第四节 麦克斯韦电磁场理论
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道什么是电磁波．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，体会其在物理学发展中的意义．(重点、难点)
2.了解赫兹证实电磁波存在的实验，体会实验验证在物理理论发展中的地位和作用.
一、电磁场理论的建立及验证
1．电磁场理论
英国物理学家麦克斯韦在研究了法拉第电磁感应现象之后，提出了电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和变化的磁场相互联系，形成一个不可分割的统一体——电磁场．电场和磁场只是电磁场这个统一体的两种具体表现形式．
2．电磁波的形成
如果在空间某处产生了变化的电场，就会在空间引起变化的磁场；而这变化的电场和磁场又在较远的空间引起新的变化的电场和磁场．这个过程反复进行，使变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播出去，形成电磁波．
3．验证
1888年，德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在，证明电磁波与光一样，具有反射、折射、衍射和干涉等波动特性，并发现电磁波的传播速度等于光速，证实了光是一种电磁波．
二、电磁场的物质性
1．电磁场可以使电荷移动，即可以对电荷做功，这说明电磁场具有能量．
2．俄国物理学家列别捷夫测量到光对被照射物体的压力，表明电磁场具有与其他物质相互作用的属性．所以说，电磁场是物质存在的基本形态之一．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场． (×)
(2)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场． (×)
(3)周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场．
(√)
(4)变化的电场和磁场由近及远地向四周空间传播形成电磁波． (√)
(5)麦克斯韦用实验验证了电磁波的存在． (×)
(6)电磁场是客观存在的物质． (√)
[提示] (1)稳恒的电场不产生磁场，稳恒的磁场不产生电场．
(2)均匀变化的电场产生恒定的磁场．
(5)赫兹用实验验证了电磁波的存在．
2．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，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
D [根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，所以A错；非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错，故选D.]
3．(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的有( )
A．电磁波不能在真空中传播
B．变化的电场一定能产生变化的磁场
C．电磁波在真空中传播的速度是3×108 m/s
D．变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播，形成电磁波
CD [电磁波可以在真空中传播，A错误；均匀变化的电场产生恒定磁场，B错误；电磁波在真空中传播的速度是3×108 m/s，C正确；由电磁波的定义可知D正确．]
对麦克斯韦电磁场理论及电磁波的理解
1．麦克斯韦电磁场理论
2．电磁场
如果在空间某处产生了周期性变化的电场，就会在周围空间引起周期性变化的磁场，而这个周期性变化的磁场又在较远的空间引起新的周期性变化的电场．变化的电场和变化的磁场相互联系，形成了一个不可分割的统一体——电磁场．麦克斯韦电磁场理论中的“均匀变化”指的是在相等的时间内磁感应强度或电场强度的变化量相同；“振荡”是指周期性变化并且变化是不均匀的．
3．电磁波
(1)在真空中电磁波的传播速度等于光速，光是一种电磁波．
(2)电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量——电磁能．电磁波的传播过程就是能量传递的过程．
(3)麦克斯韦预言了电磁波，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长和频率，证实了真空中电磁波的传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象．
(4)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播．且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是3×108 m/s.
【例】 (多选)按照麦克斯韦电磁场理论，以下说法中正确的是( )
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
BD [对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.]
均匀变化的电场(磁场)产生恒定的磁场(电场)，不均匀变化的电场(磁场)产生变化的磁场(电场)，周期性变化的电场(磁场)产生同频率的周期性变化的磁场(电场)．
(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周期性变化的电场
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
AB [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正确；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．]
1．关于电磁场理论，下列说法中正确的是( )
A．在电场的周围空间一定产生磁场
B．任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场
C．均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场
D．振荡电场在周围空间产生变化的磁场
D [由麦克斯韦电磁场理论知：不变化的电场周围不产生磁场，变化的电场周围一定产生磁场，产生的磁场性质是由电场的变化情况决定的，均匀变化的电场产生稳定的磁场，不均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场，反之亦然，故选项D正确．]
2．下列说法中正确的是( )
A．电磁场的本质是电场
B．电磁场的本质是磁场
C．电磁场不具有能量
D．电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体
D [周期性变化的电场和磁场交替产生而在空间中形成电磁场，电磁场具有能量，是一种物质，故D选项正确．]
3．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传播的
CD [对电磁波的产生机制及传播途径要搞清，如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是恒定的，就不能产生新的电场(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，故应选C、D.]
课件29张PPT。第二章 电磁感应与电磁场第四节 麦克斯韦电磁场理论电磁场麦克斯韦电场磁场电磁波磁场变化的电场和磁场电磁波赫兹光等于与其他物质相互作用能量× × √ √ √ × 对麦克斯韦电磁场理论及电磁波的理解 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(九)
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
选择题(本题共8小题，每小题6分)
1．电磁场理论的建立，开拓了广泛的现代技术应用空间，促进了现代社会的发展．建立电磁场理论的科学家是( )
A．牛顿 B．爱迪生
C．爱因斯坦 D．麦克斯韦
D
2．(多选)下列关于电磁场理论的说法，正确的有( )
A．电场会产生磁场
B．磁场会产生电场
C．周期性变化的电场产生周期性变化的磁场
D．周期性变化的磁场产生周期性变化的电场
CD [本题是有关电磁场理论的概念题，要解决本题，关键在于理解电磁场理论的内容，尤其是“变化”两字．电磁场理论的内容：变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，所以只有C、D选项正确．]
3．关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是( )
A．电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电磁波
B．电磁场由发生的区域向远处的传播就是电磁波
C．电磁波传播的速度总是3×108 m/s
D．电磁波是一种物质，因而只可以在物质中传播
B [电场和磁场相互激发并向远处传播，形成电磁波，故A错误，B正确；电磁波是一种物质，因而也可在真空中传播，且在真空中传播的速度最大，为3×108 m/s，故C、D错误．]
4．(多选)下列说法中正确的是( )
A．电磁场是电场和磁场的统称
B．在变化的电场周围一定存在磁场
C．在变化的磁场周围一定存在变化的电场
D．电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体
BD [根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场周围一定存在磁场，变化的磁场周围一定存在电场；非均匀变化的电场周围一定存在变化的磁场，非均匀变化的磁场周围一定存在变化的电场；电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体．所以A、C错误，B、D项正确．]
5．(多选)关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波必须依靠介质来传播
C．电磁波在真空中传播时，频率和波长的乘积是一个恒量
D．振荡电路发射电磁波的过程也是向外辐射能量的过程
ACD [变化的电场和变化磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播，电磁场由发生区域向远处的传播就形成了电磁波．电磁波不需要介质而传播．A、C、D正确，B错误．]
6．(多选)下列说法正确的是( )
A．最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B．电磁感应现象是法拉第发现的
C．建立完整的电磁理论的科学家是麦克斯韦
D．最早预见到有电磁波存在的科学家是赫兹
ABC [要了解电磁发展史，熟知各物理学家的贡献．]
7．(多选)如图所示，有一水平放置内壁光滑、绝缘的真空圆形管．有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处在竖直向上的磁场中．要使带电粒子能沿管做圆周运动，所加磁场可能是( )
A．匀强磁场
B．均匀增加的磁场
C．均匀减小的磁场
D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子绕管运动
BC [均匀增加或均匀减小的磁场都能产生恒定的电场，会使带电粒子在管中做圆周运动，B、C正确．]
8．一束持续电子流在电场力作用下做匀速直线运动，则在其周围空间( )
A．产生稳定的磁场
B．产生变化的磁场
C．所产生的磁场又可产生电场
D．产生交替变化的电磁场
A [持续电子流做匀速直线运动，形成恒定电流将产生稳定磁场，不再产生电场，A正确．]
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题7分)
1．(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)的关系图象中(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( )
BCD [A图中的上图磁场是恒定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，A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，下图中的磁场是稳定的，所以B正确；C图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，C图是正确的；D图中的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，故D正确．]
2．(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(磁场方向未知)( )
A．向上方向的磁场增强
B．向上方向的磁场减弱
C．向下方向的磁场减弱
D．向下方向的磁场增强
AC [在电磁感应现象的规律中，当一个闭合回路中由于通过它的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化造成的．麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场．方向向上的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则感应电流的方向如题图中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，也会得到如题图中E的方向，选项C正确，D错误．]
3．(多选)如图所示，带正电的小球在垂直匀强磁场的水平光滑绝缘槽中做匀速圆周运动，当磁场的磁感应强度增大时，小球的( )
A．动能增大 B．动能不变
C．周期增大 D．周期减小
AD [根据楞次定律可知，当磁场增强时，感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反，即垂直于水平面向里；再由安培定则可知，感应电场的方向为顺时针方向，又因为小球带正电，所以小球所受电场力与v0在一条直线上，这样小球将加速，动能将增加，周期T＝，由于v增大，T变小．]
4．某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是( )
D [图A中电场不随时间变化，不产生磁场；图B和图C中电场都随时间做均匀变化，只产生稳定的磁场，也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，而这种磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成不可分割的统一体，电磁场由近及远地传播，形成电磁波．]
二、非选择题(本题共2小题，共24分)
5．(12分)磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如选项图所示，其中能产生电场的有________图所示的磁场，能产生持续电磁波的有________图所示的磁场．
[解析] 根据麦克斯韦的电磁场理论，可以作出如下判断：甲图的磁场是恒定的，不能产生新的电场，更不能产生电磁波；乙图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生持续的电磁波；丙图中的磁场是均匀变化的，能产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，不能产生向外扩展的电磁场，因此不能产生持续的电磁波；丁图中的磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，能产生电磁波．
[答案] 乙丙丁 乙丁
6．(12分)如图所示是著名物理学家费曼设计的一个实验，在一块绝缘板中部安装一个线圈，并接有电源，板的四周有许多带负电的小球．将整个装置悬挂起来．接通电源瞬间，整个圆盘将转动一下，你知道这是为什么吗？
[解析] 接通电源瞬间，线圈中产生变化的电流，从而产生变化的磁场，根据麦克斯韦电磁场理论，该变化的磁场在空间产生电场，带负电的小球在电场中因受电场力而带动圆盘转动一下．
[答案] 见解析
