2020版高中物理第四章电磁波及其应用第1讲电磁波的发现学案新人教版选修1-1

2020版高中物理第四章电磁波及其应用第1讲电磁波的发现学案新人教版选修1-1

第1讲　电磁波的发现 ‎[目标定位]　1.理解麦克斯韦电磁场理论的两个支柱：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场.了解变化的电场和磁场相互联系形成统一的电磁场.2.了解电磁场在空间传播形成电磁波.3.了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验在物理学发展中的贡献.体会两位科学家研究物理问题的方法.‎ 一、伟大的预言 ‎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，电路里会产生感应电流.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.‎ ‎3.麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一.‎ 想一想　麦克斯韦从什么现象认识到变化的磁场能产生电场？关于“变化的电场能够产生磁场”的观点，他是在什么情况下提出的？‎ 答案　麦克斯韦从法拉第电磁感应现象认识到变化的磁场能够产生电场.麦克斯韦确信自然界规律的统一与和谐，相信电场与磁场有对称之美.他认为：既然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.‎ 二、电磁波 ‎1.电磁波的产生：如果在空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化电场……于是，变化的电场和磁场交替产生，由近及远地传播.电磁场这样由近及远地传播，就形成电磁波.‎ ‎2.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.‎ 9‎ ‎(4)光是以波动形式传播的一种电磁振动.‎ 想一想　空间存在如图4－1－1所示的电场，那么在空间能不能产生磁场？在空间能不能形成电磁波？‎ 图4－1－1‎ 答案　如图所示的电场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发起电场，故不会产生电磁波.‎ 三、赫兹的电火花 ‎1.赫兹首先捕捉到电磁波，在以后的一系列实验中，证明了电磁波与光具有相同的性质.他还测得，电磁波在真空中具有与光相同的传播速度c.‎ ‎2.赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论.‎ ‎3.赫兹被誉为无线电通信的先驱.后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹.‎ 想一想　是赫兹预言了电磁波的存在，并用实验证实其存在的吗？‎ 答案　不是.麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在.‎ 一、对麦克斯韦电磁场理论的理解 ‎1.变化的磁场产生电场 如图4－1－2所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关.导体环的作用只是用来显示电流的存在.‎ 图4－1－2‎ 注意　在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的.‎ ‎2.变化的电场产生磁场 根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不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4－1－3所示).‎ 9‎ 图4－1－3‎ ‎3.小结 ‎(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.‎ 例1　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.变化的电场和变化的磁场相互关联，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；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，B对，C、D错.‎ 针对训练1　如图4－1－4所示是某一固定面的磁通量的变化图象，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是(　　)‎ 图4－1－4‎ A.逐渐增强 B.逐渐减弱 C.不变 D.无法确定 答案　C 解析　由图象可知，磁场在均匀变化，故在磁场周围产生的电场是稳定不变的.‎ 二、对电磁波的理解 ‎1.电磁波的形成 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 9‎ ‎(1)电磁波是横波.电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与二者均垂直的方向传播.‎ ‎(2)电磁波的传播不需要介质.在真空中传播速度等于光速c＝3.00×‎108 m/s.‎ ‎(3)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.‎ ‎(4)电磁波具有波的一切特性，能够发生反射、折射等现象.‎ 例2　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)必须是非均匀变化的，所以A选项错误；电磁波是物质波，电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播，B选项错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，C选项正确；电磁波可以使电荷移动，说明电磁波具有能量，电磁波传播的过程，也就是能量的传播过程，所以D正确.‎ 针对训练2　关于电磁波在真空中的传播速度，以下说法正确的是(　　)‎ A.电磁波的频率越高，传播速度越大 B.电磁波的波长越长，传播速度越大 C.电磁波的能量越大，传播速度越大 D.所有电磁波在真空中的传播速度都相等 答案　D 解析　电磁波在真空中的传播速度为光速，与其他因素无关.‎ 对麦克斯韦电磁场理论的理解 ‎1.关于电磁场理论，下列说法中正确的是(　　)‎ A.在电场的周围空间一定产生磁场 B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场 C.均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场 D.振荡电场在周围空间产生变化的磁场 答案　D 9‎ 解析　由麦克斯韦电磁场基本理论知：不变化的电场周围不产生磁场，变化的电场周围一定产生磁场，产生的磁场性质是由电场的变化情况决定的，均匀变化的电场产生稳定的磁场，不均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场，反之亦然，故选项D正确.‎ ‎2.在空间某处存在一个变化的磁场，则下列说法正确的是(　　)‎ A.在变化的磁场周围一定能产生变化的电场 B.在磁场中放一个闭合线圈，线圈里一定有感应电流 C.在磁场中放一个闭合线圈，线圈里不一定有感应电流 D.变化的磁场周围产生电场，跟闭合线圈的存在与否无关 答案　CD 解析　均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，A错；在磁场中放置一个闭合线圈，如果穿过线圈的磁通量没有变化，则不会产生感应电动势，也就不会有感应电流，B错，C对；变化的磁场周围一定产生电场，与是否存在线圈无关，D对.‎ 对电磁波的理解 ‎3.关于电磁场和电磁波，下列叙述中正确的是(　　)‎ A.均匀变化的电场在它周围空间产生电磁波 B.电磁波必须依赖于介质传播 C.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直，且与波的传播方向垂直 D.只要空间某个区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波 答案　CD 解析　均匀变化的电场在它周围产生稳定的磁场，由电磁场理论知，稳定的磁场不再产生电场，所以不能形成电磁波，故A项错；电磁波是周期性变化的电场与磁场的交替激发，所以传播不需要介质，B项错.‎ ‎4.对于声波和电磁波的比较，下面说法中正确的是(　　)‎ A.它们都能发生反射现象 B.声音是由物体振动产生的，电磁波是由变化的电磁场产生的 C.光是一种电磁波，B超利用的是超声波 D.它们都能在真空中传播 答案　ABC 解析　声波和电磁波都属于波，所以它们都具有波的共性，能发生反射现象，故选项A正确 9‎ ‎；但它们产生的机理不同，声音是由物体振动产生的，电磁波是由变化的电磁场产生的，故选项B正确；光是一种电磁波，B超利用的是超声波，故选项C正确；电磁波既能在介质中传播又能在真空中传播，而声波只能在介质中传播，故选项D错误.‎ ‎(时间：60分钟)‎ 题组一、对麦克斯韦电磁场理论的理解 ‎1.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.最早预见到有电磁波存在的科学家是赫兹 答案　ABC 解析　最早预见到有电磁波的科学家是麦克斯韦，赫兹用实验证明了电磁波的存在，D项不正确；由物理学史的知识可知，其他三项都是正确的.‎ ‎2.按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法正确的是(　　)‎ 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 答案　BD 解析　麦克斯韦的电磁场理论的核心内容是：变化的电场周围产生磁场；变化的磁场周围产生电场.对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化磁场，也可以产生不变化磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；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以上类似，故正确答案为B、D.‎ ‎3.根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　)‎ A.电场周围一定产生磁场，磁场周围也一定产生电场 B.变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围也一定产生电场 C.变化的电场周围一定产生变化的磁场 9‎ D.电磁波在真空中的传播速度为3.00×‎108 m/s 答案　BD 解析　根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场，但变化的电场周围不一定产生变化的磁场，如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场，所以正确的选项是B、D.‎ ‎4.某电场中电场强度随时间变化的图象如图所示，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.‎ 题组二、对电磁波的理解 ‎5.下列说法正确的是(　　)‎ A.电磁波即电磁场在空间的传播 B.麦克斯韦依据光速和电磁波速度相同而预言光是一种电磁波 C.赫兹不仅证实了电磁波的存在，还证实了光和电磁波具有相同的性质 D.电磁波和机械波最大的不同点是其传播不需要介质 答案　ABCD ‎6.下列关于机械波与电磁波的说法正确的是(　　 )‎ A.声波是机械波，耳朵能够听到声波，是因为耳朵和声源之间有空气 B.水波的传播需要水，没有水就没有水波 C.电磁波传播需要空气，没有空气，即使产生了电磁波也传不出来 D.电磁波的传播速率等于光速，不受其它因素影响 答案　AB 解析　机械波的传播需要介质，在真空中不能传播；电磁波可以在真空中传播，选项A、B正确，C错误；电磁波只有在真空中的速度才等于光速，选项D错误.‎ ‎7.某电路中电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是(　　)‎ 9‎ 答案　D 解析　由麦克斯韦电磁场理论，当空间出现恒定的电场时(如A图)，由于其不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场(如B图、C图)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发起电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场(如D图)，才会激发出周期性变化的磁场，周期性变化的磁场又激发出周期性变化的电场……，如此不断激发，便会形成电磁波.‎ ‎8.下列关于电磁波的说法中，正确的是(　　 )‎ A.电磁波可以在真空中传播 B.电磁波不能在空气中传播 C.麦克斯韦第一次通过实验验证了电磁波的存在 D.法拉第第一次通过实验验证了电磁波的存在 答案　A 解析　电磁波可以在真空中传播，A对，B错；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故C、D错.‎ ‎9.关于电磁波，下列说法正确的是(　　)‎ A.光不是电磁波 B.电磁波需要有介质才能传播 C.只要有电场和磁场，就可以产生电磁波 D.真空中，电磁波的传播速度与光速相同 答案　D 解析　光也是一种电磁波，在真空中传播的速度为3.0×‎108 m/s，传播过程中不需要介质，故A、B错误，D正确；只有非均匀变化的电场或磁场，才能产生电磁波，故C错误.‎ ‎10.有一种“隐形飞机”，可以有效避开雷达的探测，秘密之一在于它的表面有一层特殊材料，这种材料能够______(填“增强”或“减弱”)对电磁波的吸收作用，秘密之二在于它的表面制成特殊形状，这种形状能够________(填“增强”或“减弱”)电磁波反射回雷达设备.‎ 答案　增强　减弱 9‎ 解析　题目介绍了电磁波在军事上的用途.电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的.要有效避开雷达的探测，就要设法减弱电磁波的反射.据此即可确定答案.‎ 9‎