2019-2020学年高中物理 第3章 电磁场与电磁波 1 麦克斯韦的电磁场理论学案 沪科版选修3-4

麦克斯韦的电磁场理论1.了解法拉第提出的“力线”和“场”的概念2.知道麦克斯韦电磁场理论的两大支柱是什么(重点)一、法拉第的贡献在人类研究电磁学的过程中，法拉第创造性地用“力线”和“场”的概念来描述电荷之间、磁体之间以及电与磁之间的相互作用它使人们对物质概念的认识提升到一个新的高度二、电磁场理论的两大支柱1变化的磁场产生电场假说的由来：麦克斯韦认为，在下图所示的实验中，由于变化的磁场产生感应电场，才使得线圈中产生感应电流，进而他设想，在线圈所在的空间即使没有闭合线圈，也存在感应电场，即空间磁场的变化，就会产生电场2变化的电场产生磁场假说的由来：麦克斯韦认为，在下图这个电路中，电容器中虽没有电荷通过，但它两极板上的电荷和极板间的电场都随时间发生变化他认为电路中的电流应该是闭合的，于是，他引入了一个全新的概念位移电流，并且进一步推断，由变化的电场引入的位移电流也应产生磁场，即变化的电场产生磁场三、电磁场理论伟大的丰碑1内容(1)变化的磁场产生电场磁场的变化是均匀的，产生的电场是稳定的磁场的变化是不均匀的，产生的电场是变化的(2)变化的电场产生磁场电场的变化是均匀的，产生的磁场是稳定的电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变化的2预言(1)变化的电场与变化的磁场相互激发，由近及远地在空间传播，形成电磁波(2)电磁波中的电场和磁场互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，所以电磁波是横波(3)电磁波可以在真空中传播，传播速度等于光速麦克斯韦电磁场理论的理解1随时间均匀变化的磁场(电场)产生稳定的电场(磁场)，该电场(磁场)不再产生磁场(电场)2随时间不均匀变化的磁场(电场)产生变化的电场(磁场)，该电场(磁场)还将产生磁场(电场)3随时间周期性变化的磁场(电场)产生同频率周期性变化的电场(磁场)，还将继续产生同频率周期性变化的磁场(电场)4恒定的电场不产生磁场5恒定的磁场不产生电场关于电磁场理论，下列说法正确的是()a在电场周围一定产生磁场，在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，在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产生均匀变化的磁场d不均匀变化的电场一定产生变化的磁场解析本题是对麦克斯韦理论的直接考查，根据理论，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 麦克斯韦关于电磁波的预言麦克斯韦预言了电磁波的存在赫兹实验验证了电磁波的存在，为无线电技术的发展开拓了道路：1电磁波的形成：变化的电场和磁场并不局限于空间某个区域，而要由近及远向周围空间传播开去，这就形成了电磁波2电磁波的特点：电磁波的传播不需要介质，在真空中也可以传播，电磁波传递电磁场的能量在传播过程中，电磁波能发生反射、折射、干涉和衍射3电磁波的波速：在真空中任何频率的电磁波的传播速度跟光速相等c3.00108 m/s.4机械波与电磁波的区别机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性变化的物理量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特点需要介质；波速由介质决定，与频率无关；有横波、纵波传播无需介质；在真空中波速为c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关；只有横波产生由质点(波源)的振动产生由周期性变化的电流(电磁振荡)激发(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，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大c由空气进入水中时，电磁波的波长变小，声波的波长变大d电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定，与频率无关解析a、b均与事实相符，所以a、b正确；根据，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以c正确；电磁波在介质中的速度与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以d错误答案abc电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性：干涉、衍射等，但它们具有本质的不同，如机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播则不需要介质 麦克斯韦电磁场理论的应用(多选)如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度b随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球所带电荷量不变，那么()a小球对玻璃圆环的压力不断增大b小球受到的磁场力不断增大c小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动d磁场力对小球一直不做功解析玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功由楞次定律，判断电场方向为顺时针方向在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动小球在水平面内沿玻璃圆环半径方向受两个力作用：环的弹力fn和磁场的洛伦兹力fbqv，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力考虑小球速度大小、方向以及磁场强弱的变化，弹力fn和洛伦兹力f不一定始终在增大磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功答案cd随堂检测1关于电磁理论，以下说法正确的是()a在电场周围一定会产生磁场b任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场c均匀变化的电场会产生变化的磁场d周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场解析：选d.变化的电场周围一定产生磁场，但若电场不发生变化，则不能在周围空间产生磁场，所以a错；均匀变化的电场在周围空间产生磁场是不变的，只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场，b错；均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场，c错；周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场)，因此选项d对2(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是()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3.00108 m/sc电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短d电磁波不能产生干涉、衍射现象解析：选ac.搞清电磁波的产生机理，以及电磁波在真空中传播速度为光速c3108 m/s，且cf，从一种介质进入另一种介质，频率不发生变化，波长、波速变化另外电磁波仍具有波的特征电磁波只有在真空中的传播速度才为3.00108 m/s，而在其他介质中传播速度均小于3.00108 m/s.电磁波与其他波一样具有干涉、衍射等波的特性当电磁波由真空进入介质传播时，频率不变，那么cf，vf.因为cv，所以，波长变短，波速变小，故选a、c.3(多选)机械波和电磁波的比较，下列说法正确的是()a它们都可以发生反射、折射、干涉、衍射现象b机械波和电磁波本质上相同，只是频率不同而已c机械波的传播速度只取决于介质，和频率无关；电磁波的传播速度不仅取决于介质，还和频率有关d机械波的传播一定要有介质，电磁波没有介质也可以传播解析：选acd.机械波和电磁波都具有波的特性，可以发生反射、折射、干涉、衍射等现象机械波传播的是运动的形式振动电磁波传播的是电磁场，它们本质上不同电磁波可以在真空中传播，在介质中传播时，频率不同的电磁波在同一介质中传播速度不同，机械波的波速则由介质决定4.如图所示，在直导线pq周围出现了一组闭合的电场线，则可判定()aqp的电流迅速增强bqp的电流迅速减弱cpq的磁场迅速增强dpq的磁场迅速减弱解析：选d.qp的电流迅速增强(或减弱)，则产生的是从上自下看顺时针(或逆时针)的闭合磁场，所以a、b错；pq的磁场迅速增强将产生从上向下看逆时针的电场，pq的磁场迅速减弱将产生图示的电场，判定方向的方法类似于判定感应电流或电动势方向的方法，所以答案为d.课时作业一、单项选择题1在物理学史上，最先建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家是()a赫兹b爱因斯坦c麦克斯韦 d法拉第解析：选c.英国物理学家麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等人对电磁学研究的基础上提出了电磁场理论并预言了电磁波的存在2下列关于电磁波的说法正确的是()a均匀变化的磁场能够在空间产生电场b电磁波在真空和介质中传播速度相同c只要有电场和磁场，就能产生电磁波d电磁波在同种介质中只能沿直线传播解析：选a.变化的磁场就能产生电场，a对若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，c错光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断b错d选项中没强调是“均匀”介质，若介质密度不均匀会发生折射，故d错3下列关于变化的磁场产生电场的说法中，正确的是()a在变化的磁场中放一段导体，导体中的自由电荷不会定向移动b在变化的磁场中放一闭合电路，电路中将会产生感应电流c变化的磁场产生电场，这个电场的电场线是闭合的d变化的磁场产生电场，这个电场与静电场相同解析：选c.根据麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场周围产生电场，电场线是闭合的，所以选项c正确，选项d错误；变化的磁场周围虽然产生了电场，如果电路平面与电场线垂直，则电路中不会产生感应电流，所以选项b错误；在电场力的作用下，导体中的自由电荷移动，选项a错误；综上所述，本题的正确选项为c.4如图所示，氢原子中的电子绕核逆时针快速旋转，匀强磁场垂直于轨道平面向外，电子的运动轨道半径r不变，若使磁场均匀增加，则电子的动能()a不变 b增大c减小 d无法判断解析：选b.磁场均匀增强，周围空间产生的电场是稳定的，由楞次定律判断可知，周围空间产生的电场在电子轨道平面内沿顺时针方向，电子受到的电场力沿逆时针方向，使电子加速，b项正确二、多项选择题5根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()a在电场的周围空间，一定存在着和它联系着的磁场b在变化的电场周围空间，一定存在着和它联系着的磁场c恒定电流在其周围不产生磁场d恒定电流周围存在着稳定的磁场解析：选bd.电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故b正确，a错误；恒定电流周围存在稳定磁场，磁场的方向可由安培定则判断，c错误，d正确6关于变化的磁场产生的电场，下列说法正确的是()a只有在垂直于磁场的平面内存在闭合回路时，才可在闭合回路中产生电场b不论是否存在闭合回路，只要磁场发生了变化，就会产生电场c变化的磁场产生的电场的电场线是不闭合的曲线d变化的磁场产生的电场的电场线是闭合曲线解析：选bd.变化的磁场产生的电场是客观存在的，与是否存在闭合回路无关产生的电场的电场线是闭合曲线，b、d正确7下列是空间电场随时间变化的图像，如图所示，能产生周期性变化的电磁场的有()解析：选cd.根据麦克斯韦的电磁场理论：周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，如此下去，形成的电磁场向远处传播，所以本题四种电场变化方式中，选项c和选项d的变化电场能产生周期性变化的电磁场，所以正确选项为c、d.8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它们都可发生干涉、衍射现象解析：选bcd.机械波与电磁波产生的根源不同是由不同的运动形成的，产生的本质不同，a错误，b、c、d正确9下列说法正确的是()a声波从空气进入水中时，其波速增大，波长变长b纵波传播过程中各质点的运动方向与波的传播方向总是相同的c当波源与观察者相向运动时，波源自身的频率不变d均匀变化的磁场产生变化的电场，均匀变化的电场产生变化的磁场解析：选ac.本题考查机械波、电磁波、相对论的有关概念声波从空气进入水中时，频率不变，波速变大，波长变长，a项正确；纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的波，并不是两个方向相同，b项错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，d项错误10由麦克斯韦电磁场理论可知()a变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场b周期性变化的电场一定产生同频率的周期性变化的磁场c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d稳定的电场周围产生稳定的磁场，稳定的磁场周围产生稳定的电场解析：选abc.根据麦克斯韦理论，变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，均匀变化的电场(磁场)产生稳定的磁场(电场)，同频率振荡的电场(磁场)产生同频率振荡的磁场(电场)三、非选择题11磁场的磁感应强度b随时间t变化的四种情况，如图所示，其中能产生电场的有_图所示的磁场，能产生持续电磁波的有_图所示的磁场解析：根据麦克斯韦的电磁场理论，可以作如下判断：a图的磁场是恒定的，不能产生新的电场，更不能产生电磁波；b图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生持续的电磁波；c图中的磁场是均匀变化的，能产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，不能产生向外扩展的电磁场，因此不能产生持续的电磁波；d图所示磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，能产生电磁波答案：bcd bd12雷达是利用电磁波来测定物体的位置和速度的设备，它可以向一定方向发射不连续的电磁波，当遇到障碍物时要发生反射雷达在发射和接收电磁波时，