课件16张PPT。4.电磁波的发现及应用 一、电磁场1.变化的磁场产生电场:
(1)在变化的磁场中如果有闭合的回路,由于磁通量的
变化产生了_________,表明变化的磁场产生了_____。
(2)变化的磁场中如果没有闭合回路,也同样会在空间
产生_____。感应电流电场电场2.变化的电场产生磁场:如果在空间有变化的电场,那
么这个变化的电场也会产生_____。磁场二、电磁波
1.电磁波的产生:
周期性变化的_____周围会产生周期性变化的电场,周
期性变化的_____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_______,这种在空间交替
变化的电磁场传播出去就形成了_______。磁场电场电磁场电磁波2.电磁波可以在_____中传播,电磁波的传播___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_____。
(2)麦克斯韦指出,光是以波动形式传播的一种
_________。真空不相同电磁振动4.科学探究:德国物理学家赫兹通过实验证实了
_______的存在,从而证实了_________电磁理论,为无
线电技术的发展开拓了道路。电磁波麦克斯韦三、电磁波谱
1.波峰与波谷:在一列水波中,凸起的_______叫作波峰;
凹下的_______叫作波谷。最高处最低处2.波长、频率与波速:如图邻近的两个_____(或波谷)
的距离叫作波长,波长用符号___来表示;波的频率是在
1 s内有多少次_____(或波谷)通过,频率用符号__来表
示;波速是用来描述波传播_____的物理量,波速用符号
__来表示。波峰λ波峰f快慢c3.波速、波长、频率三者之间的关系:c=λf,其中c=3×108 m/s。
4.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。5.下列有关电磁波谱及其应用的说法中正确的是
_________。
①电磁波按照波长从大到小是无线电波、红外线、可
见光、紫外线、X射线、γ射线。
②可见光只是电磁波中的一小部分,可见光不能用来通
讯。①③④⑥③无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播信号的传输。
④微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。
⑤紫外线可以用来加热理疗,红外线可以消毒。
⑥X射线可以用于诊断病情,γ射线可以杀死癌细胞。四、电磁波的应用
1.电磁场不仅仅是一种描述方式,而且是真正的物质存在。2.下列实例中能证明电磁波具有能量的是_______。
①食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧,内能增
加,温度升高。
②光是一种电磁波,光也是传播着的电磁场,光具有能
量。
③我们能通过各种各样的仪器探测到各种电磁波,表明
电磁波具有能量。①②③温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 电磁波的性质
1.麦克斯韦电磁场理论:
(1)变化的磁场周围会产生电场:
麦克斯韦提出,在变化的磁场周围会激发出一种电场,不管有无闭合电路,变化的磁场激发的电场总是存在的,如图所示:
(2)变化的电场周围会产生磁场:
麦克斯韦从场的观点得出,即使没有电流存在,只要空间某处的电场发生变化,就会在其周围产生磁场。
(3)对麦克斯韦电磁场理论的理解:
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
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
2.电磁波的性质:
(1)电磁波是横波,在传播方向上,任意一点的E和B都随时间周期性变化,E和B彼此垂直,且与电磁波的传播方向垂直。如图
(2)电磁场中储存电磁能,电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。
(3)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。
(4)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。
(5)光也是一种电磁波,电磁波在真空中的传播速度与光速c相同。
【思考·讨论】
(1)观察上面两幅图,变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗? (科学思维)
提示:变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的;而静电场中的电场线是不闭合的。
(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗?为什么? (科学思维)
提示:不一定,均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场,不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场,如果变化的磁场能产生变化的电场,变化的电场又能产生变化的磁场,才能在周围空间产生电磁波。
【典例示范】
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
(物理观念)
【解题探究】
(1)恒定电场(磁场)能产生磁场(电场)吗?
提示:不能。
(2)均匀变化电场(磁场)能产生什么样磁场(电场)?
提示:均匀变化电场(磁场)能产生恒定磁场(电场)。
(3)非均匀变化电场(磁场)产生怎样变化的磁场(电场)?
提示:非均匀变化电场(磁场)产生变化磁场(电场)。
(4)周期性变化电场(磁场)产生什么样的磁场(电场)?
提示:周期性变化电场(磁场)产生周期性变化的磁场(电场)。
【解析】选D。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项正确。
【素养训练】
1.(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(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 ( )
【解析】选B、C。A图中的上图磁场是稳定的,由麦克斯韦的电磁场理论可知,其周围空间不会产生电场,A图中的下图是与其不对应的;B图中的上图是均匀变化的电场,应该产生稳定的磁场,下图的磁场是稳定的,所以B图正确;C图中的上图是周期性变化的磁场,它能产生同频率周期性变化的电场,且相位相差,C图是正确的;D图的上图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,但是下图中的图像与上图相比较,相位相差π,故D图错误。所以只有B、C两图正确。
2.关于电磁波,下列说法正确的是 ( )
A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关
B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发,形成电磁波
C.利用电磁波传递信号可以实现无线通信,但电磁波不能通过电缆、光缆传输
D.电磁波可以由电磁振荡产生,若波源的电磁振荡停止,空间的电磁波随即消失
【解析】选B。电磁波在真空中的传播速度都相同,与电磁波的频率无关,故A错误。根据麦克斯韦电磁理论,B正确。电磁波传递信号可以实现无线通信,电磁波也能通过电缆、光缆传输,故C错误。发射电路的电磁振荡停止了,只是不能产生新的电磁波,但已发出的电磁波不会立即消失,还要继续传播,故D错误。
【补偿训练】
1.关于电磁场和电磁波,下列说法中正确的是 ( )
A.电磁波是纵波
B.静止的电荷放在变化的磁场中不会受到力的作用
C.当电磁波在空间中传播时,能量也随着一起传播
D.电磁波的传播速度与介质无关
【解析】选C。电磁波是变化的电场和磁场交替出现产生的。电场、磁场的传播方向相互垂直,因此电磁波是横波,故选项A错;变化的磁场产生电场,电场对电荷有力的作用,故选项B错;电磁波传播过程中,遇到导体能产生感应电流,说明电磁波在传播过程中也传播能量,故C正确;电磁波传播的速度与介质有关,在不同介质中传播的速度不同,故选项D错。
2.下列关于电磁波的说法,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.电磁波的应用之一是电磁起重机
【解析】选C。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A、B错,C对;电磁起重机利用的是电流的磁效应,故D错。
二 电磁波谱的性质
1.电磁波谱:按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线等合起来,便构成了范围非常广阔的电磁波谱。
2.各种不同的电磁波既有共性,又有个性:
(1)共性:它们在本质上都是电磁波,它们的行为服从相同的规律,都满足公式v=fλ,它们在真空中的传播速度都是c=3.0×108 m/s,它们的传播都不需要介质,各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)个性:不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性。
3.电磁波谱及其应用:
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
产生
视觉
荧光效
应
穿透
能力
强
穿透
能力
强
应用
通讯广
播、导航
等
加热
理疗
照明
照相
杀菌消
毒、医
疗等
工业探
伤、医
学透视
工业探
伤、医
学治疗
【思考·讨论】
1.无线电波的波长范围如何?无线电波有何应用? (物理观念)
提示:波长大于1 mm。无线电波可应用于广播、电视、天体物理研究。
2.红外线有何特点? (物理观念)
提示:红外线具有热效应,任何物体都能辐射红外线,温度越高,红外辐射越强。
3.X射线和γ射线的波长有何特点? (物理观念)
提示:波长比紫外线更短,频率比紫外线更大。
【典例示范】
微波炉的工作应用了一种电磁波——微波(微波的频率为2.45×109 Hz)。食物中的水分子在微波的作用下加剧了热运动,内能增加,温度升高,食物增加的能量是微波给它的。下表是某微波炉的部分技术参数,问:
(1)该微波炉内磁控管产生的微波波长是多少?
(2)该微波炉在使用微波挡工作时的额定电流是多少?
(3)如果做一道菜,使用微波挡需要正常工作30 min,则做这道菜需消耗多少电能?
【解析】(1)微波炉的波长为
λ== m≈0.12 m。
(2)微波挡工作时的额定电流为
I== A=5 A
(3)消耗的电能
ΔE=W=Pt=1 100×1 800 J=1.98×106 J。
答案:(1)0.12 m (2)5 A (3)1.98×106 J
【素养训练】
1.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.红外线易穿透云层,故广泛应用于遥感技术领域
B.医院用X光进行透视,是因为它是各种电磁波中穿透能力最强的
C.阳光可以晒黑皮肤,主要是阳光中红外线的作用
D.电取暖器利用了红外线的热作用
【解析】选A、D。红外线衍射明显,选项A正确;γ射线穿透能力最强,选项B错误;阳光晒黑皮肤是紫外线的作用,选项C错误;红外线有显著的热作用,选项D正确。
2.我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1～10 m范围内,则对该无线电波的判断正确的是 ( )
A.米波的频率比厘米波频率高
B.和声波一样需靠介质传播
C.同光波一样会发生反射现象
D.雷达发射的无线电波只传递信息不传递能量
【解析】选C。据c=λf得f=,故波长越长,频率越低,选项A错误;无线电波属于电磁波,传播不需要介质,选项B错误;反射是波所特有的现象,选项C正确,雷达发射的无线电波传递信息也传递能量,选项D错误。
【补偿训练】
1.如果在微波炉中放一个鸡蛋,先被加热的是 ( )
A.炉内空气 B.蛋壳
C.蛋黄 D.同时被加热
【解析】选C。微波炉就是用电子元件激发出频率相当高的交替电磁场,相当于微波,处于电磁场中的导体(蛋黄)产生涡流,电磁能转化成内能,所以蛋黄先热。
2.下列哪种现象是由于所产生的电磁波引起的 ( )
A.用室内天线接收微弱信号时,人走过时电视画面会发生变化
B.在夜晚用电高峰时,有部分地区白炽灯变暗发红,日光灯不容易启动
C.把半导体收音机放在开着的日光灯附近会听到噪声
D.在边远地区用手机通话时,会发生信号中断的情况
【解析】选C。电视信号由于人走过而发生变化是由于人对信号的干扰,A错误;电灯变暗是由于电压在输电线上损失过多,B错误;日光灯在工作时,其镇流器会发出微弱的电磁波,C正确;手机通话效果不好是由于信号弱的原因,D错误。
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课堂检测·素养达标
1.手机通信是靠电磁波传递信息的。从理论上预言电磁波存在和第一次用实验证实电磁波存在的物理学家分别是 ( )
A.安培 法拉第 B.麦克斯韦 法拉第
C.法拉第 赫兹 D.麦克斯韦 赫兹
【解析】选D。从理论上预言电磁波存在的物理学家是麦克斯韦,第一次用实验证实电磁波存在的物理学家是赫兹,故选D。
2.如图所示是某一固定面的磁通量的变化图像,在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是 ( )
A.逐渐增强 B.逐渐减弱
C.不变 D.无法确定
【解析】选C。由图可知磁通量Φ随时间t均匀变化,而Φ=BS,所以磁场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知C正确。
【补偿训练】
下列关于电磁场理论和电磁波的说法正确的是 ( )
A.变化的磁场一定能产生变化的电场
B.只要有电场或磁场,就能产生电磁波
C.均匀变化电场(磁场)产生均匀变化的磁场(电场)
D.赫兹通过实验证实了电磁波的存在
【解析】选D。变化的磁场在周围的空间一定产生电场,但如果是均匀变化的磁场,只能产生恒定的电场,故A、C错误;只有周期性变化的电场或磁场才能产生电磁波,如果是恒定的电场和磁场不会产生电磁波,故B错误;麦克斯韦提出了完整的电磁场理论的假说,而赫兹通过实验证实了电磁波的存在,故D正确。
3.如图所示,一台收音机的屏板,当向右调指针(图中黑块)时,所接收的电磁
波 ( )
A.频率变大,波长变大
B.频率变大,波长变小
C.频率变大,波长不变
D.频率变小,波长变大
【解析】选B。面板上所标识的数字是频率,向右调节时频率显然增大,由于波速一定时,波的频率与波长成反比关系,所以波长变小。
4.验钞机发出的光能使得钞票上的荧光物质发光;电视机、空调等家用电器的遥控器用它的光束来控制电视机、空调等家电。对于它们发出的光可判定:验钞机发出的光是 ,遥控器发出的光是 。?
【解析】验钞机是利用紫外线的荧光效应使钞票上的荧光物质发光的。家用电器的遥控器能发出红外线脉冲信号,受控机器就会按指令改变工作状态。
答案:紫外线 红外线
情境:赫兹的实验:如图所示。
实验现象:当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,导线环的两个金属小球间也跳过电火花。
问题:
(1)当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,为什么导线环的两个金属小球间也跳过电火花?
(2)该实验在真空中效果更明显,为什么?
【解析】(1)当感应线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,在电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙处也产生了火花。
(2)电磁波不需要介质可在真空中传播,电磁波是带有能量的,电磁波在介质中传播时把部分能量传递给了介质,在真空中传播时,没有转移能量的载体,所以不会损耗。
答案:见解析
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课时素养评价 十九
电磁波的发现及应用
(15分钟 30分)
一、选择题(本题共4小题,每小题5分,共20分)
1.北斗系统在航海中有重要的应用,轮船上的接收设备可以通过接收卫星的信息,进而确定自己的位置。在此过程中,该设备接收信息主要利用了( )
A.电磁波 B.声波 C.太阳能 D.电磁场
【解析】选A。电磁波可以传递信息,故选A。
2.下列说法正确的是 ( )
A.电磁波的频率越高,越易沿地面传播
B.发射出去的电磁波可以传播到无限远处
C.电磁波在各种介质中传播的波长恒定
D.为了实现全球的电视转播,需要利用卫星传播无线电波,它传播的是超短波或微波
【解析】选D。沿地面传播的电磁波应该为波长较长,频率较低的电磁波,所以A错;发射出去的电磁波随着距离的增大,能量不断损失,所以B错;电磁波在不同介质中传播速度不同,导致波长也发生相应变化,所以C错;由于电视信号属微波段,实现全球的电视转播,需要利用卫星传播无线电波,卫星传播的是超短波或微波,故D正确。
3.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
【解析】选A。电磁波的波长范围很广,按波长由长到短的顺序排列,其顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。所以,选项A的排列顺序是正确的。
4.在真空中传播的电磁波,当它的频率增大时,它的传播速度及其波长 ( )
A.速度不变,波长减小 B.速度不变,波长增大
C.速度减小,波长增大 D.速度增大,波长不变
【解析】选A。电磁波在真空中的传播速度始终为3×108 m/s,与频率无关;由c=λf,波速不变,频率增大,波长减小,故选项B、C、D错误而A正确。
二、非选择题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
5.“为了您和他人的安全,请您不要在飞机上使用手机和手提电脑”,这句提醒警示语是乘坐过飞机的游客都听到过的一句话。因为有些空难事故就是由于某位乘客在飞行的飞机中使用手机造成的。请问为什么在飞机上不能使用手机和手提电脑呢(包括游戏机)?
【解析】由于使用手机或手提电脑无线上网时要发射电磁波,对飞机产生电磁干扰,而飞机上导航系统是非常复杂的,抗干扰能力不是很强。因此为了飞行安全,飞机上不能使用手机和手提电脑。
答案:见解析
(10分钟 20分)
6.(6分)目前雷达发出的电磁波频率多在200 MHz～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,上述频率范围的电磁波的波长在30～150 m之间
B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C.波长越短的电磁波,越容易绕过障碍物,便于远距离传播
D.测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间,就可以确定障碍物的距离
【解析】选D。据c=λf电磁波频率在200 MHz至1 000 MHz的范围内,则电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间,故选项A错误;电磁波的产生是依据麦克斯韦的电磁场理论,变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,故选项B错误;波长越长的电磁波,越容易绕过障碍物,便于远距离传播,波长越短的电磁波,越容易反射,故选项C错误;测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间,由s=可以确定障碍物的距离,选项D正确。
【补偿训练】
为了体现高考的公平、公正,很多地方高考时在考场使用手机信号屏蔽器,该屏蔽器在工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描。该扫描速度可以在手机接收报文信号时形成乱码干扰,手机不能检测从基站发出的正常数据,使手机不能与基站建立连接,以达到屏蔽手机信号的目的,手机表现出无法连接网络、无信号等现象。由以上信息可知 ( )
A.由于手机信号屏蔽器的作用,考场内没有电磁波了
B.电磁波必须在介质中才能传播
C.手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波不能传播到考场内
D.手机信号屏蔽器是通过发射电磁波干扰手机工作来达到目的的
【解析】选D。电磁波在空间的存在,不会因手机信号屏蔽器而消失,故A错误;电磁波可以在真空中传播,故B错误;由题意知手机信号屏蔽器工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描,干扰由基站发出的电磁波信号,使手机不能正常工作,故C错误,D正确。
7.(14分)如图所示为某雷达的荧光屏,屏上标尺的最小刻度对应的时间为2×10-4 s,雷达天线朝东方时,屏上的波形如图甲;雷达天线朝西方时,屏上的波形如图乙。问:
(1)雷达在何方发现了目标?
(2)目标与雷达相距多远?
【解析】(1)当天线朝东方时,显示屏上只有发射信号而无反射信号;天线朝西方时,显示屏上既有发射信号也有反射信号,因此目标在西方。
(2)由题图可知t=2×10-3 s,而2x=ct,
x=ct=×3×108×2×10-3 m=300 km。
答案:(1)西方 (2)300 km
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