第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步第4節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用

核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)重點物理觀念(1)知道麥克斯韋電磁場理論的主要內(nèi)容。(2)了解電磁波本身是一種特殊物質(zhì)，電磁波能傳遞能量和信息。電磁波的發(fā)現(xiàn)歷史概況，物理理論和實驗的相互配合對科學(xué)發(fā)展的巨大作用；電磁波是一種特殊物質(zhì)，能傳播能量和信息；電磁波譜中各波段的主要特性以及在科技、經(jīng)濟和社會信息化等方面的主要應(yīng)用?？茖W(xué)思維體驗赫茲證明麥克斯韋預(yù)言的電磁波存在的實驗過程及實驗方法，會分析電場與磁場相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。

核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)重點科學(xué)探究探究電磁波在科技、經(jīng)濟、社會發(fā)展中的作用。電磁波的發(fā)現(xiàn)歷史概況，物理理論和實驗的相互配合對科學(xué)發(fā)展的巨大作用；電磁波是一種特殊物質(zhì)，能傳播能量和信息；電磁波譜中各波段的主要特性以及在科技、經(jīng)濟和社會信息化等方面的主要應(yīng)用?？茖W(xué)態(tài)度與責任(1)領(lǐng)會物理理論和實驗的相互配合對科學(xué)發(fā)展的巨大作用。(2)體會電磁技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展帶來的影響。素養(yǎng)能力提升課后知能作業(yè)探究點課堂效果反饋探究點電磁場電磁波●新知導(dǎo)學(xué)情境：(1)如今，電磁波為信息的傳遞插上了翅膀。廣播、電視、移動通信等通信方式，使古代人“順風(fēng)耳、千里眼”的夢想變成了現(xiàn)實。那么，電磁波是如何產(chǎn)生的呢？(2)如圖所示，戰(zhàn)爭中，天上有衛(wèi)星，空中有戰(zhàn)機，地上有戰(zhàn)車，海里有戰(zhàn)艦。你知道是什么把這些戰(zhàn)場要素連成一個有機的整體的嗎？

[提示][提示](1)變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系的，它們形成一個不可分離的統(tǒng)一場，這就是電磁場。它既不是電場也不是磁場，更不是電場和磁場的疊加，而是電場和磁場相互依賴，形成不可分割的整體。(2)是電磁波。戰(zhàn)場各個要素通過電磁波互通有無，傳遞信息，構(gòu)成一個有機的戰(zhàn)場系統(tǒng)。●基礎(chǔ)梳理一、電磁場與電磁波1．麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場①在變化的磁場中放一個閉合的電路，由于穿過電路的__________________，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個現(xiàn)象的實質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了________。②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣要在空間產(chǎn)生________。磁通量發(fā)生變化電場電場(2)變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場也相當于一種電流，也在空間產(chǎn)生________，即________的電場在空間產(chǎn)生磁場。磁場變化2．電磁場：變化的________和變化的________所形成的不可分割的統(tǒng)一體。3.電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生：__________變化的電場和__________變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向周圍傳播，形成電磁波。(2)電磁波的特點①電磁波________在真空中傳播。②電磁波的傳播速度等于________。③光在本質(zhì)上是一種__________。即光是以________形式傳播的一種電磁振動。電場磁場周期性周期性可以光速電磁波波動(3)電磁波的波速①波速、波長、頻率三者之間的關(guān)系：波速＝______________。電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系是c＝________。②電磁波在真空中的傳播速度c＝3×108m/s。波長×頻率λf二、電磁波譜與電磁波的能量1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的________或________大小的順序把它們排列成譜，叫作電磁波譜。(2)各種電磁波按波長由大到小排列順序為：____________________________________、X射線、γ射線。波長頻率

無線電波、紅外線、可見光、紫外線(3)各種電磁波的特性①無線電波：用于________、衛(wèi)星通信、________等信號的傳輸。②紅外線：用于____________等。③可見光：照亮自然界，也可用于________。④紫外線：用于____________。⑤X射線和γ射線：用于診斷病情、摧毀______________。2．電磁波的能量(1)光是一種電磁波，光具有能量。(2)電磁波具有________，電磁波是一種物質(zhì)。廣播電視加熱理療通信滅菌消毒病變的細胞能量●重難解讀一、電磁場1．對變化的磁場產(chǎn)生電場的理解(1)恒定的磁場不產(chǎn)生電場。(2)均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場。(3)不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場。(4)周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場。①變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無關(guān)。②在變化的磁場中所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的，源于變化的磁場；而靜電場中的電場線是不閉合的，源于電荷，由正電荷起到負電荷止。2．變化的電場產(chǎn)生磁場(1)現(xiàn)象及分析：電荷運動時，周圍的小磁針擺動，說明小磁針所在處產(chǎn)生了另一個磁場，使小磁針發(fā)生擺動，這個磁場是由電荷運動在周圍空間產(chǎn)生的變化的電場引起的，如圖所示。(2)假設(shè)：麥克斯韋根據(jù)自然規(guī)律的統(tǒng)一性與和諧性，相信電場與磁場是對稱的，他大膽地假設(shè)：變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場。二、電磁波1．電磁波的產(chǎn)生根據(jù)上述兩個基本論點，麥克斯韋推斷：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么它就在空間引起周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起新的變化的電場。于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播。2．電磁波的特點(1)電磁波是橫波，在真空中傳播時，它的電場強度與磁感應(yīng)強度互相垂直且均與電磁波的傳播方向垂直、如圖所示。(2)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，電磁波在真空中的傳播速度等于光速，即c＝3×108m/s。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度小于在真空中的傳播速度。(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。3．赫茲實驗1886年，赫茲用實驗證明了麥克斯韋預(yù)言的正確性，第一次發(fā)現(xiàn)了電磁波。(1)赫茲的實驗裝置：如圖所示。(2)實驗現(xiàn)象：當感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過了火花。(3)現(xiàn)象分析：當感應(yīng)圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生電火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。這種變化的電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當電磁波到達導(dǎo)線環(huán)時，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花。(4)赫茲的其他成果：赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象，通過測量證明了電磁波在真空中具有與光相同的速度c，證實了麥克斯韋的電磁場理論。三、電磁波譜1．波的相關(guān)知識(1)波峰、波谷：在一列水波中，凸起的最高處叫作波峰；凹下的最低處叫作波谷。(2)波長、頻率、波速：鄰近的兩個波峰(或波谷)的距離叫作波長λ；頻率f是指在1s內(nèi)波峰(或波谷)通過的次數(shù)；水波不停地向遠方傳播，用來描述波傳播快慢的物理量叫作波速v。三者之間的關(guān)系是v＝λf。2．電磁波譜及排列按電磁波的波長或頻率大小的順序把電磁波排列起來，就是電磁波譜。按波長由長到短依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。3．電磁波的能量及電磁波通信(1)電磁波的能量各種各樣的儀器能夠探測到許許多多電磁波，說明電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)。(2)電磁波通信隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和智能手機的出現(xiàn)，負責通話的電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相互滲透、相互兼容，逐步整合成為統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。而這些信息都是通過電磁波來傳遞的。類型一對電磁場的理解典題1：(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，在如圖所示的四種變化電場中，能產(chǎn)生電磁波的是(

)

[思維點撥][思維點撥]均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場。答案：CD解析：根據(jù)麥克斯韋電磁理論可知，周期性變化的電場能產(chǎn)生周期性變化的磁場，從而產(chǎn)生電磁波，根據(jù)圖像可知，C、D所示的變化電場能產(chǎn)生電磁波。故選CD。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法]對變化的電場產(chǎn)生磁場的理解(1)恒定的電場不產(chǎn)生磁場。(2)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場。(3)非均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場。(4)周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率變化的磁場。跟蹤訓(xùn)練1：根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，下列說法正確的是(

)A．磁場周圍一定存在電場B．電場周圍一定存在磁場C．點電荷的電場周圍一定沒有磁場D．變化的磁場周圍不一定存在變化的電場答案：D解析：變化的磁場可以激發(fā)電場，恒定的磁場不會產(chǎn)生電場，故A錯誤；變化的電場可以激發(fā)磁場，恒定的電場不會產(chǎn)生磁場，故B錯誤；運動的電荷可以產(chǎn)生磁場，故C錯誤；變化的磁場周圍不一定存在變化的電場，只有非均勻變化的磁場才能產(chǎn)生變化的電場，故D正確。故選D。類型二電磁波典題2：關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是(

)A．在電場的周圍空間一定產(chǎn)生磁場B．任何變化的電場周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場C．均勻變化的電場周圍空間產(chǎn)生變化的磁場D．周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場

[思維點撥][思維點撥]注意變化二字，只有不斷變化才有不斷激發(fā)。答案：D解析：只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，同樣，只有變化的磁場才能產(chǎn)生電場，故A錯誤；根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，均勻變化的電場周圍只能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，故B錯誤；變化的電場周圍不一定產(chǎn)生變化的磁場，例如均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場，故C錯誤；根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場，故D正確。故選D。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法](1)電場與磁場在空間相交不能稱為電磁場，判斷是否是電磁場的關(guān)鍵是變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，是不可分割的統(tǒng)一體。(2)變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場由近及遠地傳播形成了電磁波。(3)光是一種電磁波，傳播不一定有介質(zhì)。(4)E和B隨時間和空間做周期性(正弦規(guī)律)的變化。跟蹤訓(xùn)練2：關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法中正確的是(

)A．變化的磁場產(chǎn)生電場B．各種頻率的電磁波在真空中以不同的速度傳播C．電磁波依賴于介質(zhì)才能傳播D．光不是電磁波答案：A解析：變化的磁場產(chǎn)生電場，故A正確；各種頻率的電磁波在真空中的速度相同，大小為c，故B錯誤；電磁波可以在真空中傳播，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，故C錯誤；光是一種電磁波，故D錯誤。故選A。類型三電磁波譜典題3：下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(

)A．X射線穿透力較強，可用來進行人體透視B．紫外線能在磁場中偏轉(zhuǎn)，有很強的熒光效應(yīng)，可用于防偽C．麥克斯韋建立了電磁場理論并證實了電磁波的存在D．紅外體溫計是依據(jù)體溫計發(fā)射紅外線來測量體溫的

[思維點撥][思維點撥]按照波長依次變短的順序去理解記憶。答案：A解析：X射線穿透力較強，可用來進行人體透視，故A正確；紫外線有很強的熒光效應(yīng)，可用于防偽，但不帶電，不能在磁場中偏轉(zhuǎn)，故B錯誤；麥克斯韋建立了電磁場理論并預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，故C錯誤；紅外體溫計是依據(jù)探測人體發(fā)射的紅外線來測量體溫的，不是體溫計發(fā)射紅外線，故D錯誤。故選A。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法]

產(chǎn)生的機理特點用途無線電波振蕩電路中電子周期性運動產(chǎn)生波動性強通信、廣播、導(dǎo)航等紅外線原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生熱作用強加熱、遙測、遙感、紅外線制導(dǎo)等可見光感光性強照明、照相等紫外線化學(xué)作用熒光效應(yīng)殺菌消毒、治療皮膚病等

產(chǎn)生的機理特點用途X射線原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生穿透力強檢查、探測、透視、治療等γ射線原子核受激發(fā)后產(chǎn)生穿透力最強探測、治療等跟蹤訓(xùn)練3：有“中國天眼”美譽的FAST是目前世界最大口徑的射電望遠鏡，它是一種用于接收和研究天體發(fā)射的電磁波的特殊裝置。下列說法正確的是(

)A．X射線的波長比紅外線的波長更長B．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)C．醫(yī)院里經(jīng)常利用紅外線能摧毀病變細胞的作用對患者進行治療D．變化的磁場會產(chǎn)生電場，均勻變化的磁場會產(chǎn)生均勻變化的電場答案：B解析：由電磁波譜可知，紅外線的波長比X射線的波長長，A錯誤；電磁波在真空中傳播時的速度為光速c，與電磁波的頻率無關(guān)，B正確；醫(yī)院里經(jīng)常利用γ射線能摧毀病變細胞的作用對患者進行治療，C錯誤；麥克斯韋認為周期性變化的電場在周圍能夠引起周期性變化的磁場，而均勻變化的電場只能激發(fā)恒定的磁場，D錯誤。故選B。素養(yǎng)能力提升拓展整合?啟智培優(yōu)課堂效果反饋內(nèi)化知識?對點驗收1．下列四個選項中的四種磁場變化情況，能產(chǎn)生如圖所示電場的是(

)答案：B解析：由圖可知，產(chǎn)生的電場為穩(wěn)定的電場，由麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的磁場才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電場。故選B。2．關(guān)于電磁波的應(yīng)用，下列說法不正確的是(

)A．雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備B．鐵路，民航等安檢口使用紅外線對行李內(nèi)物品進行檢測C．醫(yī)院里常用紫外線照射對病房和手術(shù)室進行消毒D．γ射線具有很強的穿透本領(lǐng)，可以用來治療某些癌癥答案：B解析：雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備，故A正確；鐵路，民航等安檢口使用X光對行李內(nèi)物品進行檢測，故B錯誤；醫(yī)院里常用紫外線照射對病房和手術(shù)室進行消毒，故C正確；γ射線具有很強的穿透本領(lǐng)，可以用來進行工業(yè)探傷，對細胞具有較強的殺傷能力，可以用來治療某些癌癥，故D正確。3．“中國天眼”位于貴州的大山深處，它通過接收來自宇宙深處的電磁波，探索宇宙。關(guān)于電磁波下列說法正確的是(

)A．電磁波不能在水中傳播B．紅外線的波長比紫外線的長C．用手機通話時沒有利用電磁波D．不同電磁波在真空中傳播速度不同答案：B