第3節(jié)初識電磁波及其應(yīng)用

一、電磁波的產(chǎn)生1.麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設(shè):(1)變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生_____。(2)變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生_____。圖甲變化的磁場在其周圍空間產(chǎn)生電場。必備知識·自主學(xué)習(xí)電場磁場圖乙變化的電場在其周圍空間產(chǎn)生磁場。

2.電磁場:變化的_____和變化的_____相互聯(lián)系在一起,就會在空間形成一個統(tǒng)一的、不可分割的電磁場。3.電磁波:(1)電磁波的產(chǎn)生:如圖所示,在空間_________的電磁場傳播出去就形成了電磁波。電場磁場交替變化(2)電磁波的特點:電磁波的傳播速度恰好與真空中的光速_____。(3)電磁波的驗證:1888年,德國物理學(xué)家_____通過實驗證實了電磁波的存在。相同赫茲4.關(guān)于電磁波下列說法正確的是_______。①恒定電流周圍產(chǎn)生磁場,磁場又產(chǎn)生電場。②電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108m/s。③在空間交替變化的電磁場傳播出去就形成了電磁波。④變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場。②③④二、電磁波的應(yīng)用【情境思考】國際間的電視節(jié)目交換需要使用太空中的衛(wèi)星中轉(zhuǎn),請問節(jié)目信息是以怎樣的形式傳遞的?提示:是以電磁波的形式傳遞的。1.廣播、電視:用無線電波傳遞的聲音或畫面信號被送到發(fā)射天線發(fā)出,收音機或電視機接收到信號后,再將_______轉(zhuǎn)化為原來的聲音或圖像,我們就能收聽到廣播、看到電視畫面了。2.:通話是靠一種特殊的_________系統(tǒng)來實現(xiàn)的。3.雷達:雷達系統(tǒng)由天線、_______和接收機組成。4.衛(wèi)星通信:衛(wèi)星通信主要分為國際衛(wèi)星通信、_____________和國內(nèi)衛(wèi)星通信。電信號無線通信發(fā)射機區(qū)域衛(wèi)星通信三、電磁污染及防護【情境思考】

病人在拍片或者做CT時陪同人員需要在門外等候,以避免電磁輻射帶來的副作用,請問防輻射門屬于電磁污染防護的哪個方面?提示:屬于從電磁波的傳播途徑來進行防護。1.電磁污染又稱電磁波污染或射頻輻射污染。2.可以從_________、電磁波的_________及___________這三個方面進行防護。電磁波源傳播途徑受輻射的人【易錯辨析】(1)磁場一定可以產(chǎn)生電場,電場也一定可以產(chǎn)生磁場。 ()(2)在變化的電場周圍,一定存在著和它聯(lián)系著的磁場。 ()(3)在變化的磁場周圍一定會產(chǎn)生變化的電場。 ()(4)光是一種電磁波。 ()(5)麥克斯韋預(yù)言并驗證了電磁波的存在。 ()(6)電磁波對人體沒有損傷。 ()×√×√××關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識點一電磁波的產(chǎn)生條件1.電場、磁場的變化關(guān)系:提醒:要注意電場或磁場是如何變化的,變化規(guī)律不同,產(chǎn)生的場的特點也不相同。

2.周期性變化的電場和周期性變化的磁場相互聯(lián)系在一起,就會在空間形成一個統(tǒng)一的、不可分割的電磁場。3.對電磁波的理解:電磁波的傳播不需要介質(zhì),可在真空中傳播。在真空中,不同頻率的電磁波傳播速度是相同的(都等于光速)?！締栴}探究】電子感應(yīng)加速器就是用來獲得高速電子的裝置,其基本原理如圖所示,上、下為電磁鐵的兩個磁極,磁極之間有一個環(huán)形真空室,電磁鐵線圈中通入變化的電流,真空室中的帶電粒子就會被加速,其速率會越來越大。請思考:帶電粒子受到什么力的作用而被加速?如果線圈中通以恒定電流會使粒子加速嗎?這個現(xiàn)象告訴我們什么道理?提示:帶電粒子受到電場力作用做加速運動。線圈中通入恒定電流時,帶電粒子不會被加速。變化的磁場能產(chǎn)生電場。

【典例示范】【典例】關(guān)于電磁場理論,下列說法正確的是 ()A.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場,變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場,變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場C.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場D.周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場【解析】選D。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,只有變化的電場能產(chǎn)生磁場,均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,非均勻變化的電場才產(chǎn)生變化的磁場,D正確,A、B、C錯誤。【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.某電路中電場隨時間變化的圖像如下列各圖所示,能發(fā)射電磁波的電場是 ()

【解析】選D。圖A中電場不隨時間變化,不會產(chǎn)生磁場;圖B和圖C中電場都隨時間做均勻的變化,只能在周圍產(chǎn)生恒定的磁場,也不會產(chǎn)生和發(fā)射電磁波;圖D中電場隨時間做不均勻的變化,能在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場,而這磁場的變化也是不均勻的,又能產(chǎn)生變化的電場,從而交織成一個不可分割的統(tǒng)一體,即形成電磁場,能發(fā)射電磁波。2.(多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,以下敘述中正確的是()A.教室中亮著的日光燈周圍空間必有磁場和電場B.工作時的電磁打點計時器周圍必有磁場和電場C.穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場D.只要空間某處的電場或磁場發(fā)生變化,就會在其周圍產(chǎn)生電磁波【解析】選A、B。教室中亮著的日光燈、工作時的電磁打點計時器中的電流是交變電流,在其周圍產(chǎn)生交變磁場和電場,故選項A、B正確;穩(wěn)定的電場不會產(chǎn)生磁場,故選項C錯誤;只有周期性變化的電場和磁場交替產(chǎn)生,才能由發(fā)生區(qū)域向外傳播形成電磁波,選項D錯誤。【加固訓(xùn)練】

如圖所示,帶電的平行板電容器C的兩個極板,在用絕緣工具將兩板間的距離勻速增大的過程中,電容器周圍空間將 ()A.會產(chǎn)生變化的磁場B.會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C.不產(chǎn)生磁場D.會產(chǎn)生周期性振蕩的磁場

【解析】選A。電容器一直與電源相連,極板間的電勢差不變。根據(jù)板間電場強度E=可知,當d增大時,電場強度E減小,由于E與d成反比,隨d的增大,E與d不是線性關(guān)系,所以E的減小是不均勻的,根據(jù)電磁場的理論可知,會產(chǎn)生變化的磁場。故A正確,B、C、D錯誤。知識點二電磁波的應(yīng)用1.無線電波:無線電波用于通信和廣播。如、衛(wèi)星通訊等。2.紅外線:紅外線是一種光波,它的波長比無線電波短,比可見光長。所有物體都發(fā)射紅外線。主要用于加熱、遙測等。3.紫外線:人眼看不到比紫光波長更短的電磁波。主要應(yīng)用:日光燈、殺菌消毒、治療皮膚病等。4.X射線和γ射線:波長比紫外線更短的電磁波就是X射線和γ射線。主要應(yīng)用:探測、治療等。5.雷達的原理及特點:(1)利用電磁波遇到障礙物發(fā)生反射的特性。(2)一般由天線系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置、輸出裝置(顯示器)、電源、用于控制雷達工作和處理信號的計算機以及防干擾設(shè)備等構(gòu)成?！締栴}探究】紅外體溫計不用與人體接觸便可以迅速測量體溫,如圖所示,你知道它的工作原理嗎?提示:根據(jù)體溫越高,輻射紅外線越強的原理。

【典例示范】【典例】為了體現(xiàn)高考的公平、公正,高考時很多地方在考場使用信號屏蔽器,該屏蔽器在工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描,該掃描速度可以在接收報文信號時形成亂碼干擾,不能檢測從基站發(fā)出的正常數(shù)據(jù),使不能與基站建立連接,達到屏蔽信號的目的,表現(xiàn)為搜索網(wǎng)絡(luò)、無信號、無服務(wù)系統(tǒng)等現(xiàn)象。由以上信息可知 ()A.由于信號屏蔽器的作用,考場內(nèi)沒有電磁波了B.電磁波必須在介質(zhì)中才能傳播C.信號屏蔽器工作時基站發(fā)出的電磁波不能傳播到考場內(nèi)D.信號屏蔽器是通過發(fā)射電磁波干擾工作來達到目的的【解析】選D。電磁波在空間的存在,不會因信號屏蔽器而消失,故A錯誤;電磁波可以在真空中傳播,B錯誤;由題意知信號屏蔽器工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描,干擾由基站發(fā)出的電磁波信號,使不能正常工作,故C錯誤,D正確?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.【母題追問】在【典例】的情境中,考場內(nèi)的監(jiān)控攝像頭能否正常使用?提示:能正常使用,監(jiān)控攝像頭的信號是通過網(wǎng)線或者光纖傳輸?shù)摹?.(教材二次開發(fā)·P146【節(jié)練習(xí)】T2變式)請你列舉出裝有屏蔽器的教室內(nèi),哪些儀器不能正常工作?【解析】屏蔽器會干擾無線傳輸,無法正常接收信號,還會干擾教師教學(xué)時話筒與藍牙音箱的連接,教室內(nèi)的WiFi信號也會被干擾。答案:、藍牙音箱、無線路由器?！炯庸逃?xùn)練】在電視信號發(fā)送和接收的過程中,要用到許多電學(xué)部件,將元件名稱和它們在電路中的作用連接起來。攝像機 將聲信號還原后放出話筒 向空中發(fā)射電磁波發(fā)射天線 接收空中的電磁波顯像管 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枔P聲器 將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦邮仗炀€ 將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枴窘馕觥肯鄳?yīng)的連線如下:攝像機 將聲信號還原后放出話筒 向空中發(fā)射電磁波發(fā)射天線 接收空中的電磁波顯像管 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枔P聲器 將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦邮仗炀€ 將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?/p>

答案:見解析【拓展例題】考查內(nèi)容:電磁波的發(fā)射與接收

【典例】圖中A為某火箭發(fā)射場,B為山區(qū),C為城市。發(fā)射場正在進行某型號火箭的發(fā)射試驗。為了傳播火箭發(fā)射的實況,在發(fā)射站建立了發(fā)射臺,用于發(fā)射廣播與電視信號。已知傳輸無線電廣播所用的電磁波波長為550m,而傳輸電視信號所用的電磁波波長為0.566m,為了不讓山區(qū)擋住信號的傳播,使城市居民能收聽和收看火箭發(fā)射的實況,必須通過建在山頂上的轉(zhuǎn)發(fā)站來轉(zhuǎn)發(fā)

(選填“無線電廣播信號”或“電視信號”)。這是因為

。

【解析】從題中知,傳輸無線電廣播所用電磁波波長為550m,容易繞過山坡而傳播到城市所在的C區(qū),因而不需要轉(zhuǎn)發(fā)裝置。電視信號所用的電磁波波長為0.566m,其波長很短,幾乎沿直線傳播,能傳播到山頂卻不能傳播到城市所在的C區(qū),要想使信號傳到C區(qū),必須通過建在山頂?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)站來轉(zhuǎn)發(fā)。答案:電視信號電視信號頻率高,波長短,幾乎沿直線傳播情境·模型·素養(yǎng)【生活情境】蕪湖步行街旁中和路新裝52盞“智慧路燈”,除基本照明外,每盞路燈將安裝WiFi信號發(fā)射、充電接口等設(shè)備。

探究:(1)WiFi信號的本質(zhì)是什么?(2)WiFi信號會不會產(chǎn)生污染?安全嗎?【解析】(1)WiFi信號是頻率較小的電磁波。(2)WiFi信號有一定的污染,在功率比較小的情況下是安全的。答案:見解析【生產(chǎn)情境】珠海國際航展會上,中國展出了先進概念機“殲-31”,標志著中國繼美國之后,成為世界上第二個同時研發(fā)兩款第四代隱形戰(zhàn)機的國家。隱形飛機的原理是在飛機研制過程中設(shè)法降低其可探測性,使之不易被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊。探究:(1)雷達是如何定位飛機的?(2)“殲-31”是如何實現(xiàn)隱形的?

【解析】(1)雷達向外發(fā)射電磁波,當電磁波遇到飛機時就要發(fā)生反射,雷達通過接收反射回來的電磁波,就可以測定飛機的位置。(2)使用吸收雷達電磁波材料,在雷達屏幕上顯示的反射信號很小、很弱,很難被發(fā)現(xiàn)。答案:見解析1.(教材二次開發(fā)·P152【單元自我檢測】T1變式)關(guān)于電磁場和電磁波,下列說法中正確的是 ()A.電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波B.電場和磁場總是相互聯(lián)系著,統(tǒng)稱為電磁場C.電磁波是一種物質(zhì),只能在真空中傳播D.電磁波傳播的速度總是3×108m/s課堂檢測·素養(yǎng)達標【解析】選A。電磁波的傳播不需要介質(zhì),在有介質(zhì)的空間內(nèi)可以傳播,在真空中也可以傳播,故選項C錯誤;在真空中,任何頻率的電磁波的傳播速度跟光速相等,但是在不同的介質(zhì)中,電磁波的傳播速度一般不同,故選項D錯誤;變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的,形成一個不可分離的統(tǒng)一體,這就是電磁場,但是在某一區(qū)域存在獨立的電場和磁場,不能叫電磁場,故選項B錯誤?！炯庸逃?xùn)練】關(guān)于電磁場、電磁波的認識,下列說法正確的是()A.電磁波的傳播需要介質(zhì)B.電磁波傳播的速度是光速C.電磁波傳播的過程中也傳遞了能量D.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場,磁場周圍一定產(chǎn)生電場【解析】選C。周期性變化的電場與磁場相互感應(yīng)產(chǎn)生,并向外傳播,從而形成電磁波,電磁波中含有能量,電磁波的傳播不需要介質(zhì),A錯誤,C正確;電磁波在真空中傳播的速度是光速,故B錯誤;只有變化的電場(磁場)才能產(chǎn)生磁場(電場),D錯誤。

2.科學(xué)家曾經(jīng)設(shè)想通過高聳的天線塔,以無線電波的形式將電能輸送到指定地點,但一直沒有在應(yīng)用層面上獲得成功,其主要原因是這類無線電波 ()A.在傳輸中很多能量被吸收B.在傳播中易受山脈阻隔C.向各個方向傳輸能量D.傳輸能量易造成電磁污染【解析】選C。電磁波可以向各個方向傳播,而電能的輸送需要定向傳播,則C正確,A、B、D錯誤。

3.如圖所示的四種磁場變化情況,能產(chǎn)生圖中電場的是 ()【解析】選B。均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場,故B正確,A、C、D錯誤。4.科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍。電磁波的應(yīng)用也是這樣。它在使人類的生活發(fā)生日新月異變化的同時也存在副作用——電磁污染。頻率超過0.1MHz的電磁波的強度足夠大時就會對人體構(gòu)成威脅。按照有關(guān)規(guī)定,人體所受到的電磁輻射強度(即單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的電磁波的能量)不得超過某一規(guī)定值Ie。如圖所示,已知某無線通信設(shè)備發(fā)射電磁波的功率為P,設(shè)該通信設(shè)備向四面八方均勻地發(fā)射電磁波,且電磁波在傳播過程中無能量損失。由數(shù)學(xué)知識可知,球面的面積S=4πr2(式中r為球半徑),球半徑與球面總是垂直的。

根據(jù)上述資料,可估算出人體到該通信設(shè)備發(fā)射電磁波處的安全距離至少應(yīng)為多少時,人體所受的電磁輻射強度才不會超過規(guī)定值?【解析】設(shè)人到發(fā)射電磁波處的距離為r。以發(fā)射電磁波處為球心,以r為半徑作一球面,若球面上電磁波的輻射強度為Ie。則:4πr2Ie=P,所以,即人離波源的距離至少為才是安全區(qū)。答案:

課時素養(yǎng)評價十九初識電磁波及其應(yīng)用【合格性考試】(15分鐘·30分)一、選擇題(本題共4小題,每題5分,共20分)1.下列關(guān)于電磁波的說法中正確的是 ()A.麥克斯韋電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在B.電磁波可以由均勻變化的磁場產(chǎn)生C.雷達可以利用自身發(fā)射的電磁波的衍射波來對目標進行定位D.隨身攜帶的移動()內(nèi),只有無線電接收裝置,沒有無線電發(fā)射裝置【解析】選A。選項A符合物理史實,電磁波由周期性變化的磁場產(chǎn)生,B錯誤;雷達利用電磁波的反射確定目標位置,C錯誤;內(nèi)有發(fā)射電磁波的裝置,D錯誤?！炯庸逃?xùn)練】有關(guān)電磁場和電磁波,下列說法中正確的是 ()A.赫茲通過實驗證實了電磁波的存在B.變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場C.使用空間波來傳播信息時主要是應(yīng)用無線電波可以繞過地面上的障礙物D.電磁波不能在真空中傳播【解析】選A。赫茲通過實驗證實了電磁波的存在,A正確;均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場,B錯;空間波沿直線傳播,C錯;電磁波可以在真空中傳播,D錯誤。2.無線電技術(shù)中通常根據(jù)波長把無線電波分成表中的幾個波段:波段長波中波短波微波波長/m30000～30003000～200200～1010～0.001【加固訓(xùn)練】新冠肺炎疫情已被我國有效控制。為了戰(zhàn)勝疫情,我們的志愿者在社區(qū)、機場等公共場所不顧個人安危,為行人量體溫、查信息,嚴防死守,確保一方平安。志愿者使用的體溫探檢器通過非接觸的方法感應(yīng)人體的體溫以此來排查新型冠狀病毒肺炎的疑似感染病例。請問這種體溫探檢器是利用了哪種電磁波的特性 ()A.紅外線B.紫外線C.X射線D.γ射線【解析】選A。體溫探檢器的測溫原理是黑體輻射定律,自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停地向外輻射能量,物體向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系,物體的溫度越高,所發(fā)出的紅外輻射能力越強,故A正確,B、C、D錯誤。3.各地接收衛(wèi)星電視訊號的拋物面天線如圖所示,天線頂點和焦點連線(OO′)與水平面間的夾角為仰角α,OO′在水平面上的射影與當?shù)卣戏较虻膴A角為偏角β,接收定位于東經(jīng)105.5°的衛(wèi)星電視信號(如CCTV-5)時,OO′連線應(yīng)指向衛(wèi)星,我國各地接收天線的取向情況是 ()A.有β=0°,α=90°的B.與衛(wèi)星經(jīng)度相同的各地,α隨緯度的增高而減小C.經(jīng)度大于105.5°的各地,天線是朝南偏東的D.在幾十甚至幾百平方千米的范圍內(nèi),天線取向幾乎是相同的(我國自西向東的經(jīng)度約為73°～135°)【解析】選B。我國領(lǐng)土的最南端在北緯4°附近,所以不會出現(xiàn)α=90°