1、第1节电磁波的发现1知道麦克斯韦电磁场理认及其在物理学发展史上的意义。2了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律，知道电磁波与机械波的区别。一、伟大的预言1变化的磁场产生电场(1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里将会产生感应电流。(2)麦克斯韦对现象的分析：回路中有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场力作用下产生了定向移动。(3)麦克斯韦第一条假设：即使在变化的磁场周围没有闭合电路，同样要产生电场，变化的磁场产生电场是一个普遍规律。2变化的电场产生磁场麦克斯韦确信自然规律的统一性、和谐性，相信电场和磁场的对称之美。他大胆地假设，既然变化的磁场能产生电
2、场，变化的电场也会在空间产生磁场。3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。二、电磁波1电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。2电磁波的速度等于光速c，光的本质是电磁波。三、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
3、实了麦克斯韦关于光的电磁理论。判一判(1)变化的电场一定产生变化的磁场。()(2)磁场一定可以产生电场，电场也一定可以产生磁场。()(3)电磁波在真空和介质中传播速度相同。()(4)只要有电场和磁场，就能产生电磁波。()(5)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。()提示：(1)(2)(3)(4)(5)想一想(1)麦克斯韦根据什么认为“变化的磁场产生电场”？提示：麦克斯韦是在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。(2)关于“变化的电场产生磁场”的观点，他是在什么情况下提出的？提示：“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的，他相信磁场和电场有对称之美。他认为：既然
4、变化的磁场能够在空间产生电场，那么变化的电场也能够在空间产生磁场。课堂任务麦克斯韦电磁场理论及实验验证一、电磁场理论1麦克斯韦的电磁场理论(1)电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路同样可以产生电场。(2)电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点猜想变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不
5、仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。(如图所示)2对麦克斯韦电磁场理论的理解(1)恒定的电场不产生磁场。(2)恒定的磁场不产生电场。(3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。(4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。(5)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。(6)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。二、电磁波1理论预言如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性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
6、磁波。2实验验证电磁波的实验证明：1886年，赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次发现了电磁波。(1)赫兹的实验装置，如图所示。(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花。(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场。这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。例1根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场B在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电
7、场C均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场(1)均匀变化的磁场(或电场)产生怎样的电场(或磁场)?提示：均匀变化的磁场(或电场)产生恒定的电场(或磁场)。(2)周期性振荡的磁场(或电场)产生怎样的电场(或磁场)?提示：周期性变化的磁场(或电场)产生同频率周期性变化的电场(或磁场)。规范解答根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，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，只有D正确。完美答案D对“变化的磁场产生电场”的理解(1)恒定的磁场不产生电场。均匀变化的磁场产生恒定的电场。非均匀变化的磁场产生变化的电场。周
8、期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。下列关于电场与磁场的产生的理解正确的是()答案C解析题中A、B选项所描述的磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可知其周围空间不会产生电场，A错误，B错误；题中C选项描述的是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，且磁通量的变化率最大时电场强度最强，其相位差为，C正确；题中D所描述的是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，其相位差为，D错误。课堂任务电磁波1电磁波的产生变化的电场和变化的磁场总是交替产生，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。2电磁波的特点(1)电磁波是横波，即E与B彼此垂直且与传
9、播方向垂直。(2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即c3.0108 m/s。(3)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射等现象。电磁波与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射等现象。3电磁波的波速、波长与频率的关系cf。4电磁波与机械波的异同点(1)电磁波与机械波的相同点电磁波与机械波一样，能发生反射、折射、衍射、干涉等现象。电磁波与机械波一样，是传播能量的一种形式，能传递信息。电磁波的波长、频率、周期、波速关系与机械波一样满足vf，T，且传播过程中频率不变。(2)电磁波与机械波的不同点产生的机理不同：电磁波是电磁运动产生的，是变化的电磁场在空间的传播；机械波是机械运
10、动产生的，是机械振动这一运动形式在介质中的传播。电磁波传播不需要介质，机械波必须有介质才能传播。电磁场本身是一种物质，电磁波是物质传播的形式，是靠电和磁的相互“感应”而传播的，可以脱离电荷而独立存在，故它的传播不需要介质，真空中也能传播。电磁波是横波，电场方向和磁场方向互相垂直且都与波的传播方向垂直；机械波有横波也有纵波。电磁波波速比机械波波速大得多，任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c3.0108 m/s，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小。例2(多选)关于电磁波与声波的说法，下列正确的是()A电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播，声波是
11、声源的振动向远处传播B电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质C由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大D由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小(1)电磁波的传播速度由什么决定？提示：电磁波的传播速度由介质和频率共同决定。(2)由空气进入水中，电磁波会发生怎样的变化？提示：电磁波的频率不变，传播速度变小，波长变短。规范解答由电磁波和声波的概念可知A正确。因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误。电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度；声波在水中的传播速度大于在空气中的传
12、播速度，故C正确。无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误。完美答案AC机械波与电磁波的比较机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性位移随时间和空间做周期性变化电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化传播情况传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关产生机理由质点(波源)的振动产生由电磁振荡激发是否横波可以是是是否纵波可以是否干涉现象满足条件时均能发生干涉现象衍射现象满足条件时均能发生明
13、显衍射(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是()A机械波与电磁波本质上是一致的B机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关C机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波D它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象答案BCD解析机械波由机械振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生，机械波是质点振动的传播，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，传播不需要介质。电磁波的波速由介质和本身频率共同决定，机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，故B、C、D正确，A错误。A组：合格性水平训练1(物理学史)电磁场理论是谁提出的()A法拉第 B赫兹
14、 C麦克斯韦 D安培答案C解析电磁场理论是由麦克斯韦提出的，并由赫兹首先验证。故C正确。2(电磁波)真空中所有电磁波都具有相同的()A频率 B波长 C波速 D能量答案C解析电磁波在真空中的传播速度相同，而电磁波的频率、波长、能量不一定相同，故C正确。3(电磁波)下列关于电磁波的说法正确的是()A电磁波必须依赖介质传播B电磁波可以发生衍射现象C电磁波不会发生偏振现象D电磁波无法携带信息传播答案B解析电磁波在真空中也能传播，A错误；衍射是一切波所特有的现象，B正确；电磁波是横波，横波能发生偏振现象，C错误；所有波都能传递信息，D错误。4(综合)电磁波与机械波具有的共同性质是 ()A都是横波 B都能
15、传输能量 C都能在真空中传播 D都具有恒定的波速答案B解析电磁波是横波，但机械波有横波也有纵波，A错误；电磁波与机械波具有的共同性质是都能传输能量，B正确；机械波的传播需要介质，两者波速均随介质的变化而不同，C、D错误。5(电磁场理论)某空间中出现了如图中虚线所示的一组闭合的电场线，这可能是()A在中心点O有一静止的点电荷B沿AB方向有一段通有恒定电流的直导线C沿BA方向的磁场在减弱D沿AB方向的磁场在减弱答案C解析首先应知道闭合的电场线是由变化的磁场产生的，闭合的电场线类似于环形电流，根据楞次定律环形电流产生的磁场由BA，阻碍原磁场的变化，所以BA方向的磁场在减弱，选C。6(综合)手机A的号
16、码是1330002，手机B的号码是1330008。手机A呼叫手机B时，手机B发出响声且屏上显示手机A的号码“1330002”，若将手机A置于一透明真空玻璃罩中，用手机B呼叫手机A，则玻璃罩外面的人发现手机A()A发出响声，并显示手机B的号码“1330008”B不发出响声，但显示手机B的号码“1330008”C不发出响声，但显示手机A的号码“1330002”D既不发出响声，也不显示号码答案B解析声波为机械波，传播需要介质，在真空中不能传播，光波、手机发射的信号均为电磁波，传播不需要介质，可以在真空中传播，故用手机B呼叫手机A时，玻璃罩外的人能看到手机A显示手机B的号码，但听不到声音，故B正确，A
17、、C、D错误。7(综合)甲坐在人民大会堂台前60 m处听报告，乙坐在家里离电视机5 m处听电视转播，已知乙所在处与人民大会堂相距1000 km，不考虑其他因素，则(空气中声速为340 m/s)()A甲先听到声音 B乙先听到声音 C甲、乙同时听到声音 D不能确定 答案B解析声音传到甲所需时间为t1 s0.176 s；传到乙所需时间为t2 s s0.018 s，故B正确。B组：等级性水平训练8(电磁场理论)(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是()A恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场B变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场C均匀变化的电场周围产生均匀变
18、化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场D均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场E周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场答案BDE解析麦克斯韦电磁场理论的核心内容是：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场。对此理论全面正确理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场可以产生变化的磁场，也可产生不变化的磁场；均匀变化的电场产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。由变化的磁场产生电场的规律与上相似。由此可知，B、D、E正确。9(电磁场和电磁波)(多选)关于电磁场、电磁波的认识，下列说法正确的是()
19、A电磁波的传播需要介质B电磁波从一种介质进入另一种介质，频率不变C电磁波传播的过程中也传递了能量D在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场答案BC解析周期性变化的电场与磁场相互感应产生，并向外传播，从而形成电磁波，电磁波的传播不需要介质，A错误；只有变化的电场(磁场)才能产生磁场(电场)，D错误。10(综合) 如图所示是一个水平放置的圆环形玻璃小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它受绝缘棒打击后获得一初速度v0。与此同时，有一变化的磁场垂直穿过圆环形玻璃小槽外径所对应的圆面积，磁感应强度B的大小跟时间成正比，方向竖直向下。设小球在运动过程中所带
20、电荷量不变，那么()A小球受到的向心力大小不变B小球受到的向心力大小不断增加C洛伦兹力对小球做了功D小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比答案B解析根据麦克斯韦电磁场理论可知，磁感应强度随时间线性增大时将产生稳定的感应电场，根据楞次定律可知感应电场的方向与小球初速度方向相同，因小球带正电，故电场力对小球做正功，其速率增大，向心力的大小随之增大，A错误，B正确。带电小球所受的洛伦兹力FqBv，因为速率v随时间逐渐增大，且Bt，故D错误。因洛伦兹力对运动电荷不做功，故C错误。11(综合)我国“嫦娥三号”探测器在进行首次软着陆和自动巡视勘察时，地面工作人员通过电磁波实现对月球车的控制。已知由地面发射器发
21、射的电磁波的波长为30 km，地面上的工作人员通过测量发现该电磁波由发射到被月球车接收所用的时间为t1.3 s，电磁波的速度为c3108 m/s。则在发射器与月球车之间的距离相当于多少个波长？答案1.3104个解析发射器与月球车之间的距离xct3.9108 m相当于电磁波波长的个数n个1.3104个。12(综合)在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？如果有两个手持卫星电话的人通过同步卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话？(已知地球的质量为6.01024 kg，地球半径为6.4106 m，引力常量为6.671011 Nm2kg2，计算结果保留两位有效数字)答案0.24 s解析主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传递信息是需要时间的。设同步卫星高度为h，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力得m(Rh)hR3.59107 m则一方讲话另一方听到所需的最少时间是t0.24 s。
