高中物理人教版选修3-4 学案 第十四章 第1节 电磁波的发现 Word版含解析

第1节　电磁波的发现
1．知道麦克斯韦电磁场理认及其在物理学发展史上的意义。
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。
一、伟大的预言
1．变化的磁场产生电场
(1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里将会产生感应电流。
(2)麦克斯韦对现象的分析：回路中有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场力作用下产生了定向移动。
(3)麦克斯韦第一条假设：即使在变化的磁场周围没有闭合电路，同样要产生电场，变化的磁场产生电场是一个普遍规律。
2．变化的电场产生磁场
麦克斯韦确信自然规律的统一性、和谐性，相信电场和磁场的对称之美。他大胆地假设，既然变化的磁场能产生电场，变化的电场也会在空间产生磁场。
3．麦克斯韦对电磁波的预言
如果在空间某区域内有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波。
二、电磁波
1．电磁波中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，因此电磁波是横波。
2．电磁波的速度等于光速c，光的本质是电磁波。
三、赫兹的实验
1．赫兹利用如图的实验装置，证实了电磁波的存在。
2．赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。
判一判
(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。(　　)
提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
想一想
(1)麦克斯韦根据什么认为“变化的磁场产生电场”？
提示：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)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：“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。

课堂任务　麦克斯韦电磁场理论及实验验证
一、电磁场理论
1．麦克斯韦的电磁场理论
(1)电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场
如图所示，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可以产生电场。
(2)电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场
麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点猜想变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。
根据麦克斯韦理论，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的理解
(1)恒定的电场不产生磁场。
(2)恒定的磁场不产生电场。
(3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。
(4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。
(5)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。
(6)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。
二、电磁波
1．理论预言
如果在空间某区域中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新的周期性变化的电场……
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，这就是电磁波。
2．实验验证
电磁波的实验证明：1886年，赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次发现了电磁波。
(1)赫兹的实验装置，如图所示。
(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花。
(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场。这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。
例1　根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A．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
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．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
(1)均匀变化的磁场(或电场)产生怎样的电场(或磁场)?
提示：均匀变化的磁场(或电场)产生恒定的电场(或磁场)。
(2)周期性振荡的磁场(或电场)产生怎样的电场(或磁场)?
提示：周期性变化的磁场(或电场)产生同频率周期性变化的电场(或磁场)。
[规范解答]　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，非均匀变化的电场产生变化的磁场，只有D正确。
[完美答案]　D
对“变化的磁场产生电场”的理解
(1)①恒定的磁场不产生电场。
②均匀变化的磁场产生恒定的电场。
③非均匀变化的磁场产生变化的电场。
④周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。

　下列关于电场与磁场的产生的理解正确的是(　　)
答案　C
解析　题中A、B选项所描述的磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可知其周围空间不会产生电场，A错误，B错误；题中C选项描述的是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，且磁通量的变化率最大时电场强度最强，其相位差为，C正确；题中D所描述的是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，其相位差为π，D错误。
课堂任务　电磁波
1．电磁波的产生
变化的电场和变化的磁场总是交替产生，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是电磁波。
2．电磁波的特点
(1)电磁波是横波，即E与B彼此垂直且与传播方向垂直。
(2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即c＝3.0×108 m/s。
(3)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射等现象。电磁波与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射等现象。
3．电磁波的波速、波长与频率的关系
c＝λf。
4．电磁波与机械波的异同点
(1)电磁波与机械波的相同点
①电磁波与机械波一样，能发生反射、折射、衍射、干涉等现象。
②电磁波与机械波一样，是传播能量的一种形式，能传递信息。
③电磁波的波长、频率、周期、波速关系与机械波一样满足v＝λf，T＝，且传播过程中频率不变。
(2)电磁波与机械波的不同点
①产生的机理不同：电磁波是电磁运动产生的，是变化的电磁场在空间的传播；机械波是机械运动产生的，是机械振动这一运动形式在介质中的传播。
②电磁波传播不需要介质，机械波必须有介质才能传播。
电磁场本身是一种物质，电磁波是物质传播的形式，是靠电和磁的相互“感应”而传播的，可以脱离电荷而独立存在，故它的传播不需要介质，真空中也能传播。
③电磁波是横波，电场方向和磁场方向互相垂直且都与波的传播方向垂直；机械波有横波也有纵波。
④电磁波波速比机械波波速大得多，任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。
例2　(多选)关于电磁波与声波的说法，下列正确的是(　　)
A．电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播
B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质
C．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
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小
(1)电磁波的传播速度由什么决定？
提示：电磁波的传播速度由介质和频率共同决定。
(2)由空气进入水中，电磁波会发生怎样的变化？
提示：电磁波的频率不变，传播速度变小，波长变短。
[规范解答]　由电磁波和声波的概念可知A正确。因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误。电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度；声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度，故C正确。无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误。
[完美答案]　AC
机械波与电磁波的比较
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，在真空中波速总等于光速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
是否横波
可以是
是
是否纵波
可以是
否
干涉现象
满足条件时均能发生干涉现象
衍射现象
满足条件时均能发生明显衍射
　(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。