(共29张PPT)
4.电
磁
波
谱
必备知识·素养奠基
一、电磁波谱
1.定义:各种电磁波按_________或频率高低顺序把它们排列成的谱。
2.按照波长从长到短依次排列为:无线电波、_______、_______、_______、
X射线、_______。
3.不同的电磁波由于具有不同的_____(波长),才具有不同的特性。
二、无线电波
1.波长大于1
mm(频率小于300
GHz)的电磁波是无线电波,主要用于_____和
_____及其他信号传播。
2.按波长(频率)划分为_____、中波、中短波、短波和_____。
波长大小
红外线
可见光
紫外线
γ射线
频率
通信
广播
长波
微波
三、红外线
1.它是一种光波,它的波长比无线电波短,比可见光长,不能被人观察到。
2.所有_____都发射红外线,热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射___。
3.主要应用于红外遥感等。
四、可见光
1.可见光的波长在760
nm到400
nm之间。
2.分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
3.不同颜色的光波长(频率)_____。
物体
强
不同
五、紫外线
【思考】
人为什么不能长时间在太阳下暴晒?
提示:人体适量接受太阳光里的紫外线照射,能促进钙质吸收。但过多地吸收紫外线,会对皮肤和眼睛造成伤害。
1.波长范围在5
nm到370
nm之间,不能引起人的视觉。
2.紫外线具有较高的能量,因此可以利用紫外线_________。
3.许多物质在紫外线的照射下会发出荧光,根据这一点可以设计_________。
六、X射线和γ射线
1.X射线:X射线能够穿透物质,可以用来检查_______________;在工业上,利用
X射线检查___________________。
2.γ射线:具有很高的能量,穿透能力更强。主要应用有:医学上具有治疗
_____的作用,工业上具有探测___________________的作用。
灭菌消毒
防伪措施
人体的内部器官
金属构件内部的缺陷
癌症
金属构件内部的缺陷
关键能力·素养形成
各种电磁波的特性
1.电磁波谱及其特性:
电磁
波谱
无线
电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
波长
大于
1
mm
大于
760
nm
760～
400
nm
370～
5
nm
波长更短
波长最短
宏观产
生机理
LC电路
一切物体
都不停地
发射红
外线
太阳或
光源
高温物体
发出的光
含有紫
外线
高速粒子
流撞击固
体物质时
产生
核辐射
电磁
波谱
无线
电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
微观
产生
机理
振荡电路
中的电子
运动
原子的外层电子受到激发
原子内层
电子受到
激发
原子核
受到激发
主要
特征
波动
性强,
易衍射
热作用强
引起
视觉、
感光作用
化学
作用、
荧光效应
穿透能
力强
穿透能力
最强
主要
用途
通信、广
播、导航
加热、遥
测、遥感、
红外摄
影、夜视
照明、
照相
日光灯、
灭菌消毒
检查、探
测、透视
探测、
医疗
2.各种电磁波的共性与个性:
(1)共性。
①它们在本质上都是电磁波,它们遵循相同的规律,各波段之间并没有绝对的界线。
②都遵守公式v=λf,它们在真空中的传播速度都是c=3.0×108
m/s。
③它们的传播都不需要介质。
④它们都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振的特性。
(2)个性。
①不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长,越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,穿透能力越强。
②同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时,频率越大,折射率越大,速度越小。
③用途不同。
【思考·讨论】
(1)白光经三棱镜后发生色散,形成光谱,各种色光按波长大小如何排列的?
(物理观念)
提示:各种色光按波长由大到小排列为:红橙黄绿蓝靛紫。
(2)为什么有些动物在夜间也可以“看到”物体,红外线主要有哪些作用呢?
(物理观念)
提示:因为一切物体都不停地发射红外线
,温度越高的物体发射的红外线越强,有些动物能感知红外线,
所以就能在夜间看清物体;红外线的作用有①红外遥感:勘测地热、寻找水源、人体检查等;②红外遥控:家用电器的遥控器;③加热物体:红外线很容易使物体的温度升高。
【典例示范】
关于电磁波的特性和应用,下列说法正确的是
( )
A.红外线和X射线都有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波谱中频率最大的为γ射线,最容易发生衍射现象
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
【解析】选D。X射线有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体,红外线没有,A错误;过强的紫外线照射对人的皮肤有害,B错误;电磁波谱中频率最大的为γ射线,其波长最短,最不容易发生衍射现象,C错误;紫外线和X射线都具有明显的化学效应,可以使感光底片感光,D正确。
【素养训练】
1.2019年12月18日8时14分,四川内江市资中县发生地震。为了将埋在倒塌建筑中的被困者迅速解救出来,救援队在救援过程中使用生命探测仪来寻找被压在废墟中的大量伤员,这种仪器主要是接收人体发出的
( )
A.可见光 B.红外线
C.紫外线
D.声音
【解析】选B。不同温度的物体会发出不同频率的红外线,生命探测仪就是根据人体发出的红外线与周围环境辐射的红外线不同而寻找的,B正确。
2.(多选)无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来,形成了范围非常广阔的电磁波谱,不同的电磁波表现出的特性不同,因而其用途也不同。下列说法正确的是
( )
A.红外线、紫外线、X射线和γ射线在真空中传播的速度均为3×108
m/s
B.红外线应用在遥感技术中,是利用它穿透本领强的特性
C.紫外线在水中的传播速度小于红外线在水中的传播速度
D.日光灯是紫外线的荧光效应的应用
【解题指南】解答本题要注意两点
(1)各类电磁波的特性由波长大小决定。
(2)各类电磁波的用途则由其特性决定。
【解析】选A、C、D。各种频率的电磁波在真空中具有相同的速度3×108
m/s,
故A项正确;红外线应用在遥感技术中是利用了它的衍射能力较强的特性,它的
穿透本领较弱,故B项错误;紫外线的频率大于红外线的频率,水对紫外线的折
射率较大,由v=
可知,C项正确;日光灯是利用了紫外线激发荧光的作用,故D
项正确。
【补偿训练】
(多选)关于生活中遇到的各种波,下列说法不正确的是
( )
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
【解析】选A、C、D。电磁波可以传递信息,声波也能传递信息,A错误;手机在通话时,涉及的波既有电磁波又有声波,B正确;太阳光中的可见光的传播速度远大于医院“B超”中的超声波的传播速度,C错误;遥控器发出的红外线波长大于医院“CT”中的X射线波长,故D错误。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.5G基站发出的5G信号、杀菌消毒用的紫外线、VCD机中的激光(可见光)、人体透视用的X光都是电磁波,它们的频率分别为f1、
f2、
f3、
f4,则
( )
A.f1>f2>f3>f4
B.f1C.f1f4
D.f1>f2【解析】选B。电磁波范围很广,由于波长不同,特性不同,5G信号是无线电波,可按波长由大到小依次排序如下:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线,由此可知B选项正确。
2.
如图为最新国产红外夜视望远镜,可以在夜间侦察敌情,在实施的夜间打击中起到重要作用,红外夜视望远镜是利用了
( )
A.红外线波长长,易绕过障碍物的特点
B.红外线的热效应强的特点
C.红外线不可见的特点
D.一切物体都在不停地辐射红外线的特点
【解析】选D。一切物体都在不停地辐射红外线,而且温度不同,辐射的红外线强度不同,可利用红外线成像进行夜间观察。
3.早晨在泰山看日出时太阳看起来特别红。这是由于
( )
A.红光的波长大
B.大气的全反射
C.大气的折射
D.光的色散
【解析】选A。太阳初升和西落时,阳光通过较厚的空气层。紫光、蓝光的波长较短,被空气吸收得较多;而红光的波长较长,被吸收得最少,直射而来的红光也就最多,因此,这时候太阳呈现红色。
4.一种电磁波入射到半径为1
m的孔上,可发生明显的衍射现象,这种波属于电磁波谱中的
( )
A.可见光
B.γ射线
C.无线电波
D.紫外线
【解析】选C。一种波发生明显衍射现象的条件是:障碍物或孔的尺寸大小跟光的波长差不多或比波长还要小。电磁波中的无线电波波长范围是10-3～104
m,红外线波长范围是10-7～10-3
m,可见光、紫外线、γ射线的波长更短,所以只有无线电波才符合条件。
5.现行的第四代移动通信技术4G,采用1
880～2
635
MHz频段的无线电波;
2020年我国将全面推行第五代移动通信技术5G,采用3
300～5
000
MHz频段的无线电波。未来5G网络的传输速率是4G网络的50～100倍。下列说法中正确的是
( )
A.5G信号和4G信号都是横波
B.在空气中5G信号比4G信号传播速度大
C.5G信号和4G信号相遇能产生干涉现象
D.5G和4G电磁波信号的磁感应强度随时间是均匀变化的
【解析】选A。5G和4G信号都是电磁波,电磁波都是横波,故A正确;任何电磁波在真空中的传播速度均为光速,故传播速度相同,故B错误;波的干涉条件是两列波的频率相同,振动情况相同,5G和4G信号的频率不同,相遇不能产生干涉现象,故C错误;根据麦克斯韦电磁场理论可知,均匀变化的电(磁)场只能产生恒定不变的磁(电)场,不能形成电磁波,故5G和4G电磁波信号的磁感应强度随时间不是均匀变化的,故D错误。故选A。
【新思维·新考向】
情境:太阳风暴袭击地球时,不仅会影响通信,威胁卫星,而且会破坏臭氧层,臭氧层作为地球的保护伞,是因为臭氧能吸收太阳辐射中波长较短的紫外线,若某种紫外线的频率为1.5×1015
Hz。
问题:
(1)该紫外线的波长是多少?
(2)紫外线的主要作用有哪些?
(3)简要说明人体不接受紫外线辐射和大量辐射分别会产生什么后果?
【解析】(1)λ=
m=2×10-7
m=200
nm
(2)荧光作用,灭菌消毒作用
(3)不接受紫外线照射时,不能杀死人体内的一些细菌,人的抗病能力会较弱,也
不利于钙和磷的吸收;紫外线照射过量,则会伤害皮肤,使体内的遗传物质受损,
会把正常细胞变成癌细胞。
答案:(1)200
nm
(2)(3)见解析温馨提示：
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课时素养评价
十五 电
磁
波
谱
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.下列说法正确的是
( )
A.只有物体温度较高时才能向外辐射红外线
B.紫外线的主要作用是热作用
C.可见光比红外线容易发生衍射现象
D.X射线穿透力强,可用来进行人体透视
【解析】选D。任何物体在任何温度下均会向外辐射红外线,A错误;紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用,B错误;可见光的波长小于红外线的波长,故可见光相对红外线不容易发生衍射现象,C错误;X射线穿透力强,医学上常用于透视人体,D正确。
2.下列关于紫外线的说法正确的是
( )
A.照射紫外线可增进人体对钙的吸收。因此,人们应尽可能多地接受紫外线的照射
B.一切高温物体发出的光都含有紫外线
C.紫外线有很强的荧光效应,常被用来防伪
D.紫外线有杀菌消毒的作用,是因为其有热效应
【解析】选C。由于紫外线具有较高的能量,故杀菌能力较强,在医疗上有其应用,但是过多地接受紫外线的照射,对人体来说也是有害的,所以A、D不正确;并不是所有的高温物体发出的光都含有紫外线,所以B不正确;紫外线有很强的荧光效应,可用来防伪,故C正确。
3.根据电磁波谱选出下列各组电磁波,其中频率互相交错重叠,且波长顺序由短到长排列的是
( )
A.微波、红外线、紫外线 B.γ射线、X射线、紫外线
C.紫外线、可见光、红外线
D.紫外线、X射线、γ射线
【解析】选B。红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻,更不会频率重叠,A错误。紫外线、可见光、红外线虽相邻,但它们三者间有明确的界线,频率也不相重叠,C错误。在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠,γ射线波长最短,紫外线波长最长,故B正确,D错误。
4.太阳表面温度约为6
000
K,主要发出可见光;人体温度约为310
K,主要发出红外线;宇宙星际间的温度约为5
K,所发出的辐射称为“5
K背景辐射”,它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热,若要进行“5
K背景辐射”的观测,应该选择下列哪一个波段
( )
A.无线电波 B.紫外线
C.X射线
D.γ射线
【解析】选A。电磁波谱按波长由长到短的顺序排列为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线,由题意知:物体温度越高,其发出的电磁波波长越短,宇宙星际间的温度约为5
K,则其发出的电磁波的波长应在无线电波波段,故A正确。
5.如图中国运9侦察机上装备有多功能全方位多普勒脉冲雷达,可进行全向探测,主要用于发现和跟踪空中与水面目标,工作频率为1.2×109～1.4×109
Hz。对空中目标的最远探测距离为470
km,该机的雷达系统可同时跟踪60～100个空中目标,并对战术空军的10架飞机实施引导。下列关于该脉冲雷达的说法正确的是
( )
A.脉冲雷达采用的是X射线
B.脉冲雷达采用的是微波
C.侦察机高速飞行时,发射的脉冲信号传播速率可能大于光在真空中的速率
D.增大它的振荡电路可变电容器的电容,可增大雷达的工作频率
【解析】选B。脉冲雷达是利用微波测速、测距的,其传播速率等于光速,故A、C选项错误,B选项正确;由T=2π
可知,增大振荡电路的电容,其周期变大,工作频率减小,故D选项错误。
【补偿训练】
雷达是用来对目标进行定位的现代化定位系统,海豚也具有完善的声呐系统,它能在黑暗中准确而快速地捕捉食物,避开敌害,远远优于现代化的无线电系统。海豚的定位、雷达的定位分别利用了自身发射的
( )
A.电磁波 次声波
B.红外线 光线
C.次声波 红外线
D.超声波 电磁波
【解析】选D。海豚能发射超声波,它是一种频率高于2×104
Hz的声波,它的波长非常短,因而能定向发射,而且在水中传播时因能量损失小,要比无线电波和广播传播得远。海豚就是靠自身发出的超声波的回声,在混浊的水里准确确定远处小鱼的位置而猛冲过去吞食的,同理也能避开敌害。雷达是一个电磁波的发射和接收系统,因而是靠发射电磁波来定位的。
6.等离子显示屏是一种以等离子管作为发光元件,并由大量的等离子管排列在一起构成的屏幕。每个等离子管的透明玻璃管内都充有低压的氖氙气体,管的两端各有一个电极,在两个电极间加上高电压后,封在管内的气体便产生某种肉眼看不见的射线,它激发显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素,由这些像素的明暗和颜色变化的组合,便形成了各种灰度和色彩的图像,则
( )
A.这种射线是X射线
B.这种射线是红外线
C.该射线使荧光粉发出可见光是利用了该射线的荧光效应
D.该射线使荧光粉发出可见光是利用了该射线的化学作用
【解析】选C。看不见的射线使荧光粉发光,这是紫外线的荧光效应,所以正确的选项是C。
二、非选择题(本题共2小题,共24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)
7.(12分)下面列出了一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象。请将相应的字母填写在运用这些现象的医疗器械后面的空格上。
(1)X光机:______________。?
(2)紫外线灯:____________。?
(3)理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”是利用________。?
A.光的全反射
B.紫外线具有很强的荧光作用
C.紫外线具有杀菌消毒作用
D.X射线有很强的穿透能力
E.红外线具有显著的热作用
F.红外线波长较长,易发生衍射
G.红外线能穿透云层,进行高空摄影
【解题指南】解答本题可从以下两个方面考虑
(1)紫外线有化学作用和荧光效应两个特征,使伤口愈合的“神灯”是加速血液循环的。
(2)红外线和X射线都具有穿透性,红外线穿透能力很弱,X射线穿透能力很强。
【解析】(1)X光机是用来透视人的体内器官的,因此需要具有较强穿透能力的电磁波,但又不能对人体造成太大的伤害,因此采用了X射线。
(2)紫外线灯主要是用来杀菌消毒的。因此,它应用的是紫外线的杀菌作用,而非荧光作用。
(3)“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快。
答案:(1)D (2)C (3)E
8.(12分)长波的波长范围为3
000～30
000
m,短波的波长范围为10～50
m,则长波的频率范围是多少?
【解析】已知长波波长范围为3
000～30
000
m,而波速c=3.0×108
m/s。由c=λf可知
f1=
Hz=1×105
Hz=100
kHz。
f2=
Hz=1×104
Hz=10
kHz
答案:10
kHz～100
kHz
(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是
( )
A.电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波
B.红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的
C.伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的
D.红外线的显著作用是热作用,温度较低的物体不能辐射红外线
【解析】选A、B。波长越长的无线电波波动性越显著,干涉、衍射现象越易发生;从电磁波产生的机理可知γ射线是原子核受激发后产生的;不论物体温度高低都能辐射红外线,物体的温度越高,它辐射的红外线越强。
【补偿训练】
(多选)关于电磁波的下列说法,正确的是
( )
A.可见光实质也是一种电磁波,红光频率最短
B.红外线易穿透云层,故广泛应用于遥感技术领域
C.X射线可深入人的骨骼,杀死病变细胞
D.阳光可以晒黑皮肤,主要是阳光中红外线的作用
【解析】选A、B。在可见光中,红光波长最长,频率最短,A正确;红外线能穿透云层,故广泛应用于遥感技术领域,B
正确;X射线虽然有一定的穿透能力,但不能深入骨骼,C错误;晒黑皮肤是紫外线的作用,D错误。
10.(7分)过量的电磁辐射对人体是有害的,按照规定,工作场所受到的电磁辐射强度(单位时间垂直单位面积的电磁辐射能量)不得超过某一临界值W0。已知某5G基站的电磁辐射功率为P,若该基站的电磁辐射在各个方向上是均匀的,则符合规定的安全区域到5G基站的距离至少为
( )
A.
B.
C.
D.
【解析】选A。设规定的安全区域距离为R,则对应球的面积为S=4πR2。在t时间内球面获得的能量为E=Pt,球面上单位面积t时间内获得的电磁辐射能量E0=,由于工作场所受到的电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量)不得超过W0,则W0=,所以R=
,故A正确,B、C、D错误。
11.(7分)(多选)家用微波炉是利用微波的电磁能加热食物的新型灶具,主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成,接通电源后,220
V的交流电经变压器,一方面在次级产生3.4
V交流电加在磁控管灯丝两端,另一方面在次级产生2
000
V高压,经整流加到磁控管的阴、阳两极之间,使磁控管产生频率为2
450
MHz的微波,微波输送至金属制成的加热器(炉腔),被来回反射,微波的电磁作用使食物内分子高频地振动同时内外迅速变热,并能最大限度地保存食物中的维生素。导体可反射微波,绝缘体可使微波透射,而食物通常含有的成分是蛋白质、淀粉、水,较易吸收微波且转换成热,故在使用微波炉时应注意
( )
A.用金属容器将食物放入炉内加热
B.用陶瓷容器将食物放入炉内加热
C.将微波炉置于磁性材料周围
D.将微波炉远离磁性材料
【解析】选B、D。食物内通常含有的成分是蛋白质、淀粉、水,易吸收微波而转换成热;由于导体能反射微波,绝缘体使微波透射,所以应用陶瓷容器盛食物,为避免对磁控管的影响,微波炉应远离磁性材料。
12.(19分)某高速公路自动测速仪装置如图甲所示,雷达向汽车驶来的方向发射不连续的电磁波,每次发射时间为10-6
s,相邻两次发射时间间隔为t。当雷达向汽车发射无线电波时,在显示屏上呈现一个尖波形;在收到反射回来的无线电波时,在显示屏上呈现第二个尖波形。根据两个波形的距离,可以计算出汽车距雷达的距离,根据自动打下的纸带(如图乙所示),可求出车速。请根据t1、t2、t、c求出汽车车速的表达式。
【解析】第一次测量时汽车距雷达的距离s1=,
第二次测量时汽车距雷达的距离s2=,
两次发射时间间隔为t,则汽车车速
v===。
答案:v=
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