2021届高中物理新教材同步必修第三册 第13章 4　电磁波的发现及应用

4电磁波的发现及应用[学习目标]1．了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念.2.知道电磁波的特点，掌握电磁波波长、频率、波速之间的关系.3.知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量．一、电磁场与电磁波1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场产生电场①在变化的磁场中放一个闭合的电路，由于穿过电路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流．这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场．②即使在变化的磁场中没有闭合电路，也同样要在空间产生电场．(2)变化的电场产生磁场变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场．2．电磁场：变化的电场和变化的磁场所形成的不可分割的统一体．3．电磁波(1)电磁波的产生：周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．(2)电磁波的特点①电磁波可以在真空中传播．②电磁波的传播速度等于光速．③光在本质上是一种电磁波．即光是以波动形式传播的一种电磁振动．(3)电磁波的波速①波速、波长、频率三者之间的关系：波速＝波长×频率．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系是c＝λf.②电磁波在真空中的传播速度c＝3×108m/s.二、电磁波谱与电磁波的能量1．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，叫作电磁波谱．(2)各种电磁波按波长由大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．(3)各种电磁波的特性①无线电波：用于广播、卫星通信、电视等信号的传输．②红外线：用于加热理疗等．③可见光：照亮自然界，也可用于通信．④紫外线：用于灭菌消毒．⑤X射线和γ射线：用于诊断病情、摧毁病变的细胞．2．电磁波的能量(1)光是一种电磁波，光具有能量．(2)电磁波具有能量，电磁波是一种物质．判断下列说法的正误．(1)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场．(×)(2)电磁波在空气中可以传播，在真空中不能传播．(×)(3)光在真空中的速度与电磁波在真空中的速度相同，光是一种电磁波．(√)(4)无线电波、可见光、红外线、紫外线都属于电磁波．(√)一、麦克斯韦电磁场理论1．变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场也在周围空间产生磁场．2．均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场．3．振荡的磁场产生同频率振荡的电场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场．4．周期性变化的电场和磁场相互联系，形成一个统一的场，就是电磁场，而电磁场由近及远地向周围空间传播形成电磁波．(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是()A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场C．变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场答案AB解析变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A正确；周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B正确；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，C错误；只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D错误．二、电磁波1．电磁波的形成周期性变化的电场和磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波．2．电磁波的特点(1)电磁波的传播不需要介质．在真空中传播速度等于光速c＝3×108m/s.(2)电磁场储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程．(3)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．(4)电磁波是电磁场在空间中的传播，电磁场是一种客观存在的物质——场物质．3．电磁波的波速对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf.(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是()A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波B．电磁波的传播需要介质C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的答案CD解析要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是周期性变化的，A错误；电磁波是物质波，电磁波的传播不需要介质，B错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C正确；电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量的传播过程，D正确．电磁波在真空中传播的速度c＝3.00×108m/s，有一个广播电台的频率f＝90.0MHz，这个电台发射的电磁波的波长λ为()A．2.70m B．270mC．3.00m D．3.33m答案D解析根据λ＝eq\f(c,f)得，λ＝eq\f(3.00×108,90.0×106)m≈3.33m.三、电磁波谱1．电磁波谱电磁波谱的顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．它们共同构成了范围广阔的电磁波谱．2．不同波长的电磁波的比较名称特性无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线主要应用通信、广播红外探测器、红外体温计引起视觉灭菌、消毒、防伪医学透视、安检治疗疾病、金属探伤真空中的速度都是c＝3×108m/s频率小→大同介质中速度大→小下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象．请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上．(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．这里的“神灯”是利用________．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D．X射线具有很强的穿透力E．红外线具有显著的热效应F．红外线波长较长，易发生衍射答案(1)D(2)C(3)E解析(1)X光机是用来透视人的体内器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线，因此选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E.1．(电磁波)(多选)关于电磁波，下列说法正确的是()A．麦克斯韦用实验成功地证明了电磁波的存在B．电磁波的传播不需要借助任何介质C．电磁波的传播过程是电磁场能的传播过程D．均匀变化的电场一定能形成电磁波答案BC解析麦克斯韦提出电磁场理论，赫兹用实验证明了电磁波的存在，A错误；电磁波可以在真空中传播，B正确；电磁波是将电磁场能传播出去，C正确；均匀变化的电场形成的磁场是稳定的，无法形成电磁波，D错误．2．(电磁波谱)下列各组电磁波中，按波长由长到短排列正确的是()A．红外线、紫外线、可见光、γ射线B．γ射线、紫外线、红外线、可见光C．γ射线、紫外线、可见光、红外线D．红外线、可见光、紫外线、γ射线答案D3．(电磁波的特性)(多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是()A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变B．γ射线是波长最短的电磁波，它的频率比X射线还要高C．紫外线的频率比紫光低D．在电磁波谱中，穿透能力最强的是X射线答案AB解析X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，选项A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它的频率比X射线还要高，选项B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，紫外线的频率比紫光高，在电磁波谱中γ射线的穿透能力最强，选项C、D错误.考点一麦克斯韦电磁场理论1．(多选)下列说法中，正确的有()A．最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特B．电磁感应现象是法拉第发现的C．建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦D．最早预言电磁波存在的科学家是赫兹答案ABC解析最早预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，赫兹用实验证明了电磁波的存在，D错误；由物理学史的知识可知，A、B、C正确．2．(多选)关于电磁场的理论，下列说法中正确的是()A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的D．周期性变化的电场在周围空间产生同样频率的周期性变化的磁场答案BD3．(多选)某电场中电场强度随时间变化的图像如选项图所示，能产生磁场的电场是()答案ABC解析根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，选项A、B、C正确．考点二电磁波谱及电磁波的应用4．(多选)关于光波和无线电波，下列说法正确的是()A．都是电磁波B．都可以在真空中传播C．在真空中的传播速度都是3×108m/sD．二者的波长、频率均相同答案ABC解析光波和无线电波本质上都是电磁波，都可以在真空中传播，在真空中传播的速度都是3×108m/s，A、B、C对；光波和无线电波波长、频率不同，D错．5．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是()A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限B．γ射线的频率一定大于X射线的频率C．X射线的波长有可能等于紫外线波长D．可见光波长一定比无线电波的短答案CD解析X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D正确．6．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是()A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，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是X射线D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光答案D解析X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学反应，可以使感光底片感光，故D正确．7．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是()A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同答案B解析无论是电磁波还是声波，都可以传递能量和信息，则A项错误；手机通话时，打电话人的手机将声波转化成电磁波，接收者的手机再将电磁波转换成声波，B项正确；太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波的传播速度不相同，C项错误；遥控器发出的红外线频率和医院“CT”中的X射线频率不同，它们的波长也不相同，D项错误．8．间谍卫星上装有某种遥感照相机，可用来探测军用和民用目标．这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车，即使车队离开，也瞒不过它．这种遥感照相机敏感的电磁波属于()A．可见光波段 B．红外线波段C．紫外线波段 D．X射线波段答案B解析一切物体在任何情况下都辐射红外线，但不能随意辐射可见光、紫外线和X射线，故这种遥感照相机敏感的电磁波属于红外线波段，B正确．9．频率为5×1014Hz的红光，从10m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？答案3.3×10－8s1.7×107个解析由c＝λf得，该红光的波长λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,5×1014)m＝6×10－7m．传到眼睛需要的时间是t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.3×10－8s，在这个距离中的波长数有n＝eq\f(x,λ)＝eq\f(10,6×10－7)≈1.7×107(个)．10．波长为50～100m的无线电波