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物 理
选修3-4
·
人教版
新课标导学
第十四章
电磁波
〔情
景
切
入〕
生活中的许多现象表明，我们周围存在着电磁波，如电视机、手机、通讯卫星等工具的信息传播都是靠电磁波进行传递的，电磁波的存在，使当代人“顺风耳，千里眼”的梦想成为了现实。
〔知
识
导
航〕
本章主要对电磁波的发现及应用做了详细的介绍。第一节介绍电磁理论的提出及产生，从此，人类的生活进入了一个新的时代；
第二节讲电磁振荡及LC电路的周期及频率，让我们了解电磁波产生的原理；第三、四节讲电磁波在社会生活、科技等领域中的应用。
本章的重点是电磁振荡，难点和核心是麦克斯韦的电磁场理论。
〔学
法
指
导〕
1．学习时体会科学家研究物理问题的思想方法。
2．通过阅读教材和课外书籍知道麦克斯韦电磁场理论的两个支柱：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。变化的电场和磁场相互联系形成统一的电磁场；了解电磁波谱，知道它们的特点。
3．注意了解向外发射的无线电波为什么要进行调制，接收无线电波时为什么要调谐、检波等。
4．学习时，注意结合生活实际，感受电磁波在生产生活中的应用。要学会通过具体的调查研究，探究电磁波的应用对生产、科技和日常生活有越来越大的影响。
第一节 电磁波的发现
第二节 电磁振荡
【素养目标定位】
※
知道电磁波的产生条件和传播速度
※
了解LC振荡电路中电磁振荡的产生过程
※
了解电磁振荡的周期和频率，会求LC电路的周期和频率
【素养思维脉络】
1
课前预习反馈
2
课内互动探究
3
核心素养提升
4
课内随堂达标
5
课时强化作业
课前预习反馈
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，电路里就会产生____________。
感应电流
知识点
1
(2)麦克斯韦对该问题的见解：回路里有____________产生，一定是变化的________产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了________移动。
(3)该现象的实质：变化的________产生了电场。
感应电流
磁场
定向
磁场
2．变化的电场产生磁场
麦克斯韦大胆地假设，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
电磁波
1．电磁波的产生
如果空间某区域存在不均匀变化的电场，那么它就会在空间引起不均匀变化的________，这一不均匀变化的磁场又引起不均匀变化的________……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__________。
2．电磁波是横波
根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁场中的电场强度和磁感应强度互相________，而且二者均与波的传播方向________，因此电磁波是______波。
3．电磁波的速度
麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于________。
磁场
知识点
2
电场
电磁波
垂直
垂直
横
光速
赫兹的电火花
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
知识点
3
2．实验现象
当感应圈两个金属球间有________跳过时，导线环两个小球间也跳过________。
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__________。这种电磁场以__________的形式在空间传播。当__________到达导线环时，它在导线环中激发出______________，使得导线环的空隙中也产生了火花。
火花
火花
电磁场
电磁波
电磁波
感应电动势
电磁振荡的产生
1．振荡电流
大小和方向都做__________迅速变化的电流，叫做振荡电流。
2．振荡电路
能产生振荡电流的电路叫做____________。
3．振荡过程
如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，从此时起，电容器要对线圈放电：
周期性
知识点
4
振荡电路
(1)放电过程：由于线圈的________作用放电电流不能立刻达到最大值，由0逐渐增大，同时电容器极板上的电荷________。放电完毕时，极板上的电荷为零，放电电流达到________。该过程电容器储存的__________转化为线圈的__________。
(2)充电过程：电容器放电完毕，由于线圈的________作用，电流并不会立刻消失，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始____________，极板上的电荷逐渐________，当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到________。该过程线圈中的__________又转化为电容器的__________。此后电容器再放电、再充电，周而复始，于是电路中就有了周期性变化的振荡电流。
自感
减少
最大
电场能
磁场能
自感
反向充电
增加
最大
磁场能
电场能
(3)实际的LC振荡是阻尼振荡：电路中有电阻，振荡电流通过时会有________产生，另外还会有一部分能量以__________的形式辐射出去。如果要实现等幅振荡，必须有能量补充到电路中。
电热
电磁波
电磁振荡的周期和频率
1．周期
电磁振荡完成一次______________需要的时间叫做周期。
2．频率
单位时间内完成的__________变化的次数叫做频率。
如果振荡电路没有能量损失，也不受外界影响，这时的周期和频率分别叫做________周期和________频率。
知识点
5
周期性变化
周期性
固有
固有
『判一判』
(1)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。
( )
(2)电磁波中的电场与磁场互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。
( )
(3)电磁波的速度等于光速c，光的本质是电磁波。
( )
(4)LC振荡电路是最简单的振荡电路。
( )
(5)在LC振荡电路里，随着电容器的充放电，电场能与磁场能不断地转化。
( )
(6)改变振荡电路中电容器的电容或线圈的电感，就可以改变振荡电路的周期。
( )
×
×
×
×
×
×
辨析思考
『选一选』
(多选)一台电子钟，是利用LC振荡电路来制成的，在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1
min，造成这种现象的可能原因是
( )
A．L不变C变大了
B．L不变C变小了
C．L变小了C不变
D．L、C均减小了
BCD
『想一想』
如图所示，某同学正在回答“神舟十号”航天员王亚平的问题，请问她们的通话是通过机械波进行的还是通过电磁波进行的？为什么？
答案：电磁波。因为机械波的传播离不开介质，而电磁波可以在真空中传播。
课内互动探究
对麦克斯韦电磁场理论及电磁波的理解
如图所示是赫兹实验的装置示意图，请问赫兹通过此实验装置证实了什么问题？
提示：实验演示了电磁波的发射和接收，验证了麦克斯韦电磁场理论。
探究
一
思考讨论
1
一、电磁场
1．电磁场理论的核心之一
变化的磁场产生电场。
2．电磁场理论的核心之二
变化的电场产生磁场。
归纳总结
3．麦克斯韦电磁波理论的理解
(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)振荡电场产生同频率的振荡磁场。
(6)振荡磁场产生同频率的振荡电场。
4．电磁场
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。
二、电磁波
1．电磁波的特点
(1)电磁波是横波，在传播方向上的任一点E和B随时间做正弦规律变化，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，在真空中的电磁波的传播速度跟光速相同，即c＝3.00×108
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。
(1)变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。
(2)在变化的磁场中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。
(3)有单独存在的静电场，也有单独存在的静磁场，但没有静止的电磁场。
特别提醒
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．振荡的电场在周围空间一定产生同频率振荡的磁场
D
典例
1
典题例析
解题指导：在理解麦克斯韦电磁场理论时，要注意静电场(恒定磁场)不产生磁场(电场)，还要注意根据电场或磁场的变化情况来确定会产生什么样的磁场或电场。
解析：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，只有选项D正确。
1．(多选)(2018·山东济南市高三模拟)各磁场的磁感应强度B随时间t变化的情况如图所示，其中能产生持续电磁波的是
(
)
BD
对点训练
解析：根据麦克斯韦的电磁场理论，可知A图的磁场是恒定的，不能产生电场，更不能产生电磁波；B图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；C图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，因此不能产生持续的电磁波；D图的磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，故能产生持续的电磁波。
振荡过程中各物理量的变化
如图所示电路叫做电磁振荡电路，又叫做LC回路。给该电路提供能量后，利用电容器的充放电和线圈产生的自感作用，可以实现哪两种能量之间的相互转化？
提示：电场能和磁场能
思考讨论
2
探究
二
1．电磁振荡的产生过程
在振荡电路里产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷量、通过线圈的电流以及跟电流和电荷量相联系的磁场和电场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。振荡过程中的充放电过程如下图所示。
归纳总结
(1)LC回路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定，与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关，所以称为LC电路的固有周期或固有频率。
(2)使用周期公式时，一定要注意单位，T、L、C、f的单位分别是秒(s)、亨(H)、法(F)、赫(Hz)。
特别提醒
(多选)如图表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是
( )
A．电容器正在充电
B．电感线圈中的磁场能正在增加
C．电感线圈中的电流正在增大
D．此时刻自感电动势正在阻碍电流增大
典例
2
典题例析
BCD
解析：由图中磁感应强度的方向和安培定则可知，此时电流向着电容器带负电的极板流动，也就是电容器处于放电过程中，这时两极板电荷量和电压、电场能处于减少过程，而电流和线圈中磁场能处于增加过程，由楞次定律可知，线圈中感应电动势阻碍电流的增加。综上所述，B、C、D正确。
2．(多选)要增大如图所示振荡电路的频率，下列说法中正确的是
(
)
A．减少电容器的带电荷量
B．将开关S从“1”位置拨到“2”位置
C．在线圈中插入磁铁棒芯
D．将电容器的动片旋出些
对点训练
BD
核心素养提升
电磁波与机械波的区别与联系
机械波
电磁波
对象
研究力学现象
研究电磁现象
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
传播无需介质，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
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
联系
都具有波的一切特性，例如干涉、衍射、反射、折射等性质，它们的波速、波长与频率的关系都是v＝λf，都能传播能量。
(多选)电磁波与声波比较，下列说法正确的是
( )
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大
C．由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大
D．电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关
案
例
ABC
课内随堂达标
课时强化作业第十四章 第一、二节
请同学们认真完成练案[18]
(时间：30分钟 总分：50分)
基础夯实
一、选择题(1～3题为单选题，4～6题为多选题)
1．(2020·吉林省扶余市第一中学高二下学期期中)某电路中电场随时间变化的图象有如图所示几种情况，能发射电磁波的电场是( D )
解析：图A是稳定的电场，不能产生磁场，图B与图C是均匀变化的电场，产生恒定不变的磁场，也不能形成电磁波；图D是按正弦函数规律周期性变化的电场，会产生同频率的周期性变化的磁场，能形成电磁场，向外发射电磁波。故应选D。
2．根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是( A )
A．变化的电场一定能产生磁场
B．变化的磁场一定能产生变化的电场
C．恒定的电场一定能产生恒定的磁场
D．恒定的电场一定能产生恒定的电场
解析：变化的电场一定产生磁场，变化的磁场一定产生电场，A正确，B错误；恒定的电(磁)场，不能产生磁(电)场，C、D错误。
3．手机A的号码为12345670002，手机B的号码为12345670008，手机A拨手机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( B )
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：电磁波可以在真空中传播，而声波传播则需要介质，当手机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。
4．(2020·江苏省南通中学高二下学期线上测试)如图所示的LC振荡回路，当开关S转向右边发生振荡后，下列说法中正确的是( ABD )
A．振荡电流达到最大值时，电容器上的带电荷量为零
B．振荡电流达到最大值时，磁场能最大
C．振荡电流为零时，电场能为零
D．振荡电流相邻两次为零的时间间隔等于振荡周期的一半
解析：当电流达最大时，此时磁场能最大，电场能最小，电容器上的带电量为零；故AB正确；当电流为零时，充电完成，此时磁场能为零；电场能最大；故C错误；由振荡电路的周期性可知，振荡电流相邻两次为零，时间间隔等于振荡周期的一半；故D正确。
5．根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是( ABD )
A．教室中开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：教室中开亮的日光灯、工作时打点计时器用的振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确。
6．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( AC )
A．向上方向的磁场在增强
B．向上方向的磁场在减弱
C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱
D．向上方的磁场减弱，然后反向增强
解析：向上方向的磁场增强时，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方向如图中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少时，也会得到如图中E的方向，选项C正确，D错误。
二、非选择题
7．(2020·四川成都石室中学高二下学期期中)麦克斯韦在1865年发表的《电磁场的动力学理论》一文中揭示了电、磁现象与光的内在联系及统一性，即光是电磁波。一单色光波在折射率为1.5的介质中传播，某时刻电场横波图象如图所示，求该光波的频率。
答案：5×1014
Hz
解析：设光在介质中的传播速度为v，波长为λ，频率为f，则f＝①
又n＝②
联立①②式得f＝③
从波形图上读出波长λ＝4×10－7
m，代入数据解得
f＝5×1014
Hz。
能力提升
一、选择题(1～4题为单选题，5、6题为多选题)
1．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)( B )
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：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。
2．如图所示，L是不计电阻的电感器，C是电容器，闭合电键K，待电路达到稳定状态后，再断开电键K，LC电路中将产生电磁振荡。如果规定电感L中的电流方向从a到b为正，断开电键K的时刻为t＝0，那么下列四个图中能够正确表示电感中的电流随时间变化规律的是( B )
解析：在没有断开开关时，电流是从a流向b，当断开开关后，电流要减小，而线圈的感应电动势阻碍电流减少，则电流方向不变，大小在慢慢减小，当电容器充电完毕时，电流为零，接着电容器放电，电流方向与之前相反，大小在不断增大，故选B。
3．(2020·浙江省嘉兴一中、湖州中学高二下学期期中)电磁波已广泛运用于很多领域，下列关于电磁波的说法符合实际的是( C )
A．电磁波不能发生衍射现象
B．常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机
C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球运动的速度
D．不同频率的电磁波在真空中的传播速度随频率的增加而递减
解析：电磁波是横波，波都能发生干涉和衍射现象，故A错误；常用红外线做为脉冲信号来遥控电视，故B错误；由于波源与接受者的相对位移的改变，而导致接受频率的变化，称为多普勒效应，所以可以判断遥远天体相对于地球的运动速度，故C正确；电磁波在真空中沿不同方向的传播速度大小相等，故D错误。
4．如图所示，i－t图象表示LC振荡回路的电流随时间变化的图象，在t＝0时刻，回路中电容器的M板带正电，在某段时间里，回路的磁场能在减小，而M板仍带正电，则这段时间是图中( D )
A．Oa段
B．ab段
C．bc段
D．cd段
解析：根据题意，回路中电流在减小，给电容器充电，且M板带正电，则这段时间应是图中cd段，故选D。
5．LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法正确的是( ABD )
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电
B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电
C．若电容器上极板带正电，则自感电动势正在减小
D．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流减小
解析：若磁场正在减弱，由楞次定律可得线圈上端为正极，则电容器上极板带正电，故A正确；若电容器正在放电，由安培定则可得电容器上极板带负电，故B正确；若电容器上极板带正电，说明电容器在充电，磁场能转化为电场能，则线圈中电流应该减小，此时线圈中的自感电动势在增大，故C错误；若电容器正在充电，则线圈自感作用，阻碍电流的减小，故D正确。
6．为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中，电容器可通过开关S与线圈L或电源相连，如图所示，当开关从a拨到b时，由L与C构成的回路中产生周期T＝2π的振荡电流。当罐中的液面上升时( BC )
A．电容器的电容减小
B．电容器的电容增大
C．LC回路的振荡频率减小
D．LC回路的振荡频率增大
解析：不导电的液体是电介质，其介电常数大于空气的介电常数。当液面上升时，由C＝可知C增大，由T＝2π知周期增大，频率减小，B、C正确，A、D错误。
二、非选择题
7．实验室里有一水平放置的平行板电容器，知道其电容C＝1
μF。在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间。手头上还有一个自感系数L＝0.1
mH的电感器，现连成如图所示电路，试分析以下两个问题：
(1)从S闭合时开始计时，经过π×10－5
s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？
(2)当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？
答案：(1)2g (2)g
解析：(1)电键断开时，电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且F电＝mg，闭合S后，L、C构成LC振荡电路，T＝2π＝2π×10－5
s，经＝π×10－5
s时，电容器间的场强反向，电场力的大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得：a＝＝2g。
(2)线圈中电流最大时，电容器两极间的场强为零，由牛顿第二定律可得a＝＝g，方向竖直向下。第十四章 第一、二节
沙场点兵·名校真题·实效检测
1．(2020·福建省厦门外国语学校高二下学期期中)以下关于电磁场理论和电磁波的有关说法正确的是( B )
A．变化的电场周围一定产生电磁波
B．电磁波由真空中进入某种介质传播时，波长会变短
C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，法拉第用实验验证了电磁波的存在
D．电磁波是纵波
解析：均匀变化的电场产生恒定的磁场，只有周期性变化的电场才能形成周期性变化的磁场，故A错误；电磁波由真空进入介质传播时，波速变小，结合v＝λf，可知，波长将变短，故B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C错误；电磁波是横波，故D错误。
2．(2020·安徽省蚌埠市第五中学高二下学期检测)在LC振荡电路中，某时刻线圈中的磁场和电容器中的电场如图所示，则此时刻( B )
A．电容器正在充电
B．振荡电流正在增大
C．线圈中的磁场正减弱
D．磁场能正在向电场能转化
解析：由题图可知，此时刻电容器正在放电，电路中电流正在增大，线圈中的磁场正在增强，电场能正在向磁场能转
化，故选项B正确，ACD错误。
3．(多选)
(2020·浙江省台州市书生中学高二下学期检测)某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线，这可能是( AC )
A．沿AB方向磁场的迅速减弱
B．沿AB方向磁场的迅速增强
C．沿BA方向磁场的迅速增强
D．沿BA方向磁场的迅速减弱
解析：根据安培定则可知感应电场产生的磁场方向竖直向下，根据麦克斯韦电磁场理论可知磁场一定变化。若有沿AB方向上的磁场，与感应磁场方向相同，则磁场正逐渐减弱；若有沿BA方向的磁场，与感应磁场方向相反，则磁场正逐渐增强，故AC正确，BD错误。
