课件14张PPT。第3节 初识电磁波及其应用 一、电磁波的产生条件
【思考】
样才能形成电磁波?
提示:变化的电场周围产生变化的磁场,变化的磁场周围产生变化的电场,在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。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(2)变化的电场能够在周围空间产生_____。
图甲变化的磁场在其周围空间产生电场。磁场图乙变化的电场在其周围空间产生磁场。2.电磁场
变化的_____和变化的_____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。电场磁场3.电磁波
(1)电磁波的产生:如图所示,在空间_________的电磁
场传播出去就形成了电磁波。交替变化(2)电磁波的特点:
电磁波的传播速度恰好与真空中的光速_____。相同4.关于电磁波下列说法正确的是_______。
①恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。
②电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。
③在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。
④变化的磁场能够在周围空间产生电场。②③④二、电磁波的应用
【思考】
要实现卫星通信,需要每个国家都发射通信卫星吗?
提示:不需要。只要在地球高空轨道上设置三颗同步卫星,卫星通信网就基本上可以覆盖整个地球表面,进行全球国际通信和电视节目转播。1.广播、电视
用无线电波传递的声音或画面信号被送到发射天线发
出,收音机或电视机接收到信号后,再将_______转化为
原来的声音或图像,我们就能收听到广播、看到电视画
面了。电信号2.手机
手机通话是靠一种特殊的_________系统来实现的。
3.雷达
雷达系统由天线、_______和接收机组成。
4.卫星通信
卫星通信主要分为国际卫星通信、_____________和国
内卫星通信。无线通信发射机区域卫星通信三、电磁污染及防护
1.电磁污染又称___________或射频辐射污染。
2.电磁辐射对人体的危害程度随波长而异,波长_____,
对人体作用_____,危害越突出。电磁波污染越短越强温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 电磁波的产生条件
1.对麦克斯韦电磁场理论的分析
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.对电磁波的理解
电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播。在真空中,不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。
3.电磁场
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,这就是电磁场。
【思考·讨论】
电子感应加速器就是用来获得高速电子的装置,其基本原理如图所示,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电磁铁线圈中通入变化的电流,真空室中的带电粒子就会被加速,其速率会越来越大。请思考:带电粒子受到什么力的作用而被加速?如果线圈中通以恒定电流会使粒子加速吗?这个现象告诉我们什么道理? (科学思维)
提示:带电粒子受到电场力作用做加速运动。线圈中通入恒定电流时,带电粒子不会被加速。变化的磁场能产生电场。
【典例示范】
关于电磁场理论,以下说法正确的是 ( )
A.在电场周围一定会产生磁场
B.任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场
C.均匀变化的电场会产生变化的磁场
D.周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场
【解析】选D。变化的电场周围一定产生磁场,但若电场不发生变化,则不能在周围空间产生磁场,选项A错误;均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场,只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场,选项B、C错误;周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场),选项D正确。
【素养训练】
1.某电路中电场随时间变化的图象如下列各图所示,能发射电磁波的电场
是 ( )
【解析】选D。图A中电场不随时间变化,不会产生磁场;图B和图C中电场都随时间做均匀的变化,只能在周围产生恒定的磁场,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,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,能发射电磁波。
2.下列说法中正确的是 ( )
A.任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场
B.任何电场都要在周围空间产生磁场
C.任何变化的电场都要在周围空间产生磁场
D.电场和磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场
【解析】选C。根据麦克斯韦电磁场理论,如果电场(磁场)的变化是均匀的,产生的磁场(电场)是恒定的;如果电场(磁场)的变化是不均匀的,产生的磁场(电场)是变化的;周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分割的统一体,即电磁场。则C正确,A、B、D错误。
【补偿训练】
(多选)关于电磁场和电磁波,下列叙述中正确的是 ( )
A.恒定的电场能够产生电磁波
B.电磁波的传播需要介质
C.电磁波从一种介质进入另一种介质,频率不变
D.电磁波传播的过程中也传递了能量
【解析】选C、D。变化的电场产生磁场,恒定的电场不会产生磁场,所以不会产生电磁波,选项A错。电磁波的传播不需要介质,在真空中也能传播,选项B错。电磁波从一种介质进入另一种介质时,频率不变,波长和波速发生变化,选项C正确。电磁波传播的过程也把电磁场的能量传递出去,选项D正确。
二 电磁波的应用
1.可用于探测、定位等。
2.无线电波用于广播、通信等。
3.雷达的原理及特点
(1)利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性。
(2)一般由天线系统、发射装置、接收装置、输出装置(显示器)、电源、用于控制雷达工作和处理信号的计算机以及防干扰设备等构成。
【思考·讨论】
如图所示,电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢? (科学思维)
提示:电视信号所用电磁波的波长比较短,以直线传播为主,遇到障碍物会被阻挡,所以发射天线要架得高一些。
【典例示范】
当前,人们的生活已离不开电磁波,关于电磁场和电磁波,下列说法正确的是( )
A.把带电体和永磁体放在一起,就会在周围空间产生电磁场
B.电磁波在传播过程中,其波长始终保持不变
C.电视机、收音机和手机所接收的信号都属于电磁波
D.微波炉内所产生的微波不是电磁波
【解析】选C。变化的磁场会产生电场,变化的电场产生磁场,故把带电体和永磁体放在一起,不会在周围空间产生电磁场,故A错误;电磁波在传播过程中,其频率始终保持不变,波长会随波速的改变而改变,故B错误;电视机、收音机所接收的信号是无线电波,手机接收的信号是微波,也是无线电波,故都属于电磁波,故C正确;微波炉内所产生的微波是电磁波,故D错误。
【素养训练】
1.(多选)雷达是运用电磁波来工作的,下列说法正确的是 ( )
A.电磁波可由恒定不变的电场和磁场产生
B.电磁波可由周期性变化的电场或磁场产生
C.雷达发射的电磁波可在真空中传播
D.雷达与目标之间的距离可由电磁波从发射到接收的时间间隔确定
【解析】选B、C、D。电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的,A项错误,B项正确;电磁波可以在真空中传播,C项正确;设电磁波从发射到接收用时为t,则雷达与目标之间的距离为s= ,D项正确。
2.如图,中国女航天员王亚平在“天宫一号”为中小学生授课。思考一下,王亚平授课的视频是怎样传到地面上的?
【解析】通过电磁波来传递的。
答案:见解析
【补偿训练】
在电视信号发送和接收的过程中,要用到许多电学部件,将元件名称和它们在电路中的作用连接起来。
摄像机 将声信号还原后放出
话筒 向空中发射电磁波
发射天线 接收空中的电磁波
显像管 将光信号转变为电信号
扬声器 将声信号转变为电信号
接收天线 将电信号转变为光信号
【解析】相应的连线如下:
答案:见解析
【拓展例题】考查内容:电磁波的发射与接收
【典例】图中A为某火箭发射场,B为山区,C为城市。发射场正在进行某型号火箭的发射试验。为了传播火箭发射的实况,在发射站建立了发射台,用于发射广播与电视信号。已知传输无线电广播所用的电磁波波长为550 m,而传输电视信号所用的电磁波波长为0.566 m,为了不让山区挡住信号的传播,使城市居民能收听和收看火箭发射的实况,必须通过建在山顶上的转发站来转发__________(选填“无线电广播信号”或“电视信号”)。这是因为______________________
_________________________________________。?
【解析】从题中知,传输无线电广播所用电磁波波长为550 m,容易绕过山坡而传播到城市所在的C区,因而不需要转发装置。电视信号所用的电磁波波长为0.566 m,其波长很短,几乎沿直线传播,能传播到山顶却不能传播到城市所在的C区,要想使信号传到C区,必须通过建在山顶的转发站来转发。
答案:电视信号 电视信号频率高,波长短,几乎沿直线传播
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课堂检测·素养达标
1.下列关于电磁波的说法正确的是 ( )
A.均匀变化的磁场能够在空间产生电场
B.电磁波在真空和介质中传播速度相同
C.只要有电场和磁场,就能产生电磁波
D.电磁波在同种介质中只能沿直线传播
【解析】选A。根据麦克斯韦的电磁场理论可知,变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,选项A正确;在不同的介质中,电磁波的传播速度不同,选项B错误;交替变化的电磁场才能产生电磁波,只有电场和磁场,不一定产生电磁波,选项C错误;在同一均匀介质中,电磁波才沿直线传播,若介质不均匀,则会发生折射,选项D错误。
2.(多选)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无关
B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发,形成电磁波
C.电磁波在真空中自由传播时,其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直
D.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
【解析】选A、B、C。电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s,与电磁波的频率无关,A项正确;周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,周期性变化的磁场又产生周期性变化的电场,它们相互激发向周围传播,就形成了电磁波,B项正确;电磁波是横波,因此其电场强度和磁感应强度均与传播方向垂直,C项正确;光是电磁波,利用光纤对光的全反射可以传播信息,D项错误。
3.科学家曾经设想通过高耸的天线塔,以无线电波的形式将电能输送到指定地点,但一直没有在应用层面上获得成功,其主要原因是这类无线电波 ( )
A.在传输中很多能量被吸收
B.在传播中易受山脉阻隔
C.向各个方向传输能量
D.传输能量易造成电磁污染
【解析】选C。电磁波可以向各个方向传播,而电能的输送需要定向传播,则C正确,A、B、D错误。
4.手机A的号码为12345670002,手机B的号码为12345670008,手机A拨打手机B时,手机B发出响声并且显示屏上显示A的号码为12345670002。若手机A置于一透明真空罩中,用手机B拨叫手机A,则 ( )
A.发出响声,并显示B的号码为12345670008
B.不发出响声,但显示B的号码为12345670008
C.不发出响声,但显示B的号码为12345670002
D.即不发出响声,也不显示号码
【解析】选B。电磁波可以在真空中传播,而声波传播则需要介质,当用手机B拨打手机A时(A置于一透明真空罩中),A能显示B的号码,不能发出响声,即B正确,A、C、D错误。
【补偿训练】
(多选)关于移动电话,下列说法正确的是 ( )
A.随身携带的移动电话(手机)内,只有无线电接收装置,没有无线电发射装置
B.随身携带的移动电话(手机)内,既有无线电接收装置,又有无线电发射装置
C.两个携带手机的人,可以不通过固定的基地台转接,相互通话
D.无线寻呼机内只有无线电接收装置,没有无线电发射装置
【解析】选B、D。由于手机既能听到对方说话,又能说话让对方听到,因而既是发射装置又是接收装置,而寻呼机只能接收外来信号,不能向外发射信号,因而B、D对,但手机信号必须经过基地台处理转接才能收到,C错。
情境:科学技术是一把双刃剑。电磁波的应用也是这样。它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染。频率超过0.1 MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁。按照有关规定,人体所受到的电磁辐射强度(即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量)不得超过某一规定值Ie。如图所示,已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P,设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波,且电磁波在传播过程中无能量损失。由数学知识可知,球面的面积S=4πr2(式中r为球半径),球半径与球面总是垂直的。
问题:
根据上述资料,可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为多少时,人体所受的电磁辐射强度才不会超过规定值?
【解析】设人到发射电磁波处的距离为r。
以发射电磁波处为球心,以r为半径作一球面,
若球面上电磁波的辐射强度为Ie。
则:4πr2Ie=P,所以,r=
即人离波源的距离至少为 才是安全区。
答案:
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课时素养评价 十九
初识电磁波及其应用
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.有关电磁场和电磁波,下列说法中正确的是 ( )
A.麦克斯韦首先预言了电磁波的存在
B.变化的电场一定产生变化的磁场
C.使用空间波来传播信息时主要是应用无线电波可以绕过地面上的障碍物
D.电磁波不能在真空中传播
【解析】选A。麦克斯韦首先预言了电磁波的存在,A正确;均匀变化的电场产生恒定的磁场,B错;空间波沿直线传播,C错;电磁波可以在真空中传播,D错误。
2.甲坐在人民大会堂台前60 m处听报告,乙坐在家里离电视机5 m处听电视转播,已知乙所在处与人民大会堂相距1 000 km,不考虑其他因素,则(空气中声速为340 m/s)( )
A.甲先听到声音 B.乙先听到声音
C.甲、乙同时听到 D.不能确定
【解析】选B。声音传到甲所需时间为t1=≈0.176 s,传到乙所需时间为t2=+≈0.018 s。则B正确,A、C、D错误。
3.各地接收卫星电视讯号的抛物面天线如图所示,天线顶点和焦点连线(OO′)与水平面间的夹角为仰角α,OO′在水平面上的射影与当地正南方向的夹角为偏角β,接收定位于东经105.5°的卫星电视信号(如CCTV-5)时,OO′连线应指向卫星,我国各地接收天线的取向情况是( )
A.有β=0°,α=90°的
B.与卫星经度相同的各地,α随纬度的增高而减小
C.经度大于105.5°的各地,天线是朝南偏东的
D.在几十甚至几百平方千米的范围内,天线取向几乎是相同的(我国自西向东的经度约为73°～135°)
【解析】选B。我国领土的最南端在北纬4°附近,所以不会出现α=90°的情况,A错;天线所在位置处的纬度越高,距卫星越远,所以α越小,B正确;经度大于105.5°的各地,天线应是朝南偏西方向,故C错;位置不同,天线的取向不同,故D错。
4.英国物理学家麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示,一个半径为r的绝缘细圆环水平放置,环内存在竖直向上的匀强磁场B,环上套一带电荷量为+q的小球。已知磁感应强度B随时间均匀增加,其变化率为k,若小球在环上运动一周,则感生电场对小球的作用力所做功的大小是( )
A.0 B.r2qk
C.2πr2qk D.πr2qk
【解析】选D。感生电场是涡旋场,电荷在运动过程中,电场力始终做功。由U=S可知电场强度E=,运动一周电场力做功W=qE2πr=πr2qk,则D正确,A、B、C错误。
二、计算题(共10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.微波炉的工作应用了一种电磁波——微波(微波的频率为2.45×109Hz)。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)该微波炉在使用微波挡工作时的额定电流是多少?
(2)如果做一道菜,使用微波挡需要正常工作30 min,则做这道菜需消耗的电能为多少焦?
【解析】(1)额定电流I== A=5 A。
(2)消耗的电能ΔE=W=Pt=1100×30×60 J=1.98×106 J。
答案:(1)5 A (2)1.98×106 J
(10分钟·20分)
6.(6分)(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中正确的是( )
A.教室中发亮的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时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,稳定的磁场激发稳定的电场
D.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
【解析】选A、B、D。教室中发亮的日光灯、工作时打点计时器的电流发生变化,在其周围产生变化的磁场和电场,故选项A、B正确;稳定的电场不会产生磁场,故选项C错误;根据电磁波的传播规律,电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直,故选项D正确。
7.(14分)一个雷达向远处发射无线电波,每次发射的时间为1 μs,两次发射的时间间隔为100 μs,在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图所示,已知图中刻度 ab=bc,则障碍物与雷达之间的距离是多大?
【解题指南】应用ab段为无线电波发射到返回的时间,可求出电磁波的路程,即可求出障碍物与雷达之间的距离。
【解析】图中a和c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的,b处的尖形波是雷达收到障碍物反射回来的无线电波时出现的,由ab=bc可知,无线电波从发射到返回所用时间为50 μs。
设雷达离障碍物的距离为s,无线电波来回时间为t,波速为c,由2s=ct得
s== m =7.5×103 m。
答案:7.5×103 m
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