2020高中物理 第十四章 電磁波 第1節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、第1節(jié)　電磁波的發(fā)現(xiàn) 1．知道麥克斯韋電磁場理認及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。 2．了解電磁波的基本特點、發(fā)現(xiàn)過程及傳播規(guī)律，知道電磁波與機械波的區(qū)別。 一、偉大的預(yù)言 1．變化的磁場產(chǎn)生電場 (1)實驗基礎(chǔ)：如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里將會產(chǎn)生感應(yīng)電流。 (2)麥克斯韋對現(xiàn)象的分析：回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，一定是變化的磁場產(chǎn)生了電場，自由電荷在電場力作用下產(chǎn)生了定向移動。 (3)麥克斯韋第一條假設(shè)：即使在變化的磁場周圍沒有閉合電路，同樣要產(chǎn)生電場，變化的磁場產(chǎn)生電場是一個普遍規(guī)律。 2．變化的電場產(chǎn)生磁場 麥克斯韋確信自然規(guī)律的統(tǒng)一性、和諧性，相信

2、電場和磁場的對稱之美。他大膽地假設(shè)，既然變化的磁場能產(chǎn)生電場，變化的電場也會在空間產(chǎn)生磁場。 3．麥克斯韋對電磁波的預(yù)言 如果在空間某區(qū)域內(nèi)有周期性變化的電場，那么這個變化的電場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，由近及遠向周圍傳播，形成了電磁波。 二、電磁波 1．電磁波中的電場強度與磁感應(yīng)強度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。 2．電磁波的速度等于光速c，光的本質(zhì)是電磁波。 三、赫茲的實驗 1．赫茲利用如圖的實驗裝置，證實了電磁波的存在。 2．赫茲的其他實驗成果：赫茲通過一系列的

3、實驗，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證實了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論。 判一判 (1)變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場。(　　) (2)磁場一定可以產(chǎn)生電場，電場也一定可以產(chǎn)生磁場。(　　) (3)電磁波在真空和介質(zhì)中傳播速度相同。(　　) (4)只要有電場和磁場，就能產(chǎn)生電磁波。(　　) (5)電磁波在同種介質(zhì)中只能沿直線傳播。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)× 想一想 (1)麥克斯韋根據(jù)什么認為“變化的磁場產(chǎn)生電場”？ 提示：麥克斯韋是在法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出“變化的磁

4、場產(chǎn)生電場”的假設(shè)。 (2)關(guān)于“變化的電場產(chǎn)生磁場”的觀點，他是在什么情況下提出的？ 提示：“變化的電場產(chǎn)生磁場”是他相信自然規(guī)律和諧統(tǒng)一而假設(shè)的，他相信磁場和電場有對稱之美。他認為：既然變化的磁場能夠在空間產(chǎn)生電場，那么變化的電場也能夠在空間產(chǎn)生磁場。 課堂任務(wù)　麥克斯韋電磁場理論及實驗驗證 一、電磁場理論 1．麥克斯韋的電磁場理論 (1)電磁場理論的核心之一：變化的磁場產(chǎn)生電場 如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里會產(chǎn)生感應(yīng)電流，其實質(zhì)是變化的磁場在它周圍產(chǎn)生了電場，電路中的自由電荷在電場力作用下做定向運動，形成了感應(yīng)電流，即使在變化的磁場周圍沒有閉合

5、電路同樣可以產(chǎn)生電場。 (2)電磁場理論的核心之二：變化的電場產(chǎn)生磁場 麥克斯韋認為：由電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性和變化的磁場能產(chǎn)生電場的觀點猜想變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場。 根據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不僅導(dǎo)體中的電流要產(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。(如圖所示) 2．對麥克斯韋電磁場理論的理解 (1)恒定的電場不產(chǎn)生磁場。 (2)恒定的磁場不產(chǎn)生電場。 (3)均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場。 (4)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場。 (5)周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場。 (6)周

6、期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場。 二、電磁波 1．理論預(yù)言 如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(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…… 變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁波。 2．實驗驗證 電磁波的實驗證明：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(dāng)感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過火花。 (3)現(xiàn)象分析：當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生電火花時

7、，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。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。 例1　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．有電場的空間一定存在磁場，有磁場的空間也一定能產(chǎn)生電場 B．在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，在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．周期性變化的磁場周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場 (1)均勻變化的磁場(或電場)產(chǎn)生怎樣的電場(或磁場)? 提示：均勻變化的磁場(或電場)產(chǎn)生恒定的電場(或磁場)。 (2)周期性振蕩

8、的磁場(或電場)產(chǎn)生怎樣的電場(或磁場)? 提示：周期性變化的磁場(或電場)產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場(或磁場)。 [規(guī)范解答]　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，只有D正確。 [完美答案]　D 對“變化的磁場產(chǎn)生電場”的理解 (1)①恒定的磁場不產(chǎn)生電場。 ②均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場。 ③非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場。 ④周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場。 　下列關(guān)于電場與磁場的產(chǎn)生的理解正確的是(　　) 答案　C 解析　題中A、B選項所描述的磁場是

9、穩(wěn)定的，由麥克斯韋電磁場理論可知其周圍空間不會產(chǎn)生電場，A錯誤，B錯誤；題中C選項描述的是周期性變化的磁場，它能產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場，且磁通量的變化率最大時電場強度最強，其相位差為，C正確；題中D所描述的是周期性變化的電場，在其周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，其相位差為π，D錯誤。 課堂任務(wù)　電磁波 1．電磁波的產(chǎn)生 變化的電場和變化的磁場總是交替產(chǎn)生，并且由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播，電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波。 2．電磁波的特點 (1)電磁波是橫波，即E與B彼此垂直且與傳播方向垂直。 (2)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中電磁波的傳播速度跟光速相同，即c＝3.

10、0×108 m/s。 (3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。電磁波與物質(zhì)相互作用時，能發(fā)生反射、吸收、折射等現(xiàn)象。 3．電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系 c＝λf。 4．電磁波與機械波的異同點 (1)電磁波與機械波的相同點 ①電磁波與機械波一樣，能發(fā)生反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。 ②電磁波與機械波一樣，是傳播能量的一種形式，能傳遞信息。 ③電磁波的波長、頻率、周期、波速關(guān)系與機械波一樣滿足v＝λf，T＝，且傳播過程中頻率不變。 (2)電磁波與機械波的不同點 ①產(chǎn)生的機理不同：電磁波是電磁運動產(chǎn)生的，是變化的電磁場在空間的傳播；機械波是機械運動產(chǎn)生的，是機械振動這

11、一運動形式在介質(zhì)中的傳播。 ②電磁波傳播不需要介質(zhì)，機械波必須有介質(zhì)才能傳播。 電磁場本身是一種物質(zhì)，電磁波是物質(zhì)傳播的形式，是靠電和磁的相互“感應(yīng)”而傳播的，可以脫離電荷而獨立存在，故它的傳播不需要介質(zhì)，真空中也能傳播。 ③電磁波是橫波，電場方向和磁場方向互相垂直且都與波的傳播方向垂直；機械波有橫波也有縱波。 ④電磁波波速比機械波波速大得多，任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小。 例2　(多選)關(guān)于電磁波與聲波的說法，下列正確的是(　　) A．電磁波是由電磁場發(fā)生

12、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(zhì)，聲波的傳播有時也不需要介質(zhì) C．由空氣進入水中傳播時，電磁波的傳播速度變小，聲波的傳播速度變大 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 (1)電磁波的傳播速度由什么決定？ 提示：電磁波的傳播速度由介質(zhì)和頻率共同決定。 (2)由空氣進入水中，電磁波會發(fā)生怎樣的變化？ 提示：電磁波的頻率不變，傳播速度變小，波長變短。 [規(guī)范解答]　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，而聲波屬于機械波，它的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，故B錯誤。電磁波在空氣中的傳播速度近似等于真空

13、中的速度，大于在水中的傳播速度；聲波在水中的傳播速度大于在空氣中的傳播速度，故C正確。無論是電磁波還是聲波，從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時頻率都不變，所以由波長λ＝及它們在不同介質(zhì)中的傳播速度可知，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錯誤。 [完美答案]　AC 機械波與電磁波的比較 機械波 電磁波 研究對象 力學(xué)現(xiàn)象 電磁現(xiàn)象 周期性 位移隨時間和空間做周期性變化 電場強度E和磁感應(yīng)強度B隨時間和空間做周期性變化 傳播情況 傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān) 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)和頻率

14、都有關(guān) 產(chǎn)生機理 由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生 由電磁振蕩激發(fā) 是否橫波 可以是 是 是否縱波 可以是 否 干涉現(xiàn)象 滿足條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象 衍射現(xiàn)象 滿足條件時均能發(fā)生明顯衍射 　(多選)以下關(guān)于機械波與電磁波的說法中，正確的是(　　) A．機械波與電磁波本質(zhì)上是一致的 B．機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 答案　BCD 解析　機械波由機械振動產(chǎn)生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生，機械波是質(zhì)點振動

15、的傳播，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)。電磁波的波速由介質(zhì)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B、C、D正確，A錯誤。 A組：合格性水平訓(xùn)練 1．(物理學(xué)史)電磁場理論是誰提出的(　　) A．法拉第 B．赫茲 C．麥克斯韋 D．安培 答案　C 解析　電磁場理論是由麥克斯韋提出的，并由赫茲首先驗證。故C正確。 2．(電磁波)真空中所有電磁波都具有相同的(　　) A．頻率 B．波長 C．波速 D．能量 答案　C 解析　電磁波在真空中的傳播速度相同，而電磁波的頻率、波長、能量不一定相同，故C正確。 3．(

16、電磁波)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(　　) A．電磁波必須依賴介質(zhì)傳播 B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象 D．電磁波無法攜帶信息傳播 答案　B 解析　電磁波在真空中也能傳播，A錯誤；衍射是一切波所特有的現(xiàn)象，B正確；電磁波是橫波，橫波能發(fā)生偏振現(xiàn)象，C錯誤；所有波都能傳遞信息，D錯誤。 4．(綜合)電磁波與機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 答案　B 解析　電磁波是橫波，但機械波有橫波也有縱波，A錯誤；電磁波與機械波具有的共同性質(zhì)是都能傳輸能量，B正確；機械

17、波的傳播需要介質(zhì)，兩者波速均隨介質(zhì)的變化而不同，C、D錯誤。 5．(電磁場理論)某空間中出現(xiàn)了如圖中虛線所示的一組閉合的電場線，這可能是(　　) A．在中心點O有一靜止的點電荷 B．沿AB方向有一段通有恒定電流的直導(dǎo)線 C．沿BA方向的磁場在減弱 D．沿AB方向的磁場在減弱 答案　C 解析　首先應(yīng)知道閉合的電場線是由變化的磁場產(chǎn)生的，閉合的電場線類似于環(huán)形電流，根據(jù)楞次定律環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場由B→A，阻礙原磁場的變化，所以BA方向的磁場在減弱，選C。 6．(綜合)手機A的號碼是133××××0002，手機B的號碼是133××××0008。手機A呼叫手機B時，手機B發(fā)出響聲且

18、屏上顯示手機A的號碼“133××××0002”，若將手機A置于一透明真空玻璃罩中，用手機B呼叫手機A，則玻璃罩外面的人發(fā)現(xiàn)手機A(　　) A．發(fā)出響聲，并顯示手機B的號碼“133××××0008” B．不發(fā)出響聲，但顯示手機B的號碼“133××××0008” C．不發(fā)出響聲，但顯示手機A的號碼“133××××0002” D．既不發(fā)出響聲，也不顯示號碼 答案　B 解析　聲波為機械波，傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，光波、手機發(fā)射的信號均為電磁波，傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，故用手機B呼叫手機A時，玻璃罩外的人能看到手機A顯示手機B的號碼，但聽不到聲音，故B正確，A、C、D錯誤。

19、 7．(綜合)甲坐在人民大會堂臺前60 m處聽報告，乙坐在家里離電視機5 m處聽電視轉(zhuǎn)播，已知乙所在處與人民大會堂相距1000 km，不考慮其他因素，則(空氣中聲速為340 m/s)(　　) A．甲先聽到聲音 B．乙先聽到聲音 C．甲、乙同時聽到聲音 D．不能確定 答案　B 解析　聲音傳到甲所需時間為t1＝ s＝0.176 s；傳到乙所需時間為t2＝ s＋ s＝0.018 s，故B正確。 B組：等級性水平訓(xùn)練 8．(電磁場理論)(多選)按照麥克斯韋的電磁場理論，以下說法中正確的是(　　) A．恒定的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場，恒定的磁場周圍產(chǎn)生恒定的

20、電場 B．變化的電場周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生電場 C．均勻變化的電場周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生均勻變化的電場 D．均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場 E．周期性變化的電場周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場，周期性變化的磁場周圍產(chǎn)生周期性變化的電場 答案　BDE 解析　麥克斯韋電磁場理論的核心內(nèi)容是：變化的電場產(chǎn)生磁場；變化的磁場產(chǎn)生電場。對此理論全面正確理解為：不變化的電場周圍不產(chǎn)生磁場；變化的電場可以產(chǎn)生變化的磁場，也可產(chǎn)生不變化的磁場；均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場。由變化的磁場產(chǎn)生電

21、場的規(guī)律與上相似。由此可知，B、D、E正確。 9．(電磁場和電磁波)(多選)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．電磁波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)，頻率不變 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 答案　BC 解析　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，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，A錯誤；只有變化的電場(磁場)才能產(chǎn)生磁場(電場)，D錯誤。 10．(綜合) 如圖所示是一個水平放置的圓環(huán)形玻璃小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同。現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，

22、讓它受絕緣棒打擊后獲得一初速度v0。與此同時，有一變化的磁場垂直穿過圓環(huán)形玻璃小槽外徑所對應(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強度B的大小跟時間成正比，方向豎直向下。設(shè)小球在運動過程中所帶電荷量不變，那么(　　) A．小球受到的向心力大小不變 B．小球受到的向心力大小不斷增加 C．洛倫茲力對小球做了功 D．小球受到的洛倫茲力大小與時間成正比 答案　B 解析　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，磁感應(yīng)強度隨時間線性增大時將產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電場，根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電場的方向與小球初速度方向相同，因小球帶正電，故電場力對小球做正功，其速率增大，向心力的大小隨之增大，A錯誤，B正確。帶電小球所受的洛倫茲力F＝q

23、Bv，因為速率v隨時間逐漸增大，且B∝t，故D錯誤。因洛倫茲力對運動電荷不做功，故C錯誤。 11．(綜合)我國“嫦娥三號”探測器在進行首次軟著陸和自動巡視勘察時，地面工作人員通過電磁波實現(xiàn)對月球車的控制。已知由地面發(fā)射器發(fā)射的電磁波的波長為λ＝30 km，地面上的工作人員通過測量發(fā)現(xiàn)該電磁波由發(fā)射到被月球車接收所用的時間為t＝1.3 s，電磁波的速度為c＝3×108 m/s。則在發(fā)射器與月球車之間的距離相當(dāng)于多少個波長？ 答案　1.3×104個 解析　發(fā)射器與月球車之間的距離x＝ct＝3.9×108 m 相當(dāng)于電磁波波長的個數(shù)n＝＝個＝1.3×104個。 12．(綜合)在電視節(jié)目中，

24、我們經(jīng)?？吹街鞒秩伺c派到熱帶地區(qū)的記者通過同步通信衛(wèi)星通話，他們之間每一問一答總是遲“半拍”，這是為什么？如果有兩個手持衛(wèi)星電話的人通過同步衛(wèi)星通話，一方講話，另一方至少要等多長時間才能聽到對方的講話？(已知地球的質(zhì)量為6.0×1024 kg，地球半徑為6.4×106 m，引力常量為6.67×10－11 N·m2·kg－2，計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案　0.24 s 解析　主持人與記者之間通話的不合拍是因為電磁波是以有限的速度在空中傳播的，利用電磁波傳遞信息是需要時間的。 設(shè)同步衛(wèi)星高度為h，由萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運動的向心力得 ＝m(R＋h) h＝－R＝3.59×107 m 則一方講話另一方聽到所需的最少時間是 t＝＝0.24 s。 - 11 -