《学霸笔记 同步精讲》第三章 4.电磁波的发现及其应用 5.微观世界的量子化（课件）高中物理教科版必修三

(共48张PPT)
4.电磁波的发现及其应用　
5.微观世界的量子化
第三章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容。
2.能说出电磁波谱的组成,知道光是电磁波。
3.能说出电磁波谱各波段的特性和主要用途。
4.了解电磁波的应用,知道我国在此方面的成就。
5.知道微观粒子的能量是不连续变化的,能量量子化是研究微观世界的基本观点。
6.了解光和微观粒子的波粒二象性。
素养阐释
1.体会电磁场理论的产生过程,形成科学思维。
2.通过了解电磁波在生活中的应用及我国在此方面的成就,形成科学态度与责任。
3.根据对光的波粒二象性、能量量子化等观点的了解,形成物理观念。
自主预习 新知导学
一、电磁波的发现
1.麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场(如图所示)。
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场(如图所示)。
2.电磁场:变化的电场和变化的磁场交替产生,形成不可分割的统一体,称为电磁场。
3.电磁波
(1)电磁波的产生:变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的,这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。
(2)电磁波的特点:
①电磁波的波长、频率、波速的关系:c= λf 。在真空中,电磁波的速度c=3.0×108 m/s。
②电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。
4.我们看的电视用的是无线电波中的哪一波段
提示:微波。
二、电磁波谱及电磁波的应用
1.电磁波谱
(1)按波长或(频率)的顺序把所有电磁波排列起来,称
之为电磁波谱。
(2)按波长由大到小的顺序,它们分别是:无线电波、红外线、可见光、
紫外线、X射线和γ射线。电磁波的频率越高,它的波长就越短。
2.电磁波的应用
(1)利用电磁波传递信息。
①传输:可以通过电缆、光缆进行有线传输,也可以实现无线传输。
②意义:极大地丰富了人们的生活,拉近了人与人间的距离,改变了人们的生活方式,让电子商务、远程控制等新事物成为现实。
③应用:探索未知世界。
(2)利用电磁波的能量。
①生活:最常见、最普遍的电磁波能量是太阳光,生活中还常用到的器具是微波炉。
②军事:微波定向能武器、激光武器等。
3.说一说你家在哪些方面用到了电磁波。
提示:手机、网络、电视、微波炉等。
三、微观世界的量子化
1.能量子
(1)定义:普朗克发现电磁波的发射和吸收都是不连续的,他把每一份的能量叫作能量子。
(2)公式:ε= hν ,其中h=6.626×10-34 J·s,称为普朗克常量,ν为波的频率。
2.波粒二象性
请连线。
答案:
3.能量量子化
(1)能级。
①定义:原子的不连续的、量子化的能量值称为能级。
②基态:原子处于能量最低的状态。
③激发态:原子处于能量较高的状态。
(2)跃迁。
①定义:原子从某一能级“跳跃”到另一个能级的过程称为跃迁。
②规律:从较低的能级跃迁到较高的能级,必须吸收能量;反之,则要释放出能量。过程中能量的变化等于两能级的能量差。
4.试列举生活中宏观概念量子化的例子。
提示:花生米的粒数、人的个数等。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　　)
(2)磁场一定可以产生电场,电场也一定可以产生磁场。(　　)
(3)电磁波在真空和介质中传播速度相同。(　　)
(4)只要有电场和磁场,就能产生电磁波。(　　)
(5)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。(　　)
(6)γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高。(　　)
(7)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　)
×
×
×
×
×
√
√
2.普朗克常量是自然界的一个基本常数,它的数值是(　　)
A.6.02×10-23 mol-1
B.6.626×10-3 mol·s
C.6.626×10-34 J·s
D.1.38×10-16 mol·s
答案:C
解析:普朗克常量是一个定值,由实验测得它的精确数值为6.626×10-34 J·s,在记忆时关键要注意它的单位和数量级。
3.(1)麦克斯韦根据什么认为“变化的磁场产生电场”
(2)关于“变化的电场产生磁场”的观点,他是在什么情况下提出的
提示:(1)麦克斯韦是在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。
(2)“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的,他相信磁场和电场有对称之美。他认为:既然变化的磁场能够在空间产生电场,那么变化的电场也能够在空间产生磁场。
合作探究 释疑解惑
知识点一
电磁场和电磁波
问题引领
“嫦娥四号”是人类首次进行月球背面着陆探测的探测器。由于月球自转周期与绕地球公转周期相同,所以总有一面背对着地球。着陆在月球背面的探测器受到月球自身遮挡,无法直接与地球进行测控通信和数据传输。为此我国发射了国内首颗地球轨道外专用中继通信卫星“鹊桥号”,作为“嫦娥四号”探测器与地球之间的数据中转站。
你知道它们是通过什么传递信息的吗
提示:电磁波(无线电波)。
归纳提升
1.电磁场的产生
如果在空间某处有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场,这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
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
不均匀 变化 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
振荡 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
3.机械波与电磁波的比较
项目 机械波 电磁波
研究对象 力学现象 电磁现象
周期性变化的物理量 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 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播无须介质,在真空中波速总是c,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系
项目 机械波 电磁波
产生 由质点(波源)的振动产生 由周期性变化的电流(电磁振荡)激发
干涉 可以发生 可以发生
衍射 可以发生 可以发生
横波 可以是 是
纵波 可以是 不是
要想产生电磁波,电场和磁场必须是振荡变化的。无论电磁波还是机械波,都能产生干涉和衍射现象。
典型例题
【例题1】 (多选)以下关于机械波与电磁波的说法正确的是(　　)
A.机械波与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:机械波由机械振动产生,电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生。机械波是质点振动的传播,传播需要介质,速度由介质决定;电磁波是物质波,传播不需要介质。电磁波的波速由介质和本身频率共同决定。机械波有横波,也有纵波,而电磁波一定是横波,故B、C、D正确,A错误。
电磁波的特点
1.电磁波有波的一切特点:能发生反射、折射现象,能产生干涉、衍射等现象。
2.电磁波是横波。在电磁波中,每处的电场强度和磁感应强度方向总是互相垂直的,并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直。
3.电磁波可以在真空中传播,向外传播的是电磁能。
【变式训练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:麦克斯韦电磁场理论的核心内容是:变化的电场产生磁场;变化的磁场产生电场。对此理论全面正确理解为:不变化的电场周围不产生磁场;变化的电场可以产生变化的磁场,也可产生不变化的磁场;均匀变化的电场产生稳定的磁场。由变化的磁场产生电场的规律与上相似。由此可知,B、D正确。
知识点二
电磁波谱及电磁波的应用
问题引领
提示:L波段(频率在1~2 GHz的无线电波波段)。
1.被誉为“天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜(FAST)正式开放运行后运行正常,并陆续启动了五个重大和优先项目的科学观测,进入科学产出阶段。
请查资料了解中国“天眼”的工作波段。
2.请同学说出电磁波家族中,主要有哪些种类,波长最长的是什么,波长最短的是什么,电视机信号属于哪一波段。
提示:电磁波家族有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。波长最长的是无线电波中的长波。波长最短的是γ射线。电视机信号属于微波。
归纳提升
1.电磁波谱
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来,构成了范围非常广泛的电磁波谱。可见光只是其中很窄的一个波段。由于它们都是本质相同的电磁波,所以它们的行为都遵循共同的规律,但另一方面,由于它们的频率不同而又呈现出不同的特性。例如,波长较长的无线电波,很容易表现出干涉、衍射现象,但对波长越来越短的可见光、紫外线、X射线、γ射线,要观察到它们的干涉、衍射现象就越来越困难了。
2.电磁波谱中各种波段的特征用途比较
电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
特性 波动 性强 热作 用强 感光性强 化学作用 荧光效应 穿透力强 穿透力
最强
用途 无线电广播、导航 加热、遥测遥感、红外摄像、红外制导 照明、 照相等 杀菌消毒、 治疗皮肤病等 检查、探 测、透视、 治疗 探测、
治疗
递变规律 频率变大,衍射能力减弱 典型例题
【例题2】 (多选)以下关于电磁波谱的理解正确的是(　　)
A.红外线的波长比紫外线的波长短
B.可见光不属于电磁波
C.无线电波的波长比γ射线的波长要长
D.无线电波的波长大于1 mm
答案:CD
解析:按照波长由小到大的顺序排列,电磁波可划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波,而波长大于1 mm的电磁波属于无线电波。所以C、D正确。
从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波,其行为服从共同的规律,但因波长(或频率)不同又表现出不同的特点。要熟记各部分的波长、频率范围及其关系,知道同一电磁波的波长与频率成反比。
【变式训练2】 (多选)电磁波按波长大小的顺序把它们排列成谱,如图所示,由电磁波谱可知(　　)
A.微波是不可见光
B.红外线可以杀菌消毒
C.紫外线的波长比红外线长
D.X射线能穿透物质,可以用来检查生物骨骼结构
答案:AD
解析:微波是不可见光,选项A正确;红外线有热作用,紫外线可以杀菌消毒,选项B错误;紫外线的波长比红外线短,选项C错误;X射线能穿透物质,可以用来检查生物骨骼结构,选项D正确。
知识点三
能量量子化
问题引领
阅读课本第137~138页,并叙述氢原子光谱中可见光范围内的四条分立的明线产生的原因。
氢原子的光谱
提示:氢原子从n=3,4,5,6能级跃迁到n=2的能级时释放的光子分别对应着光谱在可见光范围内的四条明线。
归纳提升
对能量子的理解
1.概念:普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子大小:ε=hν=h ,其中ν是电磁波的频率,λ为电磁波的波长,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
3.能量的量子化:在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。
典型例题
【例题3】 硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在光电池极板上,这些光子的总能量为(h为普朗克常量)(　　)
答案:B
光子是电磁波,是能量,不带电;而电子是实物粒子,带负电,两者有本质的区别。
【变式训练3】 能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18 J,已知可见光的平均波长约为60 μm,普朗克常量为6.63×10-34 J·s,则进入人眼的光子数至少为多少个
答案:302个
课堂小结
随堂练习
1.(电磁场和电磁波)(多选)关于电磁场、电磁波的认识,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波的传播需要介质
B.电磁波从一种介质进入另一种介质,频率不变
C.电磁波传播的过程中也传递了能量
D.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
答案:BC
解析:周期性变化的电场与磁场相互感应产生,并向外传播,从而形成电磁波,电磁波的传播不需要介质,A错误;只有变化的电场(磁场)才能产生磁场(电场),D错误。
2.(麦克斯韦电磁场理论)下列说法正确的是(　　)
A.变化的磁场不能产生电场
B.变化的电场不能产生磁场
C.麦克斯韦证实了电磁波的存在
D.电磁波能在真空中传播
答案:D
解析:变化的磁场周围会产生电场,故A错误;变化的电场周围会产生磁场,故B错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在,故C错误;电磁波可以在真空、固体、液体、气体中传播,故D正确。
3.(电磁波谱)①验钞机的紫外线,②电视机遥控器的红外线,③CT机的X射线,它们都是电磁波,按频率从高到低的排列顺序是(　　)
A.①②③
B.③②①
C.②③①
D.③①②
答案:D
解析:CT机的X射线的频率高于验钞机的紫外线的频率,验钞机的紫外线的频率高于电视机遥控器的红外线的频率,故D项正确。
4.(能量子与量子化现象)(2024·江西卷)近年来,江西省科学家发明硅衬底氮化镓基系列发光二极管(LED),开创了国际上第三条LED技术路线。某氮化镓基LED材料的简化能级如图所示,若能级差为2.20 eV(约3.52×10-19 J),普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则发光频率约为(　　)
A.6.38×1014 Hz B.5.67×1014 Hz
C.5.31×1014 Hz D.4.67×1014 Hz
答案:C
解析:辐射出的光子能量ε=3.52×10-19 J,由光子的能量公式ε=hν得ν==5.31×1014 Hz。