1、4电磁波的发现及应用 课前自主预习 一、麦克斯韦的电磁场理论及对电磁波的预言1麦克斯韦电磁场理论英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上，建立了完整的电磁场理论可定性表述为：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场2麦克斯韦对电磁波的预言如果在空间某区域内有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波3电磁波的特点电磁波在真空中传播的速度等于光速c，光的本质是电磁波4赫兹的实验(1)赫兹利用如图的实验装置，证实了电磁波的存在(2)赫兹的其他实验成果：赫兹通过
2、一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论北京时间2011年11月3日凌晨，“神舟”八号飞船与“天宫”一号目标飞行器实现刚性连接，形成组成体，中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功“神舟”八号与“天宫”一号交会对接的成功意味着我国成为继美国、俄罗斯后，第三个独立掌握航天交会对接技术的国家因此，“天宫”一号与“神八”这次太空中的亲密接触，不仅奠定了中国载人航天技术在世界上的一席之地，也使中国未来空间站的组装和建造成为可能“神八”与“天宫”一号的对接过程是在地面控制中心的科学家们的指挥下完成的，
3、地面控制中心与“神舟”八号和“天宫”一号相距如此之远，他们是如何完成控制指令的传输的？提示：借助于电磁波二、电磁波谱1概念：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱2电磁波的波速c与波长、频率f的关系是cf.3电磁波谱的排列：按波长由长到短依次为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线4不同电磁波的特点及应用特性用途无线电波波动性强通信、广播、导航红外线热作用强加热、遥测、遥感、红外线制导可见光感光性强照明、照相等紫外线化学作用、荧光效应日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等X射线穿透力强检查、探测、透视、治疗射线穿透力最强探测、治疗三、电磁波的能量各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波，
4、说明电磁波具有能量，电磁波是一种物质四、电磁波通信1电磁波的传输：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大2电磁波的应用实例(1)电视广播(2)移动电话、互联网也是利用电磁波来传输信息的(3)卫星宽带通信网络课堂讲练互动考点一麦克斯韦电磁场理论1麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场产生电场如下图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关导体环的作用只是用来显示电场的存在变化的磁场产生的电场，称为感应电场，也叫涡旋场，跟前面学过的静电场一样，处于电场中的电荷受力的作用，且FqE.但它们也有显
5、著的区别，表现为：(1)静电场的电场线是非闭合曲线，而感应电场的电场线是闭合曲线；(2)静电场中有电势的概念，而感应电场中无电势的概念；(3)在同一静电场中，电荷运动一周(曲线闭合)，电场力做功一定为零，而在感应电场中，电荷沿闭合曲线运动一周，电场力做功不一定为零；(4)静电场的“源”起于电荷，而感应电场的“源”起于变化的磁场(2)变化的电场产生磁场根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不但导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化的电场周围也要产生磁场，如图所示2对电磁场理论的理解变化的电场产生磁场变化的磁场产生电场恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生
6、恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场麦克斯韦的重大贡献有哪些？麦克斯韦集电磁学研究成果之大成，不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，建立了完整的电磁场理论麦克斯韦电磁场理论的意义足以与牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展中一个划时代的里程碑【例1】关于电磁场理论，下列说法中正确的是()A在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场C均匀变化的电场周围一定
7、产生均匀变化的磁场D周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场【审题指导】1.稳定的磁场能产生电场吗？2稳定的电场能产生磁场吗？3均匀变化的磁场产生什么样的电场？4均匀变化的电场产生什么样的磁场？5周期性变化的磁场产生什么样的电场？6周期性变化的电场产生什么样的磁场？【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场【答案】D总结提能 在理解麦克斯韦电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，稳定磁场也不产生电场下列说法正确的是(D)A稳定的电场产生稳定的磁场B均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生均匀变化的电场C变
8、化的电场产生的磁场一定是变化的D振荡的电场周围空间产生的磁场也是振荡的解析：麦克斯韦电磁场理论的要点是：变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场)，若磁场(电场)的变化是振荡的，产生的电场(磁场)也是振荡的，由此可判断出正确的为D项考点二电磁场和电磁波1电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个电场就会在它周围空间引起周期性变化的磁场；这个周期性变化的磁场又会在它周围空间引起新的变化的电场变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场2电磁波变化的电场和变化的磁场总是交替产生的，并且由发生的区域向周围空间传播电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波3电磁
9、波的特点(1)电磁波是横波，在传播方向上的任一点，E和B都随时间做正弦变化，E与B相互垂直且均与传播方向垂直，如图所示(2)电磁波的传播不需要介质，在真空中，电磁波的传播速度与光速相同，为3.0108 m/s.电磁波和光一样，在介质中的传播速度都要小于在真空中的传播速度，其大小与介质有关(3)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射等现象，与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射(4)电磁波的波速、波长与频率的关系：cf或.4赫兹发现了电磁波：1886年，赫兹用如图所示的实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次发现了电磁波他还通过实验观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象通过实验证明了电
10、磁波在真空中具有与光相同的速度c.后人为纪念赫兹的实验为无线电技术的发展作出的突出贡献，把频率的单位定为赫兹.【例2】(多选)电磁波与声波比较，下列说法正确的是()A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C由空气进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长D电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定的，与频率无关【审题指导】要知道电磁波与机械波有哪些相同，哪些不同【解析】电磁波传播不需要介质，声波传播离不开介质，A正确；电磁波在空气中的速度接近光在真空中的速度，进入水中速度变小，而声波进入水中速度反而比空气中大，B正确；由vf，电磁波或声波由
11、一种介质进入另一种介质时，频率不变，可见波速v与波长成正比，C正确；电磁波的速度不仅与介质有关，还与频率有关，这点与声波不相同，D错误【答案】ABC总结提能 清楚电磁波与声波(机械波)的相同点及不同点，就能解答此类问题(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是(ACD)A电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播B电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0108 m/sC电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短D电磁波也能产生干涉，衍射现象解析：电场、磁场相互激发并向外传播，形成电磁波，选项A正确电磁波只有在真空中波速为3.0108 m/s，在其他介质中均小于3.0108 m/s，选项B错误根据知，光从真空
12、进入介质，频率不变，波速减小，所以波长减小，故选项C正确电磁波具有波的一切性质，能产生干涉和衍射现象，故选项D正确考点三电磁波通信1电磁波的传输电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大2电磁波的应用实例(1)电视电视发射系统：摄像管的作用是摄取景物的图像并将其转换为电信号镜头把景物的像成在摄像管的屏上，通过电子束的扫描，把图像各个部位分成一系列小点，称为像素，每幅图像至少要有几十万个像素，摄像机将画面上各个部分的光点，根据明暗情况逐点逐行逐帧地变为强弱不同的信号电流，随电磁波发射出去接收系统：天线接收到高频信号后，经调谐、解调，将得到的
13、图像信号送到显像管，控制显像管里电子枪发射电子束的强弱，在荧光屏上扫描，在屏上便出现了与摄像管屏上相同的图像中国电视广播标准采用每秒传送25帧画面，每帧由625条线组成(2)雷达雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备雷达的工作原理：雷达通过转动的天线发射微波信号，这种信号传播的直线性好，遇到障碍物要发生反射，反射信号又被雷达天线接收，测出从发射信号到接收到目标反射信号的时间t，就可以知道目标到雷达的距离s；再根据发射无线电波的方向和仰角，可准确确定物体的位置雷达的用途：可以探测飞机、舰艇、导弹以及其他军事目标；可以为飞机、船只导航，可以研究行星、卫星，还可以用来探测暴风、雷雨、云层等(3
14、)移动电话功能：每一部移动电话就是一个无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；同时它又相当于一台收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到对方送来的信息特点：a.体积很小，发射功率不大；b.它的天线也很简单，灵敏度不高因此，它与其他用户的通话要靠基地台转接(4)互联网：人们可以通过互联网听音乐、看电影、聊天、购物，可以通过互联网查阅各种资料，进行远程教学、远程医疗，甚至可以与身处世界各地的人召开电视会议数以亿计的人们通过信息联系起来，通过资源共享和更有效的全球合作，推动人类社会更快向前发展(5)卫星宽带通信网络【例3】在电视发射端，由摄像管摄取景物并将景物反射的光转换为电信号，这一过程
15、完成了()A电、光转化B光、电转化C光、电、光转化 D电、光、电转化【审题指导】根据摄像原理分析【解析】1.摄像管的摄像过程把光信号转化成了电信号，即把一幅图像按照各个部分的明暗情况，逐点地变为强弱不同的信号电流，然后通过天线把带有信号的电磁波发射出去，B正确，A、C、D错误2摄像管是把光信号变成电信号，而显像管是由电信号转化为光信号【答案】B总结提能 明确摄像的原理就能正确解答此类问题传真机原理分析：报纸上印的许多照片都是传真照片，传真是利用无线电波传送图表、书信、照片的一种方法无线电传真的示意图如下图所示简要说明无线电传真的过程、器件及其作用答案：见解析解析：发射机上装有的光电管，将文字、
16、图表转化为电信号，将其附加在高频无线电波上发射出去，接收机利用电谐振原理将其接收，通过辉光管转化为原来的文字、图表在复印纸上复印出来考点四电磁波谱无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、射线都是电磁波，将它们按波长或频率排列起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱(1)无线电波：波长大于1 mm(频率小于300 GHz)的电磁波是无线电波无线电波主要用于通信和广播(2)红外线：红外线的波长比红光的波长还长，它不是可见光，不能引起人的视觉一切物体(不管大小、也无论是否有生命)，凡是由分子、原子等构成的物体都在不停地辐射红外线物体温度越高，辐射红外线的本领越强红外线有以下作用：红外线遥感
17、：勘测地热、寻找水源、人体检查等红外线遥控：家用电器配套的遥控器发出红外线脉冲信号，受控机器就会按指令改变工作状态加热物体：红外线很容易使物体的温度升高，如市场上的“远红外烤箱”(3)可见光：可见光的波长约在760 nm到400 nm之间，不同颜色的光是波长(或频率)范围不同的电磁波.序号红橙黄绿青蓝紫真空中的波长/nm760630630600600570570500500450450430430400晴朗的天空看起来是蓝色的，是由于波长较短的光比波长较长的光更容易被散射傍晚的阳光比较红，是由于大气对波长较短的蓝光、紫光比对波长较长的红光、橙光吸收较强的缘故(4)紫外线：紫外线也不是可见光，其
18、波长比紫光还短，波长范围约为5370 nm.一切高温物体发出的光中都含有紫外线紫外线的显著特征是化学作用，能杀死多种细菌，具有消毒功能而且促使人体合成维生素D，但不能过多照射(5)X射线和射线：X射线和射线的波长都比紫外线短X射线对生命物质有较强的作用，过量的辐射会引起生物体的病变X射线能够穿透物质，可以用于人体透视，检查金属零件内部的缺陷射线具有很高的能量，在医学上可以用来治疗某些癌症，也可用于探测金属部件内部的缺陷从无线电波到射线都是本质相同的电磁波，其行为服从共同的规律，但因波长(或频率)不同又表现出不同的特点【例41】(多选)关于无线电波和可见光，下列说法中正确的是()A无线电波的频率
19、比可见光的频率高B无线电波的波长比可见光的波长长C无线电波的传播速度比可见光的传播速度小D无线电波和可见光都可以传播信息【审题指导】根据电磁波按照波长大小的排列顺序可得出无线电波的波长大于可见光的波长【解析】1.熟练掌握电磁波谱的排列顺序2结合波的知识掌握各种电磁波的特性及主要作用3各种不同频率的电磁波在真空中的传播速度都相同，频率不同的电磁波在同一介质中的传播速度不相同【答案】BD总结提能 熟记电磁波按照波长大小的排列顺序，及波长的大小对电磁波特性的影响就能正确解答此类问题下列说法正确的是(B)A只有物体温度较高时，才能向外辐射红外线B紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用C可见光比红外线容易
20、发生衍射现象DX射线能在磁场中偏转，穿透力较强，可用来进行人体透视解析：本题易错选D，原因是都知道X射线可以进行人体透视，但是X射线不带电，在磁场中不偏转【例42】下面列出了一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理规律和现象，请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的横线上(1)X光机， ；(2)紫外线灯， ；(3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好这是利用了 A光的全反射B紫外线具有很强的荧光作用C紫外线具有杀菌消毒作用DX射线具有很强的贯穿能力E红外线具有显著的热作用F红外线波长较长，易发生衍射【审题指导】根据各种射线的特点及作用分析【解析】(1)X光机是用来透视人的体内器官
21、的，因此需要具有强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用穿透能力比较强又不会对人体造成太大伤害的X射线，选择D.(2)紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，因此选择C.(3)“神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，因此选择E.电磁波在生产、生活和国防中应用广泛，联系实际的试题较多，要提高自己应用知识的能力，在学习过程中要多积累相关素材，并加以分析利用【答案】(1)D(2)C(3)E总结提能 熟记不同波长的电磁波的特点及应用是解答此类问题的关键下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是
22、(D)A红外线和X射线都有很强的穿透本领，常用于医学上透视人体B过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康C电磁波中频率最大的为射线，用它来做衍射实验现象最明显D紫外线和X射线都可以使感光底片感光解析：红外线的主要作用是热作用，也可用于遥测遥感等，原因是其波长相对较长，容易发生衍射，且一切物体均可自发辐射红外线，A错；紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用，常用于杀毒、防伪、使底片感光等，但过量照射对人体有害，B错；射线波长最短，衍射本领最弱，贯穿本领最强，常用于金属探伤，C错；电磁波是一种能量，均可使底片感光 课堂达标演练 1下列关于电磁波的说法正确的是(B)A电磁波必须依赖介质传播B电磁波可以发生衍
23、射现象C电磁波不会发生偏振现象D电磁波无法携带信息传播解析：电磁波具有波的共性，可以发生衍射现象，B项正确电磁波是横波，能发生偏振现象，C项错误另外，电磁波能携带信息传播，且传播不依赖介质，A、D项错误2电磁技术的发展，使得人们的生活发生了很大的变化关于电磁技术的应用，下列说法正确的是(D)A手机与手机之间可以直接通信B电磁灶的灶台与锅之间，如果隔有绝缘物质，通电后则锅不可能被加热C微波炉内盛放食物的器皿，只能是金属器皿D电视信号是电视台将声音与图像信号通过电磁波快速传送到用户处并被电视机接收下来的3据报道，新型增强型红外夜视镜已经小规模配发给美国陆军，红外夜视镜是利用了(C)A红外线波长长，
24、易绕过障碍物的特点B红外线热效应强的特点C一切物体都在不停地辐射红外线的特点D红外线肉眼不可见的特点解析：红外夜视镜利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点，故选C.4(多选)关于对X射线的叙述，正确的有(BC)AX射线由高速移动的中子构成BX射线可使照相胶卷感光CX射线可用来探测藏在行李中的武器DX射线透视人体，是因为X射线的衍射能力强解析：X射线是电磁波，故A项错它穿透能力强，既能使照相底片感光，又可以用来探测藏在行李箱中的金属器具，包括武器等，故B、C项正确X射线透视人体是利用了它的穿透能力，因为其波长很小，比可见光还小，所以衍射能力很弱5(多选)雷达采用微波而不用其他无线电波的原因是(ABC)A微波具有很高的频率B微波具有直线传播的特性C微波的反射性强D微波比其他无线电波(长波、中波、短波等)传播的距离更远解析：微波频率高，波长小，衍射能力差，所以直线性好，反射性强，选项A、B、C正确；传播距离的长短，应与信号的强弱及传播的空间状况有关，比如：在地面附近传播时，由于微波的波长很短，衍射现象弱，传播的距离可能比长波、中波及短波近些，故D项错误