2020高中物理 第十四章 電磁波 第1節(jié) 電磁波的發(fā)現學案 新人教版選修3-4

第1節(jié)電磁波的發(fā)現1知道麥克斯韋電磁場理認及其在物理學發(fā)展史上的意義。2了解電磁波的基本特點、發(fā)現過程及傳播規(guī)律，知道電磁波與機械波的區(qū)別。一、偉大的預言1變化的磁場產生電場(1)實驗基礎：如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里將會產生感應電流。(2)麥克斯韋對現象的分析：回路中有感應電流產生，一定是變化的磁場產生了電場，自由電荷在電場力作用下產生了定向移動。(3)麥克斯韋第一條假設：即使在變化的磁場周圍沒有閉合電路，同樣要產生電場，變化的磁場產生電場是一個普遍規(guī)律。2變化的電場產生磁場麥克斯韋確信自然規(guī)律的統一性、和諧性，相信電場和磁場的對稱之美。他大膽地假設，既然變化的磁場能產生電場，變化的電場也會在空間產生磁場。3麥克斯韋對電磁波的預言如果在空間某區(qū)域內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：赫茲通過一系列的實驗，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振現象，并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證實了麥克斯韋關于光的電磁理論。判一判(1)變化的電場一定產生變化的磁場。()(2)磁場一定可以產生電場，電場也一定可以產生磁場。()(3)電磁波在真空和介質中傳播速度相同。()(4)只要有電場和磁場，就能產生電磁波。()(5)電磁波在同種介質中只能沿直線傳播。()提示：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×想一想(1)麥克斯韋根據什么認為“變化的磁場產生電場”？提示：麥克斯韋是在法拉第電磁感應現象的基礎上提出“變化的磁場產生電場”的假設。(2)關于“變化的電場產生磁場”的觀點，他是在什么情況下提出的？提示：“變化的電場產生磁場”是他相信自然規(guī)律和諧統一而假設的，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生電場，那么變化的電場也能夠在空間產生磁場。課堂任務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，電路里會產生感應電流，其實質是變化的磁場在它周圍產生了電場，電路中的自由電荷在電場力作用下做定向運動，形成了感應電流，即使在變化的磁場周圍沒有閉合電路同樣可以產生電場。(2)電磁場理論的核心之二：變化的電場產生磁場麥克斯韋認為：由電現象和磁現象的相似性和變化的磁場能產生電場的觀點猜想變化的電場就像導線中的電流一樣，會在空間產生磁場。根據麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不僅導體中的電流要產生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產生磁場。(如圖所示)2對麥克斯韋電磁場理論的理解(1)恒定的電場不產生磁場。(2)恒定的磁場不產生電場。(3)均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場。(4)均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場。(5)周期性變化的電場產生同頻率的周期性變化的磁場。(6)周期性變化的磁場產生同頻率的周期性變化的電場。二、電磁波1理論預言如果在空間某區(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生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產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系著的，形成不可分割的統一體，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言的正確性，第一次發(fā)現了電磁波。(1)赫茲的實驗裝置，如圖所示。(2)實驗現象：當感應圈兩個金屬球間有火花跳過時，導線環(huán)兩個小球間也跳過火花。(3)現象分析：當感應圈使得與它相連的兩個金屬球間產生電火花時，空間出現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。當電磁波到達導線環(huán)時，它在導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢，使得導線環(huán)的空隙中也產生了火花。例1根據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生電場B在變化的電場周圍一定產生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產生變化的電場C均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場D周期性變化的磁場周圍空間一定產生周期性變化的電場(1)均勻變化的磁場(或電場)產生怎樣的電場(或磁場)?提示：均勻變化的磁場(或電場)產生恒定的電場(或磁場)。(2)周期性振蕩的磁場(或電場)產生怎樣的電場(或磁場)?提示：周期性變化的磁場(或電場)產生同頻率周期性變化的電場(或磁場)。規(guī)范解答根據麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產生磁場，均勻變化的電場產生恒定的磁場，非均勻變化的電場產生變化的磁場，只有D正確。完美答案D對“變化的磁場產生電場”的理解(1)恒定的磁場不產生電場。均勻變化的磁場產生恒定的電場。非均勻變化的磁場產生變化的電場。周期性變化的磁場產生同頻率的周期性變化的電場。下列關于電場與磁場的產生的理解正確的是()答案C解析題中A、B選項所描述的磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋電磁場理論可知其周圍空間不會產生電場，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，在其周圍空間產生周期性變化的磁場，其相位差為，D錯誤。課堂任務電磁波1電磁波的產生變化的電場和變化的磁場總是交替產生，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，在真空中電磁波的傳播速度跟光速相同，即c3.0×108 m/s。(3)電磁波具有波的共性，能產生干涉、衍射等現象。電磁波與物質相互作用時，能發(fā)生反射、吸收、折射等現象。3電磁波的波速、波長與頻率的關系cf。4電磁波與機械波的異同點(1)電磁波與機械波的相同點電磁波與機械波一樣，能發(fā)生反射、折射、衍射、干涉等現象。電磁波與機械波一樣，是傳播能量的一種形式，能傳遞信息。電磁波的波長、頻率、周期、波速關系與機械波一樣滿足vf，T，且傳播過程中頻率不變。(2)電磁波與機械波的不同點產生的機理不同：電磁波是電磁運動產生的，是變化的電磁場在空間的傳播；機械波是機械運動產生的，是機械振動這一運動形式在介質中的傳播。電磁波傳播不需要介質，機械波必須有介質才能傳播。電磁場本身是一種物質，電磁波是物質傳播的形式，是靠電和磁的相互“感應”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，真空中也能傳播。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。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c3.0×108 m/s，電磁波傳播雖然不需要介質，但在其他介質中的速度都比在真空中的小。例2(多選)關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，聲波的傳播有時也不需要介質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，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，從一種介質進入另一種介質時頻率都不變，所以由波長及它們在不同介質中的傳播速度可知，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現象電磁現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，波速與介質有關，與頻率無關傳播無需介質，在真空中波速總等于光速c，在介質中傳播時，波速與介質和頻率都有關產生機理由質點(波源)的振動產生由電磁振蕩激發(fā)是否橫波可以是是是否縱波可以是否干涉現象滿足條件時均能發(fā)生干涉現象衍射現象滿足條件時均能發(fā)生明顯衍射(多選)以下關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上是一致的B機械波的波速只與介質有關，而電磁波在介質中的波速，不僅與介質有關，而且與電磁波的頻率有關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、干涉和衍射現象答案BCD解析機械波由機械振動產生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產生，機械波是質點振動的傳播，傳播需要介質，速度由介質決定；電磁波是物質波，傳播不需要介質。電磁波的波速由介質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：合格性水平訓練1(物理學史)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(電磁波)下列關于電磁波的說法正確的是()A電磁波必須依賴介質傳播B電磁波可以發(fā)生衍射現象C電磁波不會發(fā)生偏振現象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象，B正確；電磁波是橫波，橫波能發(fā)生偏振現象，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是都能傳輸能量，B正確；機械波的傳播需要介質，兩者波速均隨介質的變化而不同，C、D錯誤。5(電磁場理論)某空間中出現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解析首先應知道閉合的電場線是由變化的磁場產生的，閉合的電場線類似于環(huán)形電流，根據楞次定律環(huán)形電流產生的磁場由BA，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，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，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。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 s0.176 s；傳到乙所需時間為t2 s s0.018 s，故B正確。B組：等級性水平訓練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恒定的電場周圍產生恒定的磁場，恒定的磁場周圍產生恒定的電場B變化的電場周圍產生磁場，變化的磁場周圍產生電場C均勻變化的電場周圍產生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場周圍產生均勻變化的電場D均勻變化的電場周圍產生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場周圍產生穩(wěn)定的電場E周期性變化的電場周圍產生周期性變化的磁場，周期性變化的磁場周圍產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容是：變化的電場產生磁場；變化的磁場產生電場。對此理論全面正確理解為：不變化的電場周圍不產生磁場；變化的電場可以產生變化的磁場，也可產生不變化的磁場；均勻變化的電場產生穩(wěn)定的磁場；周期性變化的電場產生同頻率的周期性變化的磁場。由變化的磁場產生電場的規(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B電磁波從一種介質進入另一種介質，頻率不變C電磁波傳播的過程中也傳遞了能量D在電場周圍一定產生磁場，磁場周圍一定產生電場答案BC解析周期性變化的電場與磁場相互感應產生，并向外傳播，從而形成電磁波，電磁波的傳播不需要介質，A錯誤；只有變化的電場(磁場)才能產生磁場(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，槽內光滑，槽寬度和深度處處相同?，F將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，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的圓面積，磁感應強度B的大小跟時間成正比，方向豎直向下。設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解析根據麥克斯韋電磁場理論可知，磁感應強度隨時間線性增大時將產生穩(wěn)定的感應電場，根據楞次定律可知感應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FqBv，因為速率v隨時間逐漸增大，且Bt，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30 km，地面上的工作人員通過測量發(fā)現該電磁波由發(fā)射到被月球車接收所用的時間為t1.3 s，電磁波的速度為c3×108 m/s。則在發(fā)射器與月球車之間的距離相當于多少個波長？答案1.3×104個解析發(fā)射器與月球車之間的距離xct3.9×108 m相當于電磁波波長的個數n個1.3×104個。12(綜合)在電視節(jié)目中，我們經?？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？(已知地球的質量為6.0×1024 kg，地球半徑為6.4×106 m，引力常量為6.67×1011 N·m2·kg2，計算結果保留兩位有效數字)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(Rh)hR3.59×107 m則一方講話另一方聽到所需的最少時間是t0.24 s。- 11 -