第2節(jié)電磁場和電磁波eq\a\vs4\al(對應(yīng)學(xué)生用書,P40)麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設(shè)[自讀教材·抓基礎(chǔ)]1．變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場(1)麥克斯韋認(rèn)為，磁場隨時間變化快，產(chǎn)生的電場強(qiáng)；磁場隨時間的變化不均勻時，產(chǎn)生變化的電場；穩(wěn)定的磁場周圍不產(chǎn)生電場。(2)電場可由兩種方式產(chǎn)生：①由電荷產(chǎn)生；②由變化的磁場產(chǎn)生。2．變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場麥克斯韋認(rèn)為，若電場隨時間變化快，則產(chǎn)生的磁場強(qiáng)；若電場隨時間的變化不均勻，則會產(chǎn)生變化的磁場。穩(wěn)定的電場周圍不產(chǎn)生磁場。[跟隨名師·解疑難]1．對麥克斯韋電磁場理論的認(rèn)識變化的磁場產(chǎn)生電場：如圖3－2－1所示，麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)。導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在。圖3－2－1(2)變化的電場產(chǎn)生磁場：如圖3－2－2所示，根據(jù)麥克斯韋理論，在LC振蕩電路中，當(dāng)電容器充、放電的時候，不僅導(dǎo)線中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產(chǎn)生磁場。圖3－2－22．對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論判斷如圖3－2－3所示的表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中(每個選項中的上圖是表示變化的場，下圖是表示變化的場產(chǎn)生的另外的場)，正確的是()圖3－2－3解析：選BCA圖中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知，其周圍空間不會產(chǎn)生電場，A圖中的下圖是錯誤的；B圖中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B圖正確；C圖中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差eq\f(π,2)，C圖是正確的；D圖的上圖是振蕩的電場，在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁場，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π，故錯誤。所以只有B、C兩圖正確。電磁場和電磁波[自讀教材·抓基礎(chǔ)]1．電磁場變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，形成不可分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。2．電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場是由近及遠(yuǎn)地傳播的，這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。(2)電磁波的特點(diǎn)：①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不需要介質(zhì)；②電磁波的波長、頻率、波速的關(guān)系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108m/s。(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。3．赫茲實(shí)驗(1)赫茲實(shí)驗原理圖(如圖3－2－4)：圖3－2－4(2)實(shí)驗現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)線圈兩個銅球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩銅球間也有火花產(chǎn)生。(3)現(xiàn)象分析：火花在A、B間來回跳動時，在周圍空間建立了一個迅速變化的電磁場，這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波經(jīng)過接收線圈時，導(dǎo)致接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使接收線圈兩球間隙處產(chǎn)生電壓，當(dāng)電壓足夠高時，兩球之間就會產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。(4)實(shí)驗結(jié)論：赫茲實(shí)驗證實(shí)了電磁波的存在。(5)實(shí)驗意義：證明了麥克斯韋的預(yù)言，為麥克斯韋的電磁場理論奠定了堅實(shí)的實(shí)驗基礎(chǔ)。4．麥克斯韋理論在物理發(fā)展史上的意義麥克斯韋電磁場理論把電磁學(xué)發(fā)展成為完整的、優(yōu)美的理論體系，統(tǒng)一了人們對電磁和光現(xiàn)象的認(rèn)識，為電和磁的利用開辟了理論前景，為深入研究物質(zhì)的電磁結(jié)構(gòu)及客觀性提供理論基礎(chǔ)。[跟隨名師·解疑難]1．對電磁場的理解(1)電磁場的產(chǎn)生：如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場，那么這個變化的電場在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場……于是，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。(2)電場、磁場的變化關(guān)系可用下面的框圖表示：2．電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系：c＝λf，λ＝eq\f(c,f)同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變(頻率由波源決定)，波速、波長發(fā)生改變。在介質(zhì)中的速度都比真空中的速度小。不同電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大。3．電磁波與機(jī)械波的比較電磁波機(jī)械波研究對象電磁現(xiàn)象力學(xué)現(xiàn)象周期性電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化位移隨時間和空間做周期性變化傳播情況傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā)由(波源)質(zhì)點(diǎn)的振動產(chǎn)生是否橫波是可以是是否縱波否可以是干涉現(xiàn)象滿足干涉條件時均能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)(上海高考)電磁波與機(jī)械波具有的共同性質(zhì)是()A．都是橫波 B．都能傳輸能量C．都能在真空中傳播 D．都具有恒定的波速解析：選B電磁波是橫波，但機(jī)械波有橫波也有縱波，A錯誤；機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，兩者在不同介質(zhì)中波速不同，C、D錯誤；電磁波與機(jī)械波具有的共同性質(zhì)是都能傳輸能量，B正確。eq\a\vs4\al(對應(yīng)學(xué)生用書,P42)對電磁理論的理解[典題例析]1．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[思路點(diǎn)撥]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(diǎn)也不相同。解析：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。答案：D[探規(guī)尋律](1)麥克斯韋電磁理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場，而產(chǎn)生的電場或磁場如何變化，與原磁場或電場的變化規(guī)律有關(guān)。(2)洛倫茲力對運(yùn)動電荷永不做功，但變化的磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場可以對運(yùn)動電荷做功。[跟蹤演練]如圖3－2－5所示，有一水平放置、內(nèi)壁光滑、絕緣的真空圓形管，其半徑為R，有一帶正電的粒子靜止在管內(nèi)，整個裝置處于豎直向上的磁場中。要使帶電粒子能沿管做圓周運(yùn)動，所加的磁場可能是()圖3－2－5A．勻強(qiáng)磁場B．均勻增加的磁場C．均勻減小的磁場D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場都不能使帶電粒子沿管運(yùn)動解析：選BC磁場對靜止的電荷不產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)磁場變化時可產(chǎn)生電場，電場對帶電粒子產(chǎn)生電場力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產(chǎn)生加速度。電磁波與機(jī)械波的比較[典題例析]2．關(guān)于電磁波與聲波的說法，下列正確的是()A．電磁波是電磁場由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，聲波是聲源的振動向遠(yuǎn)處傳播B．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播有時也不需要介質(zhì)C．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的傳播速度變小，聲波傳播速度變大D．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的波長不變，聲波的波長變小[思路點(diǎn)撥]解答本題時應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：(1)電磁波本身是一種物質(zhì)，機(jī)械波只是一種振動形式在介質(zhì)中的傳播；(2)電磁波在真空中的傳播速度最大，機(jī)械波在固體、液體、氣體中的傳播速度逐漸減小，但傳播過程中它們的頻率都不變。解析：由電磁波和聲波的概念可知A正確。因為電磁波可以在真空中傳播，而聲波屬于機(jī)械波，它的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，故B錯。電磁波在空氣中的傳播速度大于在水中的傳播速度，在真空中的傳播速度最大；聲波在氣體、液體、固體中的傳播速度依次增大，故C正確。無論是電磁波還是聲波，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)頻率都不變，所以由波長λ＝eq\f(v,f)及它們在不同介質(zhì)中的速度可知，由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的波長變短，聲波的波長變長，故D錯。答案：AC[跟蹤演練]電磁波與機(jī)械波相比較()A．電磁波傳播不需介質(zhì)，機(jī)械波需要介質(zhì)B．電磁波在任何介質(zhì)中傳播速率都相同，機(jī)械波在同一介質(zhì)中傳播速度相同C．電磁波和機(jī)械波都不能產(chǎn)生干涉D．電磁波和機(jī)械波都能產(chǎn)生衍射解析：選AD電磁波的傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，所有電磁波的傳播速度只有在真空中才相同，但在其他某種介質(zhì)如玻璃中則不同，而不同的機(jī)械波即使在同種介質(zhì)中傳播，速度一般也不一樣。電磁波和機(jī)械波有波的特性，故能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，故A、D項正確。eq\a\vs4\al(對應(yīng)學(xué)生用書,P43)[課堂雙基落實(shí)]1．關(guān)于麥克斯韋的電磁場理論及其成就，下列說法正確的是()A．變化的電場可以產(chǎn)生磁場B．變化的磁場可以產(chǎn)生電場C．證實(shí)了電磁波的存在D．預(yù)見了真空中電磁波的傳播速度大于光速解析：選AB選項A和B是電磁場理論的兩大支柱，所以A和B正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最早證實(shí)了電磁波的存在，C錯誤；麥克斯韋預(yù)見了真空中電磁波的傳播速度等于光速，D錯誤。2．某電路中電場隨時間變化的圖像如圖3－2－6所示，能發(fā)射電磁波的電場是()圖3－2－6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C中電場都隨時間均勻變化，只能在周圍產(chǎn)生穩(wěn)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，才能發(fā)射電磁波。3．以下關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說法中，正確的是()A．機(jī)械波與電磁波本質(zhì)上是一致的B．機(jī)械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速，不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān)C．機(jī)械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象解析：選BCD機(jī)械波由振動產(chǎn)生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生，機(jī)械波是能量波，傳播需要介質(zhì)，速度由介質(zhì)決定；電磁波是物質(zhì)波，傳播不需要介質(zhì)，波速由介質(zhì)和本身頻率共同決定，機(jī)械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，故選項B、C、D正確。4．如圖3－2－7所示是某一固定面積的磁通量的變化圖線，它在周圍空間某一點(diǎn)激發(fā)的電場的場強(qiáng)E應(yīng)是()圖3－2－7A．逐漸增強(qiáng) B．逐漸減弱C．不變 D．無法確定解析：選C由題圖知，磁通量均勻變化，而面積一定，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻變化，故在其周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，故C正確。[課下綜合檢測]1．最先提出經(jīng)典電磁場理論的科學(xué)家和最早捕捉到電磁波的科學(xué)家分別是()A．法拉第安培 B．麥克斯韋法拉第C．奧斯特赫茲 D．麥克斯韋赫茲解析：選D最先提出經(jīng)典電磁場理論的科學(xué)家是麥克斯韋，最早捕捉到電磁波的科學(xué)家是赫茲。因此選D。2．關(guān)于電磁波在真空中的傳播速度，以下說法正確的是()A．頻率越高，傳播速度越大B．波長越長，傳播速度越大C．電磁波的能量越大，傳播速度越大D．頻率、波長、強(qiáng)弱都不影響電磁波的傳播速度解析：選D所有電磁波，無論波長、頻率如何，在真空中傳播速度都等于光速。3．關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是()A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3×108m/sC．電磁波由真空進(jìn)入某種介質(zhì)傳播時，波長將變長D．電磁波只能在真空中傳播解析：選A電磁波是交替變化的電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播，在真空中的傳播速度是3×108m/s。在其他介質(zhì)中的傳播速度小于3×108m/s。電磁波在傳播的過程中，頻率f不變，由v＝λf可知傳播速度變小時，波長變短，故B、C、D均不對。4．以下電場能產(chǎn)生變化的磁場的是()A．E＝10V/mB．E＝5sin(4t＋1)V/mC．E＝(3t＋2)V/mD．E＝(4t2－2t)V/m解析：選BD5．如圖1所示是一水平放置的絕緣環(huán)形管，管內(nèi)壁光滑，內(nèi)有一直徑略小于管內(nèi)徑的帶正電的小球，開始時小球靜止。有一變化的磁場豎直向下穿過管所在的平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間成正比例增大，設(shè)小球的帶電量不變，則()圖1A．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿順時針方向運(yùn)動B．順著磁場方向看，小球受逆時針方向的力，沿逆時針方向運(yùn)動C．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿逆時針方向運(yùn)動D．小球不受力，不運(yùn)動解析：選B因為絕緣環(huán)形管面內(nèi)有均勻增大的磁場，在其周圍會產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶電小球做功。由楞次定律判斷電場方向為逆時針方向。在電場力作用下，帶正電小球沿逆時針方向運(yùn)動，故B正確。6．如圖2所示，閉合開關(guān)S，待電容器充電完畢后，再斷開開關(guān)S，用絕緣工具使電容器兩極板之間稍稍拉開一定的距離，則在電容器周圍空間()圖2A．會產(chǎn)生變化的磁場 B．會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C．不會產(chǎn)生磁場 D．會產(chǎn)生振蕩的磁場解析：選C平行板電容器接入直流電源后，兩極板間的電壓等于電源的電動勢，斷開電源后，電容器帶電荷量將保持不變，由電容的定義式和平行板電容器的公式可得，兩極板間的電場E＝eq\f(U,d)＝eq\f(Q,Cd)＝eq\f(4πkQ,εS)，當(dāng)用絕緣工具將兩極板間距離稍稍拉開一些時，電容器兩板間的電場不發(fā)生變化，所以不會產(chǎn)生磁場，故C選項正確。7．電磁波由真空中進(jìn)入介質(zhì)中時，其波速變?yōu)樵瓉淼囊话?，則波長將變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮拷馕觯弘姶挪ㄓ烧婵者M(jìn)入介質(zhì)中時，周期不變。由λ＝vT可知，eq\f(λ,λ0)＝eq\f(v,v0)＝eq\f(1,2)即λ＝eq\f(1,2)λ0＝0