13.4 电磁波的发现及应用 讲义—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第三册word版含答案

第十三章电磁感应与电磁波初步
第4节电磁波的发现及应用
【素养目标】
理解电磁场的概念
了解电磁波的概念
了解电磁波谱的概念
【必备知识】
知识点一、电磁场
1.麦克斯韦的电磁场理论：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
2.电磁场：变化的电场和磁场总是相互联系的，形成了一个不可分离的统一场。
3.对麦克斯韦电磁场理论的理解：
①均匀变化的磁场(或电场)产生稳定的电场(或磁场)；
②非均匀变化的磁场(或电场)产生变化的电场(或磁场)；
③振荡磁场(或电场)产生同频率的振荡电场(或磁场)。
知识点二、电磁波
1.麦克斯韦的预言：空间可能存在电磁波。周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播形成电磁波。
2.电磁波可以在真空中传播，这是因为电磁波地传播靠的是电场和磁场的相互“激发”
3.电磁波的传播速度等于光速c，光的本质是电磁波。
4．赫兹的实验
(1)赫兹利用如图的实验装置，证实了电磁波的存在。
(2)赫兹的其他实验成果
赫兹通过一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。
知识点三、电磁波谱
(1)波长：两个相邻的波峰(或波谷)之间的距离等于电磁波的波长。
(2)频率：电磁波的频率即为电磁振荡的频率，它由波源决定，与介质无关。
(3)电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，即电磁波在真空中的传播速度c＝3.0×108
m/s。电磁波和光波一样，在介质中的传播速度都要小于真空中的传播速度，其大小与介质有关。
(4)电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c=λf
(5)电磁波谱：按频率或波长的大小把它们排成的谱叫电磁波谱。
电磁波家族有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。波长最长的是无线电波中的长波；波长最短的是γ射线。
(1)无线电波
波长大于1
mm(频率小于300
GHz)的电磁波是无线电波，无线电波广泛用于通信和广播。
(2)红外线
①发现过程：1800年英国物理学家赫谢耳用灵敏温度计研究光谱中各色光的热作用时，把温度计移至红光区域外侧，发现温度更高。
②特性：热作用
③红外线的频率比可见光更接近固体物质分子振动的固有频率，更容易引起分子的共振，所以有明显的热效应。
④应用：红外线加热、红外摄影、红外遥感。
(3)可见光
①特性：引起人的视觉，为地球上的生命提供赖以生存的能量。
②可见光只在一个很窄的波段内，通常波长范围为400～770
nm，不同频率(或波长)的可见光颜色不同，频率最高(波长最短)的是紫光，频率最低(波长最长)的是红光。
③应用：摄影、照明。
④天空看起来是蓝色的，是由于波长较短的光比波长较长的光更容易被散射；傍晚的阳光比较红，是由于大气对波长较短的紫光比波长较长的红光、橙光吸收较强的缘故。
(4)紫外线
①发现过程：1801年德国物理学家里特，发现在紫外区放置的照相底片感光，荧光物质发光。
②特性：化学作用，荧光效应促进人体合成维生素D。
③紫外照相、验钞机、黑光灯都是利用紫外线的荧光效应。杀菌、消毒主要应用紫外线的化学效应。
(5)X射线
①发现过程：1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时，发现阴极射线(高速电子流)射到玻璃壁上，管壁会发出同种看不见的射线。
②产生条件：高速电子流射到任何固体上，都会产生X射线。
③特性：穿透本领很大。
④应用：工业上金属探伤、医疗上透视人体。
(6)γ射线
①特性：穿透本领极强。
②应用：工业探伤、医用治疗。
知识点四、电磁波的能量
(1)电磁波具有能量，微波炉就是利用电磁波来加热食物的。
(2)电磁波具有与其他物质相互作用的属性
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”。在天文现象中，彗星尾就是太阳光的“光压”压迫彗星尘埃物质而形成的。
(3)太阳辐射
太阳光中含有可见光、无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线。太阳辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域。
知识点五、电磁波通信
电磁波可以传递信息
电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。
【课堂检测】
1.我们身处信息时代越来越离不开电磁波，以下说法中正确的是（???
）
A.?变化的电场和变化的磁场交替产生电磁波
B.?电磁波既可以是横波也可以使纵波
C.?在外太空的真空环境下电磁波无法传播
D.?电磁波在不同介质中传播时的速度大小不变
【答案】
A
【解析】A．根据麦克斯韦建立了电磁场理论可知，变化的电场和变化的磁场交替产生电磁波；A符合题意；
B．电磁波一定是横波；B不符合题意；
C．电磁波可以在真空中传播；因此可以在真空环境中传播；C不符合题意；
D．电磁波在不同的介质中传播的速度不同；D不符合题意。
故答案为：A。
2.2020年我国将全面进入万物互联的商用网络新时代，即5G时代。所谓5G是指第五代通信技术，采用3300~5000MHz（1M=106）频段的无线电波。现行的第四代移动通信技术4G，其频段范围是1880~2635MHz。未来5G网络的传输速率（指单位时间传送的数据量大小）可达10Gbps（bps为bitspersecond的英文缩写，即比特率、比特/秒），是4G网络的50~100倍。下列说法正确的是（??
）
A.?4G信号和5G信号都是纵波??????????????????????????????????B.?4G信号更容易发生衍射现象
C.?4G信号和5G信号相遇能产生稳定干涉现象?????????D.?5G信号比4G信号在真空中的传播速度快
【答案】
B
【解析】A．电磁波均为横波，A不符合题意；
B．因5G信号的频率更高，则波长小，故4G信号更容易发生明显的衍射现象，B符合题意；
C．两种不同频率的波不能发生干涉，C不符合题意；
D．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，D不符合题意。
故答案为：B。
【素养作业】
1.下列电磁波中频率最高的是(???
)
A.?红外线???????????????????????????????B.?γ射线???????????????????????????????C.?紫外线???????????????????????????????D.?无线电波
【答案】
B
【解析】根据电磁波谱可知，
射线的波长最短，所以
射线的频率最高，而红外线的频率最低，
B符合题意，A、C、D不符合题意．
故答案为：B
【分析】电磁波中射线频率最高其红外线频率最低。
2.下列说法正确的是（??
）
A.?各种电磁波中，最容易表现出干涉和衍射现象的是
射线
B.?红外线有显著的热效应，紫外线有显著的荧光效应
C.?X射线的穿透本领比
射线更强
D.?在电磁波谱中，X射线与
射线有很大一部分重叠区域，因此两者产生机理应该是一样的
【答案】
B
【解析】A．在电磁波谱中最容易发生衍射的是无线电波波长越长，波动性越明显，A不符合题意；
B．红外线有显著的热效应，紫外线有显著的荧光效应，B符合题意；
C．X射线波长比
射线长，穿透力不及
射线，C不符合题意；
D．在电磁波谱中，X射线与
射线有很大部分重叠区域，但二者产生机理不同，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】电磁波中无线电波波长最大其衍射现象最明显；射线的穿透性比X射线的穿透性强；两种射线产生的机理不同。
3.下列家用电器中应用电磁波工作的是（??
）
A.?电饭锅?????????????????????????????????B.?洗衣机?????????????????????????????????C.?微波炉?????????????????????????????????D.?冰箱
【答案】
C
【解析】A．电饭锅是利用电流的热效应工作的，A不符合题意；
B．洗衣机是利用电动机工作的，B不符合题意；
C．微波炉是利用电磁波工作的，C符合题意；
D．冰箱是利用电流做功实现内能转移的，D不符合题意。
故答案为：C。
【分析】电饭锅是利用电流的热效应；洗衣机是利用电动机工作；冰箱是利用电流做功实现内能的转移。
4.电磁波和机械波具有的共同性质是（??
）
A.?都是横波?????B.?都能够传输能量?????C.?传播都需要介质?????D.?在介质中的传播速度都与波的频率有关
【答案】
B
【解析】A．电磁波是横波，机械波有横波也有纵波，A不符合题意；
B．两种波都能传输能量，B符合题意；
C．电磁波可以在真空中传播，机械波传播需要介质，C不符合题意；
D．机械波在介质中的传播速度由介质决定，与波的频率无关，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】电磁波是横波，机械波有横波也有纵波、两种波都能传输能量、电磁波可以在真空中传播，机械波传播需要介质、传播速度由介质决定，与波的频率无关。
5.新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（???
）
A.?红外线的光子能量比紫外线的大?????????????????????????B.?真空中红外线的波长比紫外线的长
C.?真空中红外线的传播速度比紫外线的大???????????????D.?红外线能发生偏振现象，而紫外线不能
【答案】
B
【解析】A．因为红外线的频率小于紫外线，根据
可知红外线的光子能量比紫外线的低，A不符合题意；
B．根据
可知红外线的波长比紫外线的波长长，B符合题意；
C．真空中红外线和紫外线的传播速度是一样的，C不符合题意；
D．光都具有偏振现象，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】电磁波谱的范围非常广，波长由长倒短大致分为红外线、可见光、紫外线，波长比红外线长的有无线电波，波长比紫外线短的有γ射线。
6.在电磁波中，频率不同的电磁波具有不同的特性，真空中，红外线、紫外线和x射线的波长由长到短排列顺序正确的是（
??）
A.?x射线、紫外线、红外线??????????????????????????????????????B.?x射线、红外线、紫外线
C.?红外线、紫外线、x射线??????????????????????????????????????D.?紫外线、红外线、x射线
【答案】
C
【解析】真空中，红外线、紫外线和?X?射线的波长由长到短排列顺序正确的是：红外线、紫外线、?X?射线。故?C?正确
故答案为：C
【分析】电磁波谱的范围非常广，波长由长倒短大致分为红外线、可见光、紫外线，波长比红外线长的有无线电波，波长比紫外线短的有γ射线。
7.关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（??
）
A.?麦克斯韦首先预言并证明了电磁波的存在
B.?电磁波是纵波
C.?使用电磁波来传播信息时主要是应用无线电波波长大、衍射现象明显，可以绕过地面上的障碍物
D.?频率为
的电磁波在真空中传播时，其波长为400m
【答案】
D
【解析】A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证明了电磁波的存在，A不符合题意；
B．电磁波是横波，B不符合题意；
C．空间波是沿直线传播的无线电波。微波多利用这种直线方式传播，其特点是波长短，频率高，C不符合题意。
D．根据公式
可得
，D符合题意。
故答案为：D。
【分析】对于波来说，只有纵波才有偏振，横波没有偏振，横波和纵波都会有干涉、衍射和多普勒效应，结合电磁波的波速和频率求解波长即可。
8.关于电磁波的应用，下列说法不正确的是(???
)
A.?医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.?工业上利用γ射线检查金属部件内部有无砂眼或裂缝
C.?刑侦上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短、分辨率高
D.?卫星用红外遥感技术拍摄云图照片，因为红外线衍射能力较强
【答案】
A
【解析】医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒，A错误，符合题意；
射线具有较强的穿透性；故工业上利用
射线检查金属内部有无沙眼，B正确，不符合题意；刑侦上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短，衍射条纹间距小，分辨率高，C正确，不符合题意；红外线的波长，衍射能力较强，D正确，不符合题意．
故答案为：A
【分析】医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒；利用射线检测金属内部是否有裂缝；常用紫外线拍摄指纹照片；利用红外线遥感技术拍摄云图照片。