4電磁波的發現及應用[學習目標]1.了解麥克斯韋電磁場理論，知道電磁場的概念。2.知道電磁波的特點，掌握電磁波波長、頻率、波速之間的關系(重點)。3.知道電磁波譜中各種電磁波的排列順序，了解各種電磁波的應用，了解電磁波的能量(重點)。一、電磁場1．麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產生電場①在變化的磁場中放入一個閉合電路，由于穿過電路的磁通量發生變化，電路中會產生感應電流。這個現象的實質是變化的磁場在空間產生了電場。②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣會在空間產生電場。(2)變化的電場產生磁場變化的電場就像導線中的電流一樣，會在空間產生磁場，即變化的電場產生磁場。2．電磁場：變化的電場和磁場互相聯系，所形成的不可分割的統一體。例1(多選)下列關于電磁場理論的敘述正確的是()A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關B．周期性變化的磁場產生同頻率變化的電場C．變化的電場和穩定的磁場相互關聯，形成一個統一的場，即電磁場D．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場答案AB解析變化的磁場周圍產生電場，當電場中有閉合回路時，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，A正確；周期性變化的磁場產生的電場一定也是周期性變化的，且頻率相同，B正確；周期性變化的電場和變化的磁場相互關聯，形成電磁場，C錯誤；只有變化的電場才能產生磁場，只有變化的磁場才能產生電場，D錯誤。對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的磁場不產生電場恒定的電場不產生磁場均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產生變化的電場不均勻變化的電場在周圍空間產生變化的磁場周期性變化的磁場在周圍空間產生同頻率的周期性變化的電場周期性變化的電場在周圍空間產生同頻率的周期性變化的磁場二、電磁波1．(1)麥克斯韋的偉大預言：周期性變化的電場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，這樣變化的電場和變化的磁場交替產生，由近及遠地向周圍傳播，形成電磁波。(2)電磁波可以在真空中傳播，因為電磁波的傳播靠的是電場和磁場的相互“激發”，不需要傳播介質。說明：電磁波傳播雖然不需要介質，但它也可以在其他介質如光纖中傳播，且速度都比在真空中的小。(3)光的電磁理論：光是以波動形式傳播的一種電磁振動，電磁波在真空中的傳播速度等于光速，即c＝3×108m/s。(4)赫茲的貢獻：1886年，德國科學家赫茲通過實驗捕捉到了電磁波，證實了麥克斯韋的電磁場理論。(5)電磁場中儲存著能量，電磁波的發射過程就是輻射電磁能的過程。2．波長、頻率與波速之間的關系(1)波速＝波長×頻率，即c＝λf。(2)頻率由波源決定，與介質無關，而波長、波速的大小與介質有關，所以同一電磁波在不同介質中傳播時，頻率不變，波速、波長發生改變。(3)不同頻率的電磁波在同一介質中傳播時，傳播速度不同。(1)麥克斯韋首先預言了電磁波的存在，赫茲最先用實驗證實了電磁波的存在。(√)(2)電磁波依賴于介質才能傳播。(×)例2(2023·山東省鄄城一中高二期末)交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成，紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示，紅燈發出的紅光頻率為5×1014Hz，從12m外的交通信號燈傳到你的眼睛，需要時間為t，這個距離為波長的n倍，光速c＝3×108m/s，則()A．t＝4×10－8s，n＝4×107B．t＝4×10－8s，n＝2×107C．t＝8×10－8s，n＝4×107D．t＝8×10－8s，n＝2×107答案B解析該紅光的波長為λ＝eq\f(c,f)＝6.0×10－7m，傳到眼睛需要的時間為t＝eq\f(x,c)＝4×10－8s，在這個距離中的波長倍數為n＝eq\f(x,λ)＝2×107，故選B。三、電磁波譜1．電磁波譜(1)概念：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜。(2)各種電磁波按波長由大到小排列順序為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。2．不同電磁波的特性和用途種類波長范圍特性應用無線電波大于1mm波動能力強通信、廣播、射電望遠鏡紅外線760～106nm熱作用強烘干、紅外遙感、測溫、夜視儀可見光400～760nm感光性強照明、照相紫外線10～400nm化學作用、熒光作用消毒、熒光效應、促使人體合成維生素DX射線0.001～10nm較強的穿透能力透視人體、檢查金屬零件的質量γ射線小于10－3nm穿透能力最強醫學上的γ刀技術、探測金屬內部的缺陷(1)過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康。(×)(2)電磁波頻率最大的是γ射線，醫學上常用它進行人體透視檢查。(×)(3)紫外線和X射線都可以使感光底片感光。(√)例3某廣播電臺發射“中波”段某套節目的訊號，家用微波爐中的微波，VCD機中的激光(可見光)，人體透視用的X光，都是電磁波，它們的頻率分別為f1、f2、f3、f4，則()A．f1＞f2＞f3＞f4 B．f1＜f2＜f3＜f4C．f1＜f3＜f2＜f4 D．f1＞f3＞f2＞f4答案B解析由電磁波譜排列知廣播電臺發射的“中波”段某套節目的訊號頻率最低，其次是家用微波爐中的微波，頻率較高的是VCD機中的激光(可見光)，頻率最高的是人體透視用的X光，即f1＜f2＜f3＜f4，B正確。例4關于電磁波譜及對一些應用的解釋，下列說法中不正確的是()A．X射線對生命物質有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變B．紫外驗鈔機是利用紫外線的化學作用C．紅外遙感技術利用了一切物體都在不停地輻射紅外線的特點D．γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高答案B解析X射線具有較強的穿透能力，對生命物質有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變，故A正確；紫外驗鈔機是利用紫外線的熒光效應，故B錯誤；紅外遙感技術利用了一切物體都不停地輻射紅外線的現象，從而通過接收到的紅外線來感知物體，故C正確；γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高，故D正確。四、電磁波的能量電磁波通信1．電磁波的能量(1)電磁波是物質存在的一種特殊形式電磁波和我們學過的電場、磁場一樣，是一種特殊的物質，不是由分子、原子所組成的，與通常的實物不同，但它是客觀存在的。(2)電磁波具有能量從場的觀點來看，電場具有電場能，磁場具有磁場能，電磁場具有電磁能，電磁波發射的過程就是輻射能量的過程，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播。2．電磁波通信(1)傳播途徑電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以無線傳播。有線傳播利用金屬導線、光纖等有形媒介傳送信息，如臺式電腦、電話等。無線傳播僅利用電磁波而不通過線纜傳遞信息，如收音機、手機、GPS、無線鼠標等。(2)傳輸特點電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大，由于光的頻率比無線電波的頻率高得多，因此光纜可以傳遞大量的信息。例5(2023·江西省銅鼓中學高二階段測試)5G，即第五代移動通信技術，采用3300～5000MHz頻段，相比于現有的4G(即第四代移動通信技術，1880～2635MHz頻段)技術而言，具有極大的帶寬、極大的容量和極低的時延。5G信號與4G信號相比，下列說法正確的是()A．5G信號比4G信號在真空中的傳播速度更快B．5G信號比4G信號更容易被障礙物阻擋C．5G信號比4G信號需要更少的通信基站D．5G信號比4G信號更適合長距離傳輸答案B解析5G信號和4G信號都是電磁波，在真空中傳播速度等于光速，A錯誤；根據λ＝eq\f(c,f)，可知5G信號頻率更高，波長更短，即5G信號比4G信號更容易被障礙物阻擋，需要建設更密集的基站，不適合長距離傳輸，B正確，C、D錯誤。課時對點練[分值：60分]1～8題每題4分，共32分考點一電磁場1．(多選)在電磁學發展的過程中，許多科學家做出了貢獻，下列說法正確的是()A．奧斯特發現了電流的磁效應B．法拉第發現了電磁感應現象C．麥克斯韋預言了電磁波的存在，楞次用實驗證實了電磁波的存在D．庫侖發現了點電荷間的相互作用規律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數值答案ABD解析奧斯特發現了電流的磁效應，法拉第發現了電磁感應現象，A、B正確；麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，C錯誤；庫侖發現了點電荷間的相互作用規律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數值，D正確。2．關于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．穩定的電場產生穩定的磁場，穩定的磁場產生穩定的電場B．非均勻變化的電場產生的磁場一定是均勻變化的C．均勻變化的磁場一定產生變化的電場D．均勻變化的電場一定產生穩定的磁場答案D解析穩定的電場不能產生磁場，穩定的磁場不能產生電場，均勻變化的電場產生穩定的磁場，均勻變化的磁場產生穩定的電場，非均勻變化的電場產生非均勻變化的磁場，故D正確。3．下列四個選項中的四種磁場變化情況，能產生如圖所示電場的是()答案B解析由題圖可知，產生的電場為穩定的電場，由麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的磁場才能產生穩定的電場，故選B。考點二電磁波及電磁波譜4．(多選)關于電磁場和電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波由真空進入介質中，頻率不變B．周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產生，由近及遠地傳播，形成電磁波C．電磁波是一種物質，只能在真空中傳播D．電磁波在任何介質中的傳播速度都是3×108m/s答案AB解析頻率由波源決定，與介質無關，故電磁波由真空進入介質中，頻率不變，A正確；周期性變化的電場產生周期性變化的磁場，由近及遠地傳播，形成電磁波，B正確；電磁波是一種物質，可以不依賴介質傳播，電磁波在真空中的傳播速度是3×108m/s，在不同介質中傳播速度不一樣，C、D錯誤。5．(多選)(2024·惠州市調研)使用藍牙耳機接聽手機來電，信號傳輸示意如圖所示，以下說法正確的是()A．藍牙通信的電磁波是可見光B．藍牙通信的電磁波波長比手機通信的電磁波波長短C．兩種電磁波都能在真空中傳播D．藍牙通信的電磁波波速小于光速答案BC解析藍牙通信的電磁波是無線電波，不是可見光，故A錯誤；在真空中傳播時，藍牙通信與手機通信的電磁波傳播速度相等，但藍牙通信的電磁波頻率高于手機通信的電磁波頻率，所以藍牙通信的波長比手機通信的電磁波波長短，故B正確；一切電磁波都能在真空中傳播，且傳播速度等于光速，故C正確，D錯誤。6．(2023·常州市高二月考)關于電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波跟聲波一樣，只能在介質中傳播B．電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量C．遙控器發出的紅外線的頻率比醫院CT中的X射線的頻率高D．各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度不同答案B解析電磁波可以在真空中傳播，故A錯誤；電磁波可以傳遞信息，也可以傳播能量，故B正確；根據電磁波譜可知，遙控器發出的紅外線的頻率比醫院CT中的X射線的頻率低，故C錯誤；各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度都等于真空中的光速，故D錯誤。7．(2024·沈陽市高二學業考試)英國物理學家麥克斯韋推算出一個出人意料的答案：電磁波的速度等于光速！電磁波在空氣中的傳播速度近似等于3×108m/s，某無線電波的頻率是0.998×108Hz，該電磁波在空氣中的波長約為()A．1.52m B．3.01mC．2.56m D．1.09m答案B解析由c＝λf，代入已知數據，解得λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,0.998×108)m≈3.01m，故選B。8．(多選)下列關于電磁波的說法正確的是()A．紅外線、X射線、γ射線中紅外線的波長最短B．銀行的驗鈔機和家用電器的遙控器發出的光都是紫外線C．微波可用于廣播及其他信號的傳播D．X射線可以用于診斷病情，γ射線可以摧毀病變的細胞答案CD解析紅外線、X射線、γ射線中紅外線的頻率最低，波長最長，選項A錯誤；銀行的驗鈔機發出的光是紫外線，家用電器的遙控器發出的光是紅外線，選項B錯誤；微波不但能加熱物體，而且能傳播信息，故可以用于通信、廣播及其他信號傳輸，故C正確；X射線有很高的穿透本領，常用于醫學上透視人體，γ射線有極強的穿透本領和很高的能量，可以摧毀病變的細胞，故D正確。9、10題每題8分，共16分9．(多選)目前雷達發射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內。下列關于雷達和電磁波的說法正確的是()A．真空中上述雷達發射的電磁波的傳播速度為3×108m/sB．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產生的C．測出從發射電磁波到接收到反射波的時間間隔可以確定雷達和目標的距離D．雷達使用的是無線電波的微波波段答案ACD解析真空中電磁波的傳播速度為3×108m/s，A正確；電磁波是由周期性變化的電場和磁場產生的，B錯誤；由雷達的工作原理可知，C正確；雷達使用的是無線電波的微波波段，D正確。10．(2024·武漢市高二期末)有四種磁場，其磁感應強度B隨時間t變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是()A．這四種磁場都能產生電場B．除了圖甲中的磁場，其他三種磁場都可以產生電場C．只有圖丙中的磁場可以產生電磁波D．除了圖甲中的磁場，其他三種磁場都可以產生電磁波答案B解析根據麥克斯韋的電磁場理論，變化的磁場產生電場，故題圖乙、丙、丁中的磁場都可以產生電場，A錯誤，B正確；均勻變化的磁場產生恒定的電場，周期性變化的磁場產生周期性變化的電場，從而產生電磁波，故題圖丙、丁中的磁場可以產生電磁波，C、D錯誤。11．(12分)若你用通過靜止衛星轉發的無線電話與朋友通話，則在你講話后，至少要等多長時間才能聽到對方的回話？(