3-4教學案：第三章 第2節(jié) 電磁場和電磁波

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1、專注理科思維訓練 微信公眾號：大悟理 第2節(jié)電磁場和電磁波 1.變化的電場產生磁場，均勻變化的電場產生恒定的磁場，周期性振蕩變化的電場產生同頻率周期性振蕩變化的磁場。 2．變化的磁場產生電場，均勻變化的磁場產生恒定的電場，周期性振蕩變化的磁場產生同頻率周期性振蕩變化的電場。 3．變化的電場和磁場交替產生形成的電磁場在空間傳播形成電磁波，電磁波為橫波，可以在真空中傳播，波速為c＝3.0×108 m/s。 4．麥克斯韋預言了電磁波的存在，而赫茲用實驗證實了電磁波的存在。 麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設 [自讀教材·抓

2、基礎] 1．變化的磁場能夠在周圍空間產生電場 (1)麥克斯韋認為，磁場隨時間變化快，產生的電場強；磁場隨時間的變化不均勻時，產生變化的電場；穩(wěn)定的磁場周圍不產生電場。 (2)電場可由兩種方式產生：①由電荷產生；②由變化的磁場產生。 2．變化的電場能夠在周圍空間產生磁場 麥克斯韋認為，若電場隨時間變化快，則產生的磁場強；若電場隨時間的變化不均勻，則會產生變化的磁場。穩(wěn)定的電場周圍不產生磁場。 [跟隨名師·解疑難] 1．對麥克斯韋電磁場理論的認識 變化的磁場產生電場： 如圖3－2－1所示，麥克斯韋認為在變化的磁場周圍產生電場，是一種普遍存在的現象，跟閉合電路(導體環(huán))是否存在

3、無關。導體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在。 圖3－2－1 (2)變化的電場產生磁場： 如圖3－2－2所示，根據麥克斯韋理論，在LC振蕩電路中，當電容器充、放電的時候，不僅導線中的電流要產生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產生磁場。 圖3－2－2 2．對麥克斯韋電磁場理論的理解 恒定的電場不產生磁場 恒定的磁場不產生電場 均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場 不均勻變化的電場在周圍空間產生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產生變化的電場 振蕩電場產生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產生同頻率的振蕩電場

4、[學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 應用麥克斯韋的電磁場理論判斷如圖3－2－3所示的表示電場產生磁場(或磁場產生電場)的關系圖像中(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生的另外的場)，正確的是 (　　) 圖3－2－3 解析：選BC　A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，應該產生穩(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，它能產生同頻率的振蕩電場，且相位相差，C圖是正確的；D圖的上圖是振蕩的電場，在其周圍空間產生振蕩的磁

5、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] 1．電磁場 變化的電場和變化的磁場交替產生，形成不可分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。 2．電磁波 (1)電磁波的產生：變化的電場和磁場交替產生而形成的電磁場是由近及遠地傳播的，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：①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不需要介質；②電磁波的波長、頻率、波速的關系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108 m/s。 (3)電磁波能產生反射、折射、干涉和衍射等現象。 3．赫茲實驗 (1)赫茲實驗

6、原理圖(如圖3－2－4)： 圖3－2－4 (2)實驗現象：當感應線圈兩個銅球間有火花跳過時，導線環(huán)兩銅球間也有火花產生。 (3)現象分析：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。當電磁波經過接收線圈時，導致接收線圈產生感應電動勢，使接收線圈兩球間隙處產生電壓，當電壓足夠高時，兩球之間就會產生火花放電現象。 (4)實驗結論：赫茲實驗證實了電磁波的存在。 (5)實驗意義：證明了麥克斯韋的預言，為麥克斯韋的電磁場理論奠定了堅實的實驗基礎。 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發(fā)展成為完整的、優(yōu)美

7、的理論體系，統(tǒng)一了人們對電磁和光現象的認識，為電和磁的利用開辟了理論前景，為深入研究物質的電磁結構及客觀性提供理論基礎。 [跟隨名師·解疑難] 1．對電磁場的理解 (1)電磁場的產生：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生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產生新的周期性變化的電場……于是，變化的電場和磁場交替產生，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。 (2)電場、磁場的變化關系可用下面的框圖表示： 2．電磁波的波速、波長與頻率的關系：c＝λf，λ＝ 同一種電磁波在不同介質中傳播時，頻率不變(頻率由波源決定)，波速、波長發(fā)生改

8、變。在介質中的速度都比真空中的速度小。不同電磁波在同一種介質中傳播時，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大。 3．電磁波與機械波的比較 電磁波 機械波 研究對象 電磁現象 力學現象 周期性 電場強度E和磁感應強度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，在真空中波速總等于光速c，在介質中傳播時，波速與介質及頻率都有關 傳播需要介質，波速與介質有關，與頻率無關 產生機理 由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā) 由(波源)質點的振動產生 是否橫波 是 可以是 是否縱波 否 可以是 干涉現象 滿足干涉條

9、件時均能產生干涉現象 衍射現象 滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射 [學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) (上海高考)電磁波與機械波具有的共同性質是(　　) 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，但機械波有橫波也有縱波，A錯誤；機械波的傳播需要介質，兩者在不同介質中波速不同，C、D錯誤；電磁波與機械波具有的共同性質是都能傳輸能量，B正確。 對電磁理論的理解 [典題例析] 1．關于電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．在電場周圍一定產生磁場，變化

10、的磁場周圍一定產生電場 B．在變化的電場周圍一定產生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產生變化的電場 C．均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場 D．周期性變化的電場周圍一定產生周期性變化的磁場 [思路點撥]　要注意電場或磁場是如何變化的，變化規(guī)律不同，產生的場的特點也不相同。 解析：根據麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場能產生磁場，均勻變化的電場產生穩(wěn)定的磁場，非均勻變化的電場才產生變化的磁場。 答案：D [探規(guī)尋律] (1)麥克斯韋電磁理論的兩大支柱：變化的磁場產生電場；變化的電場產生磁場，而產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。 (2)洛倫茲力對運動電荷

11、永不做功，但變化的磁場產生的感應電場可以對運動電荷做功。 　 [跟蹤演練] 如圖3－2－5所示，有一水平放置、內壁光滑、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，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動，所加的磁場可能是(　　) 圖3－2－5 A．勻強磁場 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動 解析：選BC　磁場對靜止的電荷不產生力的作用，但當磁場變化時可產生電場，電場對帶電粒子產生電場力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產生加速度。 電磁波與機械波的比較

12、 [典題例析] 2．關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)域向遠處傳播，聲波是聲源的振動向遠處傳播 B．電磁波的傳播不需要介質，聲波的傳播有時也不需要介質 C．由空氣進入水中傳播時， 電磁波的傳播速度變小，聲波傳播速度變大 D．由空氣進入水中傳播時，電磁波的波長不變，聲波的波長變小 [思路點撥]　解答本題時應注意以下兩點： (1)電磁波本身是一種物質，機械波只是一種振動形式在介質中的傳播； (2)電磁波在真空中的傳播速度最大，機械波在固體、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

13、可知A正確。因為電磁波可以在真空中傳播，而聲波屬于機械波，它的傳播需要介質，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，從一種介質進入另一種介質頻率都不變，所以由波長λ＝及它們在不同介質中的速度可知，由空氣進入水中時，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] 電磁波與機械波相比較(　　) A．電磁波傳播不需介質，機械波需要介質 B．電磁波在任何介質中傳播速率都相同，機械波在同一介質中傳播速度相同 C．電磁波和機械波都不能產

14、生干涉 D．電磁波和機械波都能產生衍射 解析：選AD　電磁波的傳播不需要介質，而機械波的傳播需要介質，所有電磁波的傳播速度只有在真空中才相同，但在其他某種介質如玻璃中則不同，而不同的機械波即使在同種介質中傳播，速度一般也不一樣。電磁波和機械波有波的特性，故能發(fā)生干涉和衍射現象，故A、D項正確。 [課堂雙基落實] 1．關于麥克斯韋的電磁場理論及其成就，下列說法正確的是(　　) A．變化的電場可以產生磁場 B．變化的磁場可以產生電場 C．證實了電磁波的存在 D．預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

15、和B正確；麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲最早證實了電磁波的存在，C錯誤；麥克斯韋預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，不會產生磁場。圖B和C中電場都隨時間均勻變化，只能在周圍產生穩(wěn)定的磁場，也不會產生和發(fā)射電磁波。圖D中電場隨時間做不均勻的變化，能在周圍空間產生變化的磁場。而磁場的變化也是不均勻的，又能產生變化的電場，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．以下關于機械波與電磁波的說法中，正確的是(　　) A．

16、機械波與電磁波本質上是一致的 B．機械波的波速只與介質有關，而電磁波在介質中的波速，不僅與介質有關，而且與電磁波的頻率有關 C．機械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波 D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現象 解析：選BCD　機械波由振動產生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產生，機械波是能量波，傳播需要介質，速度由介質決定；電磁波是物質波，傳播不需要介質，波速由介質和本身頻率共同決定，機械波有橫波，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激發(fā)的電場的場強E應是(　　) 圖3－2－7 A

17、．逐漸增強　　　　　　 　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，故磁感應強度B均勻變化，故在其周圍產生穩(wěn)定的電場，故C正確。 [課下綜合檢測] 1．最先提出經典電磁場理論的科學家和最早捕捉到電磁波的科學家分別是(　　) 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　最先提出經典電磁場理論的科學家是麥克斯韋，最早捕捉到電磁波的科學家是赫茲。因此選D。 2．關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

18、度越大 C．電磁波的能量越大，傳播速度越大 D．頻率、波長、強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)域向遠處的傳播 B．電磁波在任何介質中的傳播速度均為3×108 m/s C．電磁波由真空進入某種介質傳播時，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)域向遠處的傳播，在真空中的傳播速度是3×108 m/s。在其他介質中的傳播速度小于3×108 m/s。電磁波在傳播的過程中，頻率f不變，由v＝λf可知傳播速

19、度變小時，波長變短，故B、C、D均不對。 4．以下電場能產生變化的磁場的是(　　) A．E＝10 V/m B．E＝5sin(4t＋1) V/m C．E＝(3t＋2) V/m D．E＝(4t2－2t) V/m 解析：選BD 5．如圖1所示是一水平放置的絕緣環(huán)形管，管內壁光滑，內有一直徑略小于管內徑的帶正電的小球，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，磁感應強度B隨時間成正比例增大，設小球的帶電量不變，則 (　　) 圖1 A．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿順時針方向運動 B．順著磁場方向看，小球受逆時針方向的力，沿逆時針方向運動 C

20、．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿逆時針方向運動 D．小球不受力，不運動 解析：選B　因為絕緣環(huán)形管面內有均勻增大的磁場，在其周圍會產生穩(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動，故B正確。 6．如圖2所示，閉合開關S，待電容器充電完畢后，再斷開開關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2 A．會產生變化的磁場 B．會產生穩(wěn)定的磁場 C．不會產生磁場 D．會產生振蕩的磁場 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

21、，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＝＝＝，當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，所以不會產生磁場，故C選項正確。 7．電磁波由真空中進入介質中時，其波速變?yōu)樵瓉淼囊话?，則波長將變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮? 解析：電磁波由真空進入介質中時，周期不變。 由λ＝vT可知，＝＝ 即λ＝λ0＝0.5λ0。 答案：0.5倍 8．雷達是一種無線電探測裝置，除了軍用方面外，人們還可以使用雷達測定人造衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行物的速度和軌道。雷達測距是由雷達指示器直接顯示出來的，當雷達向目標發(fā)射無線電波時，在指示器熒光屏上出現一個尖形波；在收到反射回來的無線電波時，在熒光屏上呈現第二個尖形波。如圖3所示，該圖只記錄了時間，每一小格表示1.0×10－4s，那么根據此圖，雷達與被測目標的距離約為多少？ 圖3 解析：設雷達與被測目標的距離為s，來回的時間為t，則有2s＝c·t， 故s＝＝ m＝1.2×105 m。 答案：1.2×105 m 11