高中物理人教版 (2019)必修 第三冊4 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用學案設(shè)計

這是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三冊4 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用學案設(shè)計，共15頁。學案主要包含了電磁場，電磁波，電磁波譜，電磁波的應用等內(nèi)容，歡迎下載使用。
電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用 一、電磁場1.麥克斯韋電磁場理論的兩個基本假設(shè):(1)變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場(如圖甲所示)。(2)變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場(如圖乙所示)。2.電磁場:變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生,形成不可分割的統(tǒng)一體,稱為電磁場。二、電磁波　如圖所示,戰(zhàn)爭中,天上有衛(wèi)星,空中有戰(zhàn)機,地上有戰(zhàn)車,海里有戰(zhàn)艦。你知道是什么把這些戰(zhàn)場要素連成一個有機的整體的嗎?提示:是電磁波。戰(zhàn)場各個要素通過電磁波互通有無,傳遞信息,構(gòu)成一個有機的戰(zhàn)場系統(tǒng)。1.電磁波的產(chǎn)生:周期性變化的磁場周圍會產(chǎn)生周期性變化的電場,周期性變化的電場周圍也會產(chǎn)生周期性變化的磁場。變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系在一起,就會在空間形成一個統(tǒng)一的、不可分割的電磁場,這種在空間交替變化的電磁場傳播出去就形成了電磁波。2.電磁波可以在真空中傳播,電磁波的傳播不需要介質(zhì)。3.光也是電磁波:(1)電磁波的傳播速度恰好與真空中的光速相同。(2)麥克斯韋指出,光是以波動形式傳播的一種電磁振動。4.赫茲的電火花:如圖所示,和高壓感應線圈相連的拋光金屬球間產(chǎn)生電火花時,空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場,這種變化的電磁場以電磁波的形式傳到了導線環(huán),導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢,使與導線環(huán)相連的金屬球間也產(chǎn)生了電火花。這個導線環(huán)實際上是電磁波的檢測器。結(jié)論:赫茲實驗證實了電磁波的存在,檢驗了麥克斯韋電磁場理論的正確性。三、電磁波譜1.波峰與波谷:在一列水波中,凸起的最高處叫作波峰;凹下的最低處叫作波谷。2.波長、頻率與波速:如圖鄰近的兩個波峰(或波谷)的距離叫作波長,波長用符號λ來表示;波的頻率是在1 s內(nèi)有多少次波峰(或波谷)通過,頻率用符號f來表示;波速是用來描述波傳播快慢的物理量,波速用符號c來表示。3.波速、波長、頻率三者之間的關(guān)系:c=λf,其中c=3×108 m/s。4.電磁波譜的概念及分類:(1)概念:按電磁波的波長或頻率大小的順序排列成譜,叫作電磁波譜。(2)分類:按照波長從長到短依次排列為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。5.電磁波的特點及應用:(1)無線電波:波長大于1 mm(頻率小于300 GHz)的電磁波是無線電波。①無線電波中的中長短波:廣播及其他信號傳輸。②無線電波中的微波:衛(wèi)星通信、電視等。(2)紅外線:①紅外線是一種光波,波長比無線電波短,比可見光長,其主要特點是熱效應。②所有物體都發(fā)射紅外線,熱物體的紅外輻射比冷物體的紅外輻射強。③紅外線主要用于加熱理療、紅外遙感和紅外高速攝影等。(3)可見光:可見光的波長在400 nm到760 nm之間,可見光讓我們看見這個世界,也可用于通信。(4)紫外線:①波長范圍在5__nm到370__nm之間,其主要特點是化學效應。 ②具有較高的能量,應用于滅菌消毒,具有較強的熒光效應,用來激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光。(5)X射線和γ射線:①X射線頻率比紫外線高,穿透力較強,用來檢查工業(yè)部件有無裂紋或氣孔,醫(yī)學上用于人體透視。②γ射線頻率比X射線還要高,具有很高的能量,穿透力更強,醫(yī)學上用來治療癌癥,工業(yè)上用于探測金屬部件內(nèi)部是否有缺陷。四、電磁波的應用1.電磁波具有能量:(1)可以用儀器探測到電磁波的存在,說明電磁波是一種真實存在的物質(zhì)。(2)生活中常常用微波爐來加熱食物,說明電磁波具有能量,且電磁波的頻率越高,能量越大。2.電磁波通信:電磁波可以通過電纜、光纜進行有線傳輸,也可實現(xiàn)無線傳輸。電磁波的頻率越高,相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大。3.電視:(1)攝影機把圖像變成電信號。(2)發(fā)射機把電信號加載到頻率很高的電磁波上。(3)發(fā)射天線將高頻信號發(fā)射到空中。(4)電視機的接收天線把高頻信號接收下來。(5)電視機把圖像信號取出并放大。(6)顯像管將圖像信號還原為圖像。4.雷達:(1)雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備。(2)雷達既是電磁波的發(fā)射端,又是電磁波的接收端。(3)原理:雷達用直線性好的微波定位。無線電波的傳播速度是c,測出從發(fā)射無線電波到接收反射波的時間t,就可以確定障礙物的距離L=。實際上,障礙物的距離等數(shù)據(jù)由電子電路自動計算并在熒光屏上顯示。5.移動電話:(1)每一部移動電話都是一個無線電臺,同時又相當于一臺收音機。(2)移動電話的體積很小,發(fā)射功率不大;它的天線也很簡單,靈敏度不高。因此,它與其他用戶的通話要靠較大的固定無線電臺轉(zhuǎn)接,這種固定的電臺叫作基地臺或基站。(1)變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場。 (×)(2)恒定電流周圍產(chǎn)生磁場,磁場又產(chǎn)生電場。 (×)(3)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108 m/s。 (√)(4)麥克斯韋預言并驗證了電磁波的存在。 (×)(5)電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3×108 m/s。 (×)(6)光也是一種電磁波。 (√)知識點一　電磁波的理解角度1麥克斯韋電磁場理論及其理解1.麥克斯韋電磁場理論:(1)變化的磁場周圍會產(chǎn)生電場:麥克斯韋提出,在變化的磁場周圍會激發(fā)出一種電場,不管有無閉合電路,變化的磁場激發(fā)的電場總是存在的,如圖所示:(2)變化的電場周圍會產(chǎn)生磁場:麥克斯韋從場的觀點得出,即使沒有電流存在,只要空間某處的電場發(fā)生變化,就會在其周圍產(chǎn)生磁場。2.對麥克斯韋電磁場理論的理解:恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場　(1)觀察上面兩幅圖,變化的磁場所產(chǎn)生電場的電場線和以前所學靜電場的電場線有區(qū)別嗎?提示:變化的磁場所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的;而靜電場中的電場線是不閉合的。(2)變化的磁場一定能產(chǎn)生電磁波嗎?為什么?提示:不一定,均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場,不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場,如果變化的磁場能產(chǎn)生變化的電場,變化的電場又能產(chǎn)生變化的磁場,才能在周圍空間產(chǎn)生電磁波。【典例1】關(guān)于電磁場理論,下列說法正確的是 (　　)A.在電場周圍產(chǎn)生磁場,磁場周圍產(chǎn)生電場B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生的磁場,在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生的電場C.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生的磁場D.周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場【審題關(guān)鍵】序號解題依據(jù)信息提取①恒定電場不產(chǎn)生磁場,恒定磁場不產(chǎn)生電場電場一定產(chǎn)生磁場,磁場一定產(chǎn)生電場②均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場,均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場變化的電場產(chǎn)生變化的磁場,變化的磁場產(chǎn)生變化的電場③均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的電場產(chǎn)生均勻變化的磁場【解析】選D。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,只有變化的電場能產(chǎn)生磁場,均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場,非均勻變化的電場才產(chǎn)生變化的磁場。角度2電磁波的性質(zhì)1.電磁波的形成示意圖:2.電磁波的特點:(1)在傳播方向上,任意一點的E和B都隨時間周期性變化,E和B彼此垂直,且與電磁波的傳播方向垂直。如圖(2)電磁場中儲存電磁能,電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程。(3)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c=3.0×108 m/s,電磁波傳播雖然不需要介質(zhì),但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小。(4)只有周期性變化的電場和磁場相互激發(fā)才能形成電磁波。(5)光也是一種電磁波。空間存在如圖所示的電場,那么在空間能不能產(chǎn)生磁場?在空間能不能形成電磁波?提示:如題圖所示的電場是均勻變化的,根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知會在空間激發(fā)出磁場,但磁場恒定,不會激發(fā)出新的電場,故不會產(chǎn)生電磁波。【典例2】某電路中電場隨時間變化的圖像如下列各圖所示,能發(fā)射電磁波的電場是 (　　)【解析】選D。圖A中電場不隨時間變化,不會產(chǎn)生磁場;圖B和圖C中電場都隨時間做均勻的變化,只能在周圍產(chǎn)生恒定的磁場,也不會產(chǎn)生和發(fā)射電磁波;圖D中電場隨時間做不均勻的變化,能在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場,而這磁場的變化也是不均勻的,又能產(chǎn)生變化的電場,從而交織成一個不可分割的統(tǒng)一體,即形成電磁場,能發(fā)射電磁波。知識點二　電磁波譜的理解角度1各種電磁波的共性和個性1.共性:(1)在本質(zhì)上都是電磁波,遵循相同的規(guī)律,各波段之間的區(qū)別并沒有絕對的意義。(2)都遵循公式v=λf,在真空中的傳播速度都是c=3×108 m/s。(3)傳播都不需要介質(zhì)。2.個性:不同的電磁波由于具有不同的波長(頻率),故具有不同的特性。如圖所示為美國最先進的KH—12光學偵察衛(wèi)星,采用先進的自適應光學成像技術(shù),地面分辨率最高可達0.1米,是美國天基偵查的主力軍。那么,你知道它上面攜帶的相機在夜間進行紅外攝像時工作在什么波段嗎?該波段有什么特點?提示:工作在紅外線這一波段。該波段的波長大于可見光而小于無線電波,主要效應為熱效應,常用于加熱理療、紅外遙感攝像等。【典例1】(多選)關(guān)于電磁波譜,下列說法正確的是 (　　)A.波長不同的電磁波在本質(zhì)上完全相同B.電磁波的波長若差異太大則會出現(xiàn)本質(zhì)不同的現(xiàn)象C.電磁波譜的頻帶很寬D.電磁波的波長很短,所以電磁波的頻帶很窄【解析】選A、C。電磁波譜中的電磁波在本質(zhì)上是完全相同的,只是波長或頻率不同而已,其中波長最長的波跟波長最短的波之間的頻率相差1020倍,又由波速公式v=λf知,電磁波譜的頻帶也是很寬的。角度2不同電磁波的特性及應用1.電磁波譜圖:各電磁波按波長從大到小或頻率從低到高可排列成如圖電磁波譜。2.不同電磁波的應用:電磁波譜無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線頻率(Hz)由左向右,頻率由低到高真空中波長由左向右,波長由長到短特性波動性強熱作用強感光性強化學作用,熒光效應穿透力強穿透力最強用途通信、廣播、導航加熱、遙測、遙感、紅外攝像、紅外制導照明、照相等日光燈、殺菌消毒、治療皮膚病等檢測、探測、透視、治療探測、治療　提醒:(1)波長越長的電磁波頻率越低,能量越低,衍射能力越強,穿透力越差。(2)波長越短的電磁波頻率越高,能量越高,衍射能力越弱,穿透力越強。“光子刀”具有附帶損傷小,術(shù)后恢復快等特點,被廣泛應用于各種惡性腫瘤的治療中。那么,你知道這種“光子刀”工作在什么波段?該波段有什么特點嗎?提示:這種“光子刀”工作在γ射線波段,該波段頻率高 ,能量大,穿透力強,被廣泛應用于工業(yè)金屬探傷、醫(yī)學腫瘤治療等領(lǐng)域。【典例2】關(guān)于電磁波的特性和應用,下列說法正確的是 (　　)A.紅外線和X射線都有很強的穿透本領(lǐng),常用于醫(yī)學上透視人體B.過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康C.電磁波頻率最大的是γ射線,醫(yī)學上常用它進行人體透視檢查D.紫外線和X射線都可以使感光底片感光【解析】選D。X射線有很強的穿透本領(lǐng),常用于醫(yī)學上透視人體,紅外線沒有,A錯誤;過強的紫外線照射對人的皮膚有害,B錯誤;電磁波中頻率最大的是γ射線,但其頻率太高,輻射太強,不適于進行人體透視檢查,C錯誤,D正確。1.(多選)關(guān)于電磁波的應用,下列說法正確的是 (　　)A.醫(yī)院里常用X射線對病房和手術(shù)室進行消毒B.工業(yè)上利用γ射線檢查金屬部件內(nèi)有無砂眼或裂縫C.刑偵上用紫外線拍攝指紋照片,因為紫外線波長短,分辨率高D.衛(wèi)星用紅外遙感技術(shù)拍攝云圖照片,因為紅外線穿透能力較強【解析】選B、C。醫(yī)院里用紫外線殺菌消毒,A錯誤;衛(wèi)星用紅外遙感技術(shù)拍攝云圖照片是利用了一切溫度不同的物體都有頻率不同的紅外輻射的特點,再說紅外線穿透能力并不強,故D錯誤,B、C正確。2.雷達在搜尋目標時,接收到回波所用時間為1.2×10-4 s,則此目標距雷達 (　　)A.36 km　　　B.72 km　　　C.18 km　　　D.9 km【解析】選C。s=c·t=3×105××1.2×10-4 km=18 km,故C正確。3.(多選)在電磁波中,波長按從長到短排列的是 (　　)A.無線電波、可見光、紅外線B.無線電波、可見光、γ射線C.紅光、黃光、綠光D.紫外線、X射線、γ射線【解析】選B、C、D。電磁波譜按波長從長到短排列順序依次是無線電波→紅外線→可見光(紅、橙、黃、綠、青、藍、紫)→紫外線→X射線→γ射線,由此可知B、C、D選項正確。【拓展例題】考查內(nèi)容:電磁波在生活中的應用【典例】一雷達站探測敵機時熒光屏上出現(xiàn)的記錄圖像如圖,A是發(fā)射時的雷達探索波的脈沖波形,B是敵機反射回來的脈沖波形,則敵機與雷達站的距離是????????????? (　　)A.9×105 m　　　　　　　    　B. 4.5×105 mC.3×105 m        D.無法確定【解析】選B。由題圖知兩波形相差3×10-3 s ,即敵機與雷達站距離為s=vt=3×108××3×10-3 m=4.5×105 m,故B正確。如圖所示,手機已成為人們普遍使用的通信和娛樂工具。探究:(1)它是利用________(選填“電磁波”或“超聲波”)進行通信的。 (2)這種波________(選填“能”或“不能”)在真空中傳播。 【解析】(1)手機既是電磁波的發(fā)射臺,也是電磁波的接收臺,它是利用電磁波來傳遞信息的。(2)電磁波本身就是物質(zhì),故能在真空中傳播。答案:(1)電磁波　(2)能如圖所示,某雷達站正在跟蹤一架飛機,此時飛機正朝著雷達站方向勻速飛來。某一時刻雷達發(fā)射出一個雷達脈沖波,經(jīng)過2×10-4 s后收到反射波;隔0.8 s后再發(fā)出一個脈沖波,經(jīng)過1.98×10-4 s收到反射波。探究:(1)雷達波是超聲波還是電磁波?波速為多少?(2)若雷達波的頻率為1.5×1010 Hz,此波的波長為多少?【解析】(1)雷達波是電磁波,波速為3.0×108 m/s。(2)根據(jù)波長、波速、頻率的關(guān)系可得: λ== m=2×10-2 m。答案:(1)電磁波　3.0×108 m/s　(2)2×10-2 m1.高原上的人皮膚黝黑的原因是 (　　)A.與高原上人的生活習慣有關(guān)B.與高原上的風力過大有關(guān)C.與高原上紫外線輻射過強有關(guān)D.由遺傳基因本身決定的【解析】選C。高原上的紫外線輻射比平原高很多,而紫外線對皮膚有生理作用,可使皮膚變黑且粗糙。2.下列說法中正確的是 (　　)A.各種電磁波中穿透能力最弱的是γ射線B.紅外線有顯著的熱效應,紫外線有顯著的化學作用C.X射線的穿透本領(lǐng)比γ射線更強D.低溫物體不能輻射紅外線【解析】選B。在各種電磁波中,γ射線的頻率最高,穿透能力最強,故A選項錯誤;頻率越高,穿透本領(lǐng)越強,故C選項錯誤;一切物體都能輻射紅外線,故D錯誤,正確選項為B。3.在電磁波譜中,紅外線、可見光和倫琴射線(X射線)三個波段的頻率大小關(guān)系是 (　　)A.紅外線的頻率最大,可見光的頻率最小B.倫琴射線的頻率最大,紅外線的頻率最小C.可見光的頻率最大,紅外線的頻率最小D.倫琴射線的頻率最大,可見光的頻率最小【解析】選B。在電磁波譜中,紅外線、可見光和倫琴射線(X射線)按照頻率從大到小的排列順序是:倫琴射線(X射線)、可見光、紅外線。4.19世紀中葉,英國物理學家____________系統(tǒng)總結(jié)了人類對電磁規(guī)律的研究成果,提出了電磁場理論并預言了電磁波的存在,赫茲用實驗證實了電磁波的存在。電磁波在日常生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應用,某衛(wèi)星傳送電視信號的頻率為2.0×109 Hz, 它在真空中的波長為__________m 。 【解析】預言電磁波存在的物理學家是麥克斯韋;由v=λf可知:波長λ== m=0.15 m答案:麥克斯韋　0.15【加固訓練】某收音機接收電路中,接收到了波長為500 m的電磁波,則該電磁波的頻率為多少?【解析】由波速公式v=λf知該電磁波的頻率f== Hz=6×105 Hz。答案:6×105 Hz