2020-2021学年高二上学期物理鲁科版（2019）必修第三册学案：5.3初识电磁波及其应用

第3节　初识电磁波及其应用
必备知识·自主学习
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电场。
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。
图甲变化的磁场在其周围空间产生电场。
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、不可分割的电磁场。
3.电磁波:
(1)电磁波的产生:如图所示,在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。
(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。
(3)电磁波的验证:1888年,德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
4.关于电磁波下列说法正确的是②③④。
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。
二、电磁波的应用
　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,再将电信号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无线通信系统来实现的。
3.雷达:雷达系统由天线、发射机和接收机组成。
4.卫星通信:卫星通信主要分为国际卫星通信、区域卫星通信和国内卫星通信。
三、电磁污染及防护
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.可以从电磁波源、电磁波的传播途径及受辐射的人这三个方面进行防护。
　(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。 (×)
关键能力·合作学习
　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)。
　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】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。
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。
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】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。
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:
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·模型·素养
　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
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
课堂检测·素养达标
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
【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,r=
即人离波源的距离至少为才是安全区。
答案: