第5章　第3节　初识电磁波及其应用 第4节　初识光量子与量子世界—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理必修三课件（28张PPT）

第3节　初识电磁波及其应用
第4节　初识光量子与量子世界
必备知识
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一、对电磁波的认识
1.麦克斯韦电磁场理论:英国物理学家麦克斯韦提出,变化的磁场在周围空间激发出一种电场,变化的电场也能够产生磁场。
2.电磁场:周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场,周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。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。
必备知识
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3.电磁波
(1)产生:如图所示,在空间交替变化的电磁场传播出去就形成电磁波。
(2)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。
(3)特点:传播速度与真空中的光速相同。
必备知识
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(4)应用:
①收音机、电视机、发报机、手机等通过电磁波实现了声音、图像的传播。
②雷达利用发射、接收电磁波检测飞行器、船只等远距离物体的位置。
③卫星通信利用地球同步卫星传递微波通信信号。
④射电望远镜利用接收宇宙中发射出的电磁波信号来探测宇宙天体。
必备知识
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(5)电磁污染及防护
①电磁污染:干扰通信系统、电视信号,过量的电磁辐射对人的心脏、血液和眼睛等都有很大的危害。
②电磁防护:从物理学的角度看,可以从电磁波源,电磁波的传播途径及受辐射的人三个方面进行防护。例如,减小电磁波的发射功率,通过电缆或光缆传送电磁信号,屏蔽电磁波源,穿防护衣、戴防护头盔和防护眼镜等。
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二、光量子与量子世界
1.光的量子化
(1)光的微粒说和光的波动说:①牛顿认为,光是从光源射出的具有高速度的粒子流,光的微粒说可以解释光的反射、光的颜色等;②荷兰物理学家惠更斯认为光是一种波,光的波动说可解释干涉、衍射、偏振等现象。
(2)光量子假说:爱因斯坦在解释光电效应时受普朗克量子假说的启发提出了光量子假说,认为光的发射、传播和接收都是以一份份光子的形式进行的。后来光量子正式命名为光子。
(3)光的本质:光既具有波动性,又具有粒子性,即具有波粒二象性。
必备知识
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2.初识量子世界
(1)普朗克的量子假说:量子假说认为物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍,即E=nε(n=1,2,3,…)。
(2)能量子及其能量:①物质辐射(或吸收)的一份最小能量,就是一个能量子。
②能量子的能量ε与频率ν成正比,即ε=hν,公式中h是普朗克常量,h=6.626×10-34 J·s。
(3)量子化和量子:一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,那么该物理量是量子化,并把这个最小的基本单位称为量子。
(4)量子世界的量子化:在宏观领域,量子化通常可以忽略;在微观世界里,量子化则是显著的。
必备知识
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1.正误判断。
(1)在变化的电场周围,一定存在着和它联系着的磁场。(　　)
答案:√
(2)电磁场是不可分割的整体。(　　)
答案:√
(3)光是一种电磁波。(　　)
答案:√
(4)最早提出量子假说的物理学家是爱因斯坦。(　　)
答案:×
(5)在微观领域,物体的动能是连续的。(　　)
答案:×
必备知识
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2.普朗克在1900年提出了量子假说,开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中,具有量子化特征的是(　　)
A.人的个数
B.物体所受重力
C.弹簧的势能
D.物体的长度
答案:A
探究一
探究二
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对麦克斯韦电磁场理论的理解
情境探究
右图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?
要点提示: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
探究二
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知识归纳
1.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。
探究一
探究二
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2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的磁场不产生电场
恒定的电场不产生磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场
周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场
画龙点睛 变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
探究一
探究二
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实例引导
例1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.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
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。
答案:D
探究一
探究二
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归纳总结理解麦克斯韦的电磁场理论的关键
掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”。这些都是对时间来说的,是时间的函数。
探究一
探究二
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变式训练1如图所示的四种电场中,哪一种能产生电磁波(　　)
解析:由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有周期性变化的电场(如D图),才会激发出周期性变化的磁场,周期性变化的磁场又激发出周期性变化的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。
答案:D
探究一
探究二
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光量子与量子世界
情境探究
普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同?
要点提示:宏观世界中我们认为能量是连续变化的,普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的,每一份是一个最小能量单位,即能量不是连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小,宏观变化中有大量的能量子,就可以看作是连续的。而研究微观粒子时,单个的能量子能量就显示出不连续性。
探究一
探究二
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知识归纳
1.普朗克量子假说:物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍,即E=nε(n=1,2,3,…)。一份能量就是一个能量子。
2.能量子公式:能量子的能量ε与频率ν成正比,即ε=hν,公式中h是普朗克常量,h=6.626×10-34 J·s。
3.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化。在研究微观粒子时必须考虑量子化。
探究一
探究二
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实例引导
例2“神光Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、频率为8.57×1014 Hz 的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则该紫外激光所含光子数为多少?
解析:紫外激光的频率已知,由此可求得紫外激光能量子的值,再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J,即可求得紫外激光所含光子数。紫外激光能量子的值为
ε0=hν=6.63×10-34×8.57×1014J≈5.68×10-19 J
则该紫外激光所含光子数
答案:4.23×1021(个)
探究一
探究二
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变式训练2根据爱因斯坦的“光子说”可知(　　)
A.“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”
B.只有光子数很多时,光才具有粒子性
C.一束单色光的能量可以连续变化
D.光的频率越小,光子的能量越小
解析:“光子说”提出光子既有波长又有动量,是波动说和粒子说的统一,不同于牛顿的“微粒说”,故A错误;当光子数很少时,显示粒子性;大量光子显示波动性,故B错误;爱因斯坦的“光子说”提出在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子,每个光子的能量为E=hν,故光的能量是不连续的,故C错误;光的频率越小,能量E=hν越小,故D正确。
答案:D
探究一
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1.关于麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的是(　　)
A.稳定的电场产生稳定的磁场
B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场
C.变化的电场产生的磁场一定是变化的
D.周期性变化的电场在周围空间产生周期性变化的磁场
解析:麦克斯韦的电磁场理论要点是:变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场),若磁场(电场)的变化是均匀的,产生的电场(磁场)是稳定的,若磁场(电场)的变化是周期性的,产生的电场(磁场)也是周期性的,故D选项正确。
答案:D
探究一
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2.(多选)关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息
B.声波不能传递信息
C.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
D.太阳光中的可见光是电磁波
解析:声波、电磁波都能传递能量和信息,A项正确,B项错误;在手机通话过程中,既涉及电磁波又涉及声波,C项正确;可见光属于电磁波,D项正确。
答案:ACD
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3.某地新装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。WiFi信号是频率较小的电磁波,下列关于WiFi信号说法正确的是(　　)
A.WiFi信号不能在真空中传播
B.WiFi信号会产生强烈的电磁辐射
C.电饭煲是利用WiFi信号来加热食物的电器
D.智能手机可以接收该WiFi信号进行网络连接
答案:D
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探究二
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4.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,下列说法正确的有(　　)
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的
B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量是量子化的
解析:根据普朗克的量子理论,能量是不连续的,其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍,故A、B、D均正确而C错误。
答案:ABD
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5.(多选)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
B.由于手机信号屏蔽器的作用,考场内仍有电磁波
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
探究一
探究二
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解析: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,B正确;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。
答案:BD
探究一
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6.第26届国际计量大会于2018年11月通过决议,正式更新了千克、安培、开尔文和摩尔四个基本单位的定义,国际测量界的百年夙愿终于实现——国际测量体系将全部建立在基本物理常数上,大大提高了计量的稳定性和精确性。比如,最受关注的“千克”,不再以具体实物的质量来定义,而将以量子力学中的普朗克常数h为基准,经过一系列物理换算,算出质量。已知普朗克常数与频率的乘积可以表示能量,下列属于用国际单位制的基本单位来表示普朗克常数h单位的是(　　)
A.J/s B.kg·m2/s
C.kg·m2/s3 D.N·m·s
探究一
探究二
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答案:B