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高中物理必修三素养提升学案
第13章 电磁感应与电磁波初步
第4节　电磁波的发现及应用
【学习目标】
1.了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点,知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。
2.认识电磁波谱。
3.了解电磁波谱中各波段的波的特征及它们在科技、经济、社会发展中的作用。
4.知道电磁波是一种物质,具有能量。
【科学素养要求】
1、物理观念
(1)知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容。
(2)了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。
2. 科学思维
体验赫兹证明麦克斯韦预言电磁波存在的实验过程及实验方法，会分析电场与磁场相互转化的规律。
3. 科学探究
探究电磁波在科技、经济、社会发展中的作用。
4. 社会态度与责任
(1)领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。
(2)体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。
【自主预习】
一、电磁场
1.麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点:　　　　　　　　　　;　　　　　　　　　　。
2.变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分割的统一的　　　　　　　　。
二、电磁波
1.变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播,形成　　　　。
2.1886年　　　　　通过实验捕捉到了电磁波,证实了麦克斯韦的电磁场理论。
三、电磁波谱
1.波速、波长、频率三者之间的关系:　　　　　　。
2.电磁波在真空中的传播速度:　　　　　　。
3.电磁波谱:按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来,就是电磁波谱。
4.电磁波谱按波长由长到短依次为
　　　　　　、　　　　　、　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　。
四、电磁波的能量和电磁波通信
1.电磁场不仅仅是一种描述方式,而且是真正的　　　　存在。
2.微波炉可以加热食物,说明电磁波具有　　　　;用收音机能够听到播音员的声音,是因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流,有电流就有能量。各种各样的仪器,能够探测到各种电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量,电磁波是一种物质。
3.人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物、查阅资料、视频通话。这些信息都是通过电磁波来传递的。电磁波携带的信息,既可以有线传播,也可以　　　　传播。
【答案】
一、1.变化的磁场产生电场　变化的电场产生磁场
2.电磁场
二、1.电磁波　2.赫兹
三、1.波速=波长×频率
2.c=3×108 m/s
4.无线电波　红外线　可见光　紫外线　X射线　γ射线
四、1.物质　2.能量　3.无线
【课堂探究】
【探究导入】电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式,使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。那么,电磁波是谁发现的 他又是怎样发现的呢
一、麦克斯韦电磁场理论
【情景探究】
通过上节课学习的法拉第电磁感应定律,我们知道在变化的磁场中放入一个闭合电路,电路里会产生感应电流。对此现象麦克斯韦认为,一定是变化的磁场在线圈中产生电场,而正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使了自由电子做定向的移动,引起了感应电流。
既然变化的磁场能够产生电场,那么,变化的电场能产生磁场吗
请同学们阅读课本并寻找麦克斯韦的观点。
麦克斯韦假设
总结电磁场特点:
二、电磁波、电磁波谱及电磁波的应用
【思考与讨论】
在我们身边到处都有电磁波的影子,它的应用更是比比皆是。
列出的设备中工作时所发出的波,哪些不属于电磁波
(1)微波炉加热食物时发出的波。
(2)电视发射塔发出的波。
(3)互联网光缆中传播的波。
(4)电视机遥控器发出的波。
不同的电磁波之间又是如何划分的呢
不同的电磁波之间有哪些异同点呢
相同点
不同点
　　总结:
【知识点探究】
知识点一　电磁场
1．麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场。
(2)变化的电场产生磁场。
【关键点拨】
1.麦克斯韦电磁场理论要点的理解
(1)变化的磁场产生电场
在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路同样也可以产生电场，如图所示。
(2)变化的电场产生磁场
既然变化的磁场能够产生电场，麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美，大胆地假设：变化的电场会产生磁场。根据麦克斯韦电磁场理论，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，如图所示。
2. 对麦克斯韦电磁场理论中“变化”的理解
如何变化 电场 磁场
恒定 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化 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
非均匀变化 非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
周期性变化 周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
2．电磁场：变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
【温馨提示】 (1)电场和磁场在空间形成不可分割的统一体。
(2)电磁场具有运动质量、能量以及与其他物质相互作用的属性，电磁场具有物质性，是物质存在的基本形态之一。
(3)有单独存在的静电场，也有单独存在的静磁场，但不存在静止的电磁场。
知识点二　电磁波
1．电磁波的产生：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，这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。
2．电磁波的传播：电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质。
3．光也是电磁波
(1)电磁波的传播速度恰好与真空中的光速相同。
(2)麦克斯韦指出：光是以波动形式传播的一种电磁振动。
4．科学研究：德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，从而证实了麦克斯韦电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
知识点三　电磁波谱
1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝λf。
2．电磁波在真空中的速度：c＝3×108 m/s。
3．电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，形成电磁波谱。
电磁波谱组成
4. 电磁波的共性
(1)它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵守公式c＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s。
(3)它们的传播都不需要介质。
5．不同电磁波的个性及其应用
特点 应用
无线电波 波动性强 通讯、广播、导航
红外线 热作用强 加热、遥测、遥感
可见光 感光性强 照明、照相等
紫外线 化学作用荧光效应 杀菌消毒、治疗皮肤病等
X射线 穿透力强 检查、探测、透视、治疗
γ射线 穿透力最强 探测、治疗
知识点四　电磁波的能量及电磁波通信
1．电磁波是一种物质，而且具有能量。
2．应用：生活中常用微波炉来加热食物，食物增加的能量是微波给它的。
3．人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物等，这些信息都是通过电磁波来传递的。
4．电磁波的传输：可以通过有线传播，也可实现无线传播。

【典例分析】
【例题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
【思路点拨】:要注意电场或磁场是如何变化的,变化规律不同,产生的场的特点也不相同。
【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。
【答案】:D
[针对训练1](多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述正确的是(　　)
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
【解析】:教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中的电流是交变电流,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。
【答案】:AB
【例题2】(多选)电磁波与声波比较,下列叙述正确的是(　　)
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
【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。
答案:ABC
【例题3】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
【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。
答案:(1)C　(2)B　(3)D
[针对训练2](多选)下列关于电磁波的说法,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
【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,A、C正确,B、D错误。
答案:AC
[针对训练3]无线电波的中波波长范围为200~3 000 m。求该波段的频率范围。
【解析】:根据频率公式f=得
f1== Hz=1.5×106 Hz
,f2== Hz=1.0×105 Hz,即该波段的频率范围为1.0×105~1.5×106 Hz。
答案:1.0×105~1.5×106 Hz
【课堂练习】
1.(关于麦克斯韦电磁场理论的理解)(多选)关于麦克斯韦的电磁场理论及其成就,下列说法正确的是(　　)
A.变化的电场可以产生磁场
B.变化的磁场可以产生电场
C.证实了电磁波的存在
D.预见了真空中电磁波的传播速度大于光速
【答案】AB
【解析】根据麦克斯韦电磁波理论，可知AB正确。
2.(对电磁波谱的认识)电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等,按波长由长到短的排列顺序是(　　)
A.无线电波、红外线、紫外线、γ射线
B.红外线、无线电波、γ射线、紫外线
C.γ射线、红外线、紫外线、无线电波
D.紫外线、无线电波、γ射线、红外线
【答案】A
【解析】按波长由长到短的排列顺序是：无线电波、红外线、紫外线、γ射线，A正确。
3.(麦克斯韦电磁场理论的应用)(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】当产生的电场的电场线如图所示时,，根据楞次定律，向上方向的磁场在增强，向下方向的磁场在减弱，AC正确。
4.(电磁波的利用)(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是(　　)
A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间
B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C.测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离
D.雷达使用的是无线电波的微波波段
【答案】ACD
【解析】根据波长与频率的关系，可以得出真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间，A正确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B错误；测出从发射电磁波到接收到反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离，C正确；雷达使用的是无线电波的微波波段，D正确。
【核心素养专练】
1.(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法正确的是(　　)
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
【答案】BD
【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场，均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，BD正确。
2.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】均匀变化的磁场能产生恒定的电场，C正确。
3.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的
B.医院里用X射线进行人体透视,是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的
C.科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化
D.在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
【答案】CD
【解析】科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化。在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射，CD正确。
4.(多选)关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息
B.声波不能传递信息
C.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
D.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度不相同
【答案】ACD
【解析】电磁波可以传递信息，声波也可以传递信息，A正确B错误；手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波，C正确；太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度不相同，D正确。
5.如图所示是某一固定面积的磁通量的变化图线,它在周围空间某一点激发的电场的电场强度E应是(　　)
A.逐渐增强
B.逐渐减弱
C.不变
D.无法确定
【答案】C
【解析】磁通量变化率为常数，产生的感应电动势和感应电流恒定，在周围空间某一点激发的电场的电场强度E不变，C正确。
　　
6.关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
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3×108 m/s
C.电磁波由真空进入某种介质传播时,波长将变长
D.电磁波只能在真空中传播
【答案】A
【解析】电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播，A正确；
.电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s，在介质中传播速度小于真空中传播速度，B错误；.电磁波由真空进入某种介质传播时,频率不变，波速变小，波长将变短，C错误；.电磁波可以在介质中传播，D错误。
7.(多选)关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
A.只要有电场和磁场,就能产生电磁波
B.电磁波在真空和介质中传播速度不相同
C.均匀变化的磁场能够在空间形成电磁波
D.赫兹证实了电磁波的存在
【答案】BD
【解析】电磁波在真空和介质中传播速度不相同，赫兹证实了电磁波的存在，BD正确；只有周期性变化的电场或磁场才能够在空间形成电磁波，AC错误。
8.以下关于电磁波的说法不正确的是(　　)
A.无线通信是用电磁波进行传播的
B.医院B超发出的超声波是电磁波
C.遥控器发出的红外线是电磁波
D.透视使用的X射线是电磁波
【答案】B
【解析】医院B超发出的超声波是机械波，B错误。
9.电磁波由真空中进入介质中时,其波速变为原来的一半,则波长将变为原来的多少倍
【解析】电磁波由真空中进入介质中时,频率不变，其波速变为原来的一半,则波长将变为原来的一半，即倍。
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