2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019）必修第三册课件：5.3 初识电磁波及其应用62张PPT

第3节　初识电磁波及其应用
一、电磁波的产生
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_____。
(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。
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。
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。
电场
磁场
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_____。
(3)电磁波的验证:1888年,德国物理学家_____通过实验证实了电磁波的存在。
相同
赫兹
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
【情境思考】
　国际间的电视节目交换需要使用太空中的卫星中转,请问节目信息是以怎样的形式传递的?
提示:是以电磁波的形式传递的。
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。
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。
电信号
无线通信
发射机
区域卫星通信
三、电磁污染及防护
【情境思考】
病人在拍片或者做CT时陪同人员需要在门外等候,
以避免电磁辐射带来的副作用,请问防辐射门属于
电磁污染防护的哪个方面?
提示:属于从电磁波的传播途径来进行防护。
1.电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。
2.可以从_________、电磁波的_________及___________这三个方面进行
防护。
电磁波源
传播途径
受辐射的人
【易错辨析】
(1)磁场一定可以产生电场,电场也一定可以产生磁场。 ( )
(2)在变化的电场周围,一定存在着和它联系着的磁场。 ( )
(3)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。 ( )
(4)光是一种电磁波。 ( )
(5)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。 ( )
(6)电磁波对人体没有损伤。 ( )
×
√
×
√
×
×
知识点一　电磁波的产生条件
1.电场、磁场的变化关系:
提醒:要注意电场或磁场是如何变化的,变化规律不同,产生的场的特点也不相同。

2.周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系在一起,就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。
3.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)。
【问题探究】
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?
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】
【典例】关于电磁场理论,下列说法正确的是 (　　)
A.在电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围一定产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,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.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
【解析】选D。根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场能产生磁场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变化的电场才产生变化的磁场,D正确,A、B、C错误。
【素养训练】
1.某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示,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.(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中正确的是(　　)
A.教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时的电磁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,稳定的磁场产生稳定的电场
D.只要空间某处的电场或磁场发生变化,就会在其周围产生电磁波
【解析】选A、B。教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器中的电流是交变电流,在其周围产生交变磁场和电场,故选项A、B正确;稳定的电场不会产生磁场,故选项C错误;只有周期性变化的电场和磁场交替产生,才能由发生区域向外传播形成电磁波,选项D错误。
【加固训练】
如图所示,带电的平行板电容器C的两个极板,在用绝缘工具将两板间的距离匀速增大的过程中,电容器周围空间将 (　　)
A.会产生变化的磁场
B.会产生稳定的磁场
C.不产生磁场
D.会产生周期性振荡的磁场

【解析】选A。电容器一直与电源相连,极板间的电势差不变。根据板间电场强度E= 可知,当d增大时,电场强度E减小,由于E与d成反比,随d的增大,E与d不是线性关系,所以E的减小是不均匀的,根据电磁场的理论可知,会产生变化的磁场。故A正确,B、C、D错误。
知识点二　电磁波的应用
1.无线电波:无线电波用于通信和广播。如手机、卫星通讯等。
2.红外线:红外线是一种光波,它的波长比无线电波短,比可见光长。所有物体都发射红外线。主要用于加热、遥测等。
3.紫外线:人眼看不到比紫光波长更短的电磁波。主要应用:日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等。
4.X射线和γ射线:波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线。主要应用:探测、治疗等。
5.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。
【问题探究】
红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温,如图所示,你知道它的工作原理吗?
提示:根据体温越高,辐射红外线越强的原理。

【典例示范】
【典例】为了体现高考的公平、公正,高考时很多地方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,达到屏蔽手机信号的目的,手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。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,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。
【素养训练】
1.【母题追问】在【典例】的情境中,考场内的监控摄像头能否正常使用?
提示:能正常使用,监控摄像头的信号是通过网线或者光纤传输的。
2.(教材二次开发·P146【节练习】T2变式)请你列举出装有屏蔽器的教室内,哪些仪器不能正常工作?
【解析】屏蔽器会干扰无线传输,手机无法正常接收信号,还会干扰教师教学时话筒与蓝牙音箱的连接,教室内的WiFi信号也会被干扰。
答案:手机、蓝牙音箱、无线路由器。
【加固训练】
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:
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
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
【情境】
　芜湖步行街旁中和路新装52盏“智慧路灯”,除基本照明外,每盏路灯将安装WiFi信号发射、手机充电接口等设备。

探究:
(1)WiFi信号的本质是什么?
(2)WiFi信号会不会产生污染?安全吗?
【解析】(1)WiFi信号是频率较小的电磁波。
(2)WiFi信号有一定的污染,在功率比较小的情况下是安全的。
答案:见解析
【生产情境】
珠海国际航展会上,中国展出了先进概念机“歼-31”,标志着中国继美国之后,成为世界上第二个同时研发两款第四代隐形战机的国家。隐形飞机的原理是在飞机研制过程中设法降低其可探测性,使之不易被敌方发现、跟踪和攻击。
探究:
(1)雷达是如何定位飞机的?
(2)“歼-31”是如何实现隐形的?

【解析】(1)雷达向外发射电磁波,当电磁波遇到飞机时就要发生反射,雷达通过接收反射回来的电磁波,就可以测定飞机的位置。
(2)使用吸收雷达电磁波材料,在雷达屏幕上显示的反射信号很小、很弱,很难被发现。
答案:见解析
1.(教材二次开发·P152【单元自我检测】T1变式)关于电磁场和电磁波,下列说法中正确的是 (　　)
A.电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波
B.电场和磁场总是相互联系着,统称为电磁场
C.电磁波是一种物质,只能在真空中传播
D.电磁波传播的速度总是3×108 m/s
课堂检测·素养达标
【解析】选A。电磁波的传播不需要介质,在有介质的空间内可以传播,在真空中也可以传播,故选项C错误;在真空中,任何频率的电磁波的传播速度跟光速相等,但是在不同的介质中,电磁波的传播速度一般不同,故选项D错误;变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分离的统一体,这就是电磁场,但是在某一区域存在独立的电场和磁场,不能叫电磁场,故选项B错误。
【加固训练】
关于电磁场、电磁波的认识,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波的传播需要介质
B.电磁波传播的速度是光速
C.电磁波传播的过程中也传递了能量
D.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
【解析】选C。周期性变化的电场与磁场相互感应产生,并向外传播,从而形成电磁波,电磁波中含有能量,电磁波的传播不需要介质,A错误,C正确;电磁波在真空中传播的速度是光速,故B错误;只有变化的电场(磁场)才能产生磁场(电场),D错误。
2.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。
3.如图所示的四种磁场变化情况,能产生图中电场的是 (　　)
【解析】选B。均匀变化的磁场产生恒定的电场,故B正确,A、C、D错误。
4.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。

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,
即人离波源的距离至少为 才是安全区。
答案:
课时素养评价
十九　初识电磁波及其应用
【合格性考试】(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.下列关于电磁波的说法中正确的是 (　　)
A.麦克斯韦电磁场理论预言了电磁波的存在
B.电磁波可以由均匀变化的磁场产生
C.雷达可以利用自身发射的电磁波的衍射波来对目标进行定位
D.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
【解析】选A。选项A符合物理史实,电磁波由周期性变化的磁场产生,B错误;雷达利用电磁波的反射确定目标位置,C错误;手机内有发射电磁波的装置,D错误。
【加固训练】
　　有关电磁场和电磁波,下列说法中正确的是 (　　)
A.赫兹通过实验证实了电磁波的存在
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。赫兹通过实验证实了电磁波的存在,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.无线电技术中通常根据波长把无线电波分成表中的几个波段:
波段
长波
中波
短波
微波
波长/m
30000～3000
3000～200
200～10
10～0.001
大家知道,地球被厚厚的大气层包围着,在距地面50千米到几百千米的范围内的大气层叫电离层,电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验表明,对于波长小于10 m的微波,电离层能让它通过;对于波长超过3 000 m的长波,电离层基本上把它吸收掉;对于中波和短波,电离层对它有反射作用。地球同步通信卫星静止在赤道上空36000 km高的地方,所以利用同步卫星进行无线电信号通信只能通过 (　　)
A.长波　　　B.中波　　　 C.短波 　　　D.微波
【解析】选D。地球同步通信卫星传输的电磁波信号必
须能够穿透电离层,而只有波长小于10 m的微波才能通过,所以选项D正确,A、B、C错误。
【加固训练】
　　新冠肺炎疫情已被我国有效控制。为了战胜疫情,我们的志愿者在社区、机场等公共场所不顾个人安危,为行人量体温、查信息,严防死守,确保一方平安。志愿者使用的体温探检器通过非接触的方法感应人体的体温以此来排查新型冠状病毒肺炎的疑似感染病例。请问这种体温探检器是利用了哪种电磁波的特性 (　　)
A.红外线　 B.紫外线　 C.X射线　 D.γ射线
【解析】选A。体温探检器的测温原理是黑体辐射定律,自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停地向外辐射能量,物体向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系,物体的温度越高,所发出的红外辐射能力越强,故A正确,B、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.航天员在太空中离开航天飞机的密封舱从事修复卫星等工作时,必须通过无线电对讲机交谈传递信息,这是因为 (　　)
A.航天员穿着全封闭式增压宇航服,他们之间无法直接对话
B.舱外航天员和航天飞机内的航天员之间相隔距离较远
C.在远离地面的太空中没有空气
D.利用无线电波传递信息较快
【解析】选C。电磁波能在真空中传播,而声波则需要介质才能传播。所以航天员在没有空气的太空中交流必须利用电磁波来完成,故C正确,A、B、D错误。
二、计算题(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.上海电视台演播厅正在现场直播文艺晚会,某观众在离演员30 m处观看,而北京的一位同学在电视机前观看同一节目。已知北京到上海的距离为1 460 km,问声音先传到哪个人的耳朵里?为什么?
【解析】根据声速和电磁波波速来比较:
该声音从演员传到观众的耳中所需时间为t1,则
t1= s≈0.088 s,无线电波传播所用时间t2= s≈0.004 9 s,所以,先
传到北京那位同学耳中。
答案:见解析
【选择性考试】(10分钟·20分)
6.(6分)某空间中出现了如图中虚线所示的一组闭合的电场线,这可能是(　　)
A.在中心点O处有一静止的点电荷
B.沿AB方向有一段通有恒定电流的直导线
C.沿BA方向的磁场在减弱
D.沿AB方向的磁场在减弱
【解析】选C。首先应知道闭合的电场线是由变化的磁场产生的,闭合的电场线类似于环形电流,根据楞次定律环形电流产生的磁场由B→A,阻碍原磁场的变化,所以BA方向的磁场在减弱,故C正确,A、B、D错误。
7.(14分)在电视节目中,我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话,他们之间每一问一答总是迟“半拍”,这是为什么?如果有两个手持卫星电话的人通过同步卫星通话,一方讲话,另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话?(已知地球的质量为6.0×1024 kg,地球半径为6.4×106 m,引力常量为6.67×10-11 N·m2·kg-2,计算结果保留两位有效数字。)
【解析】主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空
中传播的,利用电磁波传递信息是需要时间的。
设同步卫星高度为h,由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力得 =
m (R+h),
h= -R≈3.59×107 m,
则一方讲话另一方听到所需的最少时间是
t= ≈0.24 s。
答案:见解析