6.4 电磁波及其应用 导学案 Word版含答案

第四节　电磁波及其应用
核心素养点击
物理观念 (1)了解麦克斯韦电磁场理论的内容。
(2)知道电磁波的形成及电磁场的物质性。
(3)知道电磁波在电视广播、雷达、移动电话中的应用。
科学思维 理解电磁波的形成和传播。
科学态度与责任 能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲。
1．填一填
(1)电磁场与电磁波
英国物理学家麦克斯韦在研究了法拉第电磁感应现象之后，提出了电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，称为电磁场。变化的电磁场在空间中的传播形成了电磁波。
(2)电磁场的物质性
①微波炉利用电磁波来加热食物，这说明电磁场具有能量。
②俄国物理学家列别捷夫测量出光对被照射的物体有压力，用实验证明了由电磁场理论预言的光压。这表明电磁场具有与其他物质相互作用的属性。
③电磁场虽然没有静止质量，但爱因斯坦提出的质能关系，揭示出电磁场因具有能量而具有运动质量。光压现象也说明电磁场是有质量的，因为有质量的物质才能对其他物体表现出压力作用。
2．判一判
(1)稳定的电场产生稳定的磁场。(×)
(2)周期性变化的磁场产生周期性变化的电场。(√)
(3)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播。(√)
3．选一选
建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是(　　)
A．法拉第 B．奥斯特
C．赫兹 D．麦克斯韦
解析：选D　麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D正确。
填一填
(1)电视广播：利用电磁波将电视信号先传送给地球同步通信卫星，然后由通信卫星将信号转发回地面，大大增加了信号的覆盖面积。
(2)雷达：雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器，主要由发射机、接收机和显示器等部分组成。
(3)移动电话：无线电话、无线对讲机、移动电话均是通过电磁波实现信号的发射与接收的。每台手机都是一个小型电磁波发射台，将用户的声音或数字信息转变为高频信号发射到空中，同时它又相当于一个收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到对方发射来的信息。
　　
[重难释解]
1．对麦克斯韦电磁场理论的理解
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
振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
2．电磁场的产生：如果在空间某处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。
关于电磁场的理论，下列说法正确的是(　　)
A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B．变化的磁场周围产生的电场一定是变化的
C．均匀变化的磁场周围产生的电场是均匀变化的
D．振荡电场周围产生的磁场也是振荡的
[解析]　非均匀变化的电场产生变化的磁场，而均匀变化的电场产生稳定的磁场，所以变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场，但不一定变化，故A、B错误；均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，而非均匀变化的电场产生变化的磁场，故C错误；周期性变化的振荡电场一定产生同周期变化的振荡磁场，故D正确。
[答案]　D
[素养训练]
1．下列有关电磁场理论说法正确的是(　　)
A．法拉第预言了电磁波的存在，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性
B．变化的磁场一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场产生均匀变化的磁场
D．赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦的电磁场理论
解析：选D　麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦的电磁场理论，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，A错误，D正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，B错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，C错误。
2．有关电磁场理论的下列说法中，正确的是(　　)
A．任何变化的磁场都要在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，形成一个不可分离的统一体，即电磁场
解析：选C　根据麦克斯韦理论，均匀变化的磁场在周围空间产生的电场是稳定的，故A错误。只有变化的电场才能在周围产生磁场，并不是任何电场都会在周围空间产生磁场，故B错误，C正确。电场和磁场并不总是相互联系着的，例如，静止电荷周围只有静电场，静止磁体周围只有稳定的磁场，只有变化的电场和变化的磁场才能形成一个不可分离的统一体，即电磁场，故D错误。
3．如图所示是某一固定面的磁通量的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是(　　)
A．逐渐增强　　　　　 B．逐渐减弱
C．不变　　　　　　　 D．无法确定
解析：选C　由题图可知磁通量Φ随时间t均匀变化，而Φ＝BS，所以磁场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知C正确。
　　
为了避免雷达发现战机的行踪，人们研制了隐形飞机。我们用肉眼能不能看到隐形飞机？为什么？
提示：能看到。隐形飞机不反射敌方雷达的探测波，对雷达“隐形”，但可以反射可见光，肉眼能直接看到。
[重难释解]
1．电磁波的特点
(1)电磁场中储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。
(2)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。
(3)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质。
(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。
2．波长、频率与波速之间的关系
波速＝波长×频率，即v＝λf。
(1)频率由波源决定，与介质无关，波长、波速的大小与介质有关。所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变，在介质中的速度都比在真空中速度小。
(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。
(3)在真空中传播时，不同频率的电磁波的速度都相同：v＝c。
波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？(c＝3×108 m/s)
[解析]　由速度公式v＝可求得时间，可根据电磁波波长、频率和波速关系式c＝λf可得频率，
其中t＝＝ s≈3.33×10－8 s
由c＝λf得f＝＝ Hz＝5×1014 Hz。
[答案]　3.33×10－8 s　5×1014 Hz
[素养训练]
1．关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A．所有电磁波的频率相同
B．电磁波只能在真空中传播
C．电磁波在任何介质中的传播速度都相同
D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s
解析：选D　电磁波的频率不一定相同，选项A错误；电磁波既能在真空中传播，也能在介质中传播，选项B错误；不同频率的电磁波在不同的介质中的传播速度不一定相同，选项C错误；电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，选项D正确。
2．关于电磁场和电磁波，下列说法不正确的是(　　)
A．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，两者互相联系，统称为电磁场
B．电磁场从发生区域由近及远地传播形成电磁波
C．电磁波是一种物质，可在真空中传播。所以，平时说真空没有实物粒子，但不等于什么都没有，还有“场”这种特殊物质
D．电磁波可在真空中传播，也可在介质中传播
解析：选A　根据麦克斯韦电磁场理论，非均匀变化的电场周围产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生的是稳定的磁场，所以A项错误。
3．[多选]下列关于电磁波的说法中正确的是(　　)
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波的传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
解析：选CD　要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是非均匀变化的，A错误；电磁波是物质波，电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播，B错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C正确；电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量传播的过程，D正确。
　　
[重难释解]
不同电磁波的特性及应用
电磁波种类 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
特性 波动性强 热作用强 感光性强 化学作用荧光效应 穿透力强 穿透力最强
用途 通信广播、导航 加热、遥测遥感、红外摄像、红外制导 照明、照相等 杀菌消毒、治疗皮肤病等 检查、探测、透视、治疗 探测、治疗
下面列出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种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射线的很强的穿透力
E．红外线具有显著的热作用
[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力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大的伤害的X射线，故选D。
(2)紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，故选C。
(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，故选E。
[答案]　(1)D　(2)C　(3)E
[素养训练]
1．红外线、紫外线、无线电波、可见光、γ射线、X射线按波长由大到小的排列顺序是(　　)
A．无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线
B．红外线、可见光、紫外线、无线电波、γ射线、X射线
C．γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波
D．紫外线、红外线、γ射线、X射线、无线电波、可见光
解析：选A　在电磁波谱中以无线电波波长最大，γ射线波长最小，所以正确的顺序为A。
2．[多选]下列有关电磁波的特性和应用，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．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
解析：选CD　X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞，C正确；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。