湖南省株洲市凤凰中学高二物理 4电磁波及其应用

湖南省株洲市凤凰中学高二物理 4电磁波及其应用

第三章 电磁波及其应用 ‎ 第 1 节 电磁波的发现 ‎【目标导航】:‎ ‎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和赫兹实验在物理学发展中的地位。体会两位科学家研究物理问题的思想方法。‎ ‎【迷津指点】: 2-4T 知识点1　电磁场理论的两个基本要点 １、 变化的磁场产生电场，这种电场与不同于静电场，是一种脱离电荷存在的漩涡电场。‎ ２、 变化的电场产生磁场，因为麦克斯韦相信电场和磁场具有对称之美，所以大胆假设。‎ 例题1 下列说法符合麦克斯韦电磁场理论的是（）‎ A在电场周围一定存在磁场 B在磁场周围一定存在电场 C变化的磁场产生电场 D变化的电场一定产生变化的磁场 解析：稳定磁场和电场周围都不产生电场和磁场，故AB错，均匀变化的电场产生稳定的磁场，故D错，答案为C 知识点2 电磁波是怎样产生的：‎ 如果在空间某处发生了周期性变化的电场，就会在空间引起周期性变化的磁场，这个周期性变化的磁场又会在较远的空间引起新的周期性变化的电场，新的周期性变化的电场又会在更远的空间引起新的周期性变化的磁场……这样，电磁场就由近及远向周围空间传播开去，形成了电磁波。‎ 例2 根据麦克斯韦的电磁场理论,下列说法中错误的是．‎ A、变化的电场可产生磁场 B、均匀变化的电场可产生均匀变化的磁场 C、振荡电场能够产生振荡磁场 D、振荡磁场能够产生振荡电场 解析：麦克斯韦电磁场理论的含义是变化的电场可产生磁场，而变化的磁场能产生电场；产生的场的形式由原来的场的变化率决定，可由原来场随时间变化的图线的切线斜率判断,可见，均匀变化的电场的变化率恒定，产生不变的磁场，B说法错误；其余正确．‎ 答案：ACD 知识点3对电磁波的认识 １、 麦克斯韦预言了电磁波的存在，非均匀变化的磁场（或电场）在将在空间由近及远激发一系列电场和磁场。‎ ２、 电磁波的特性，电磁波可以在真空中传播，波速等于光速，具有能量。‎ ３、 光是以波动形式传播的一种电磁振动，即光是电磁波。‎ ４、 电磁波的波长、频率、波速三者之间的关系是：λ＝ｃ／ｆ 此式为真空中传播的电磁波各物理量之间的关系式。‎ 例题3 以下有关在真空中传播的电磁波的说法正确的是 ( )‎ A．频率越大，传播的速度越大 B．频率不同，传播的速度相同 C．频率越大，其波长越大 D．频率不同, 传播速度也不同 解析：电磁波再真空中的传播速度为光速c,与频率无关。‎ 答案：B ‎【教学题库】：师用 ‎１、下列关于电磁波的叙述中，正确的是： (上海)‎ 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传播速度均为3×108 m/s C.电磁波由真空进入介质时传播时，波长将变短 D.电磁波不能产生干涉、衍射现象 解析：电磁波和机械波既有相同的地方，也有不同之处，干涉和衍射现象是它们所共有的，电磁波的传播不需要介质，但可以在介质中传播，机械波需要介质，不能在真空中传播。电磁波是电磁场由发生区域由近及远向四周传播的，所以Ａ正确，电磁波在真空的传播速度等于光速，为ｃ，当电磁波在某种介质中传播时，速度要减小，变为ｖ＝ｃ／ｎ，ｎ为该介质的折射率，ｎ＞１，故Ｂ错误。电磁波由真空进入某种介质时，波长要改变，由λ１＝ｖ／ｆ＝ｃ／ｎｆ＝λ／ｎ，λ１＜λ，即在某种介质中的波长要小于在真空中的波长，所以C正确，干涉和衍射是一切波具有的特性，当然电磁波也不例外，所以D是错误的。‎ ‎２、关于电磁场和电磁波的正确说法是 ( )‎ A．电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电磁场 B．电磁场由发生的区域向远处的传播形成电磁波 C．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场 D．电磁波是一种波，声波也是一种波，理论上它们是同种性质的波动 解析：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，声波是一种机械波，需要介质才能传播。‎ 所以答案为Ｂ。‎ ‎【基础过关】：‎ ‎1.电磁波可以通过电缆进行有线传播，也可以实现 传输。‎ 解析：电磁波又称为可以在真空中传播，不需要介质，所以答案：无线 ‎1、电磁场理论是谁提出的（ ）‎ A、法拉第 B、赫兹 C、麦克斯韦 D、安培 答案：C ‎2、电磁场理论是哪国的科学家提出的（ ）‎ A、法国 B、英国 C、美国 D、中国 答案：B ‎3、电磁场理论预言了什么（ ）‎ A、预言了变化的磁场能够在周围空间产生电场 B、预言了变化的电场能够在周围产生磁场 C、预言了电磁波的存在，电磁波在真空中的速度为光速 D、预言了电能够产生磁，磁能够产生电 解析：麦克斯韦理论预言了电磁波的存在，但是当时没有实验证实，答案C ‎4、关于电磁场的理论，下面说法中正确的是（ ）‎ 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、振荡电场周围产生的磁场也是振荡的 解析：均匀变化的磁场或电场产生稳定的电场或磁场，故答案D ‎5、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（ ）‎ 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 C、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 解析：均匀变化的磁场或电场产生稳定的电场或磁场，故答案BD ‎6、电磁波能够发生一下现象（ ）‎ A、发射 B、折射 C、干涉 D、衍射 解析：电磁波具有波的一切性质，ABCD ‎7. 电磁波在传播过程中，保持不变的物理量是 ( )‎ A．频率 B．波长 C．振幅 D．波速 答案：Ａ ‎8. 按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（ ）‎ 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 C．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 答案：ＢＤ ‎【拓展演练】：‎ ‎1、关于电磁波，下列说法中正确的是（ ）‎ A、电磁波既能在媒质中传播，又能在真空中传播 B、只要有变化的电场，就一定有电磁波存在 C、电磁波在真空中传播时，频率和波长的乘积是一个恒量 D、振荡电路发射电磁波的过程也是向外辐射能量的过程 解析：只有非均匀变化的电场才能产生电磁波，所以B错误，答案ACD ‎2、以下电场能产生电磁波的为（  ）‎ A、 N/C            B、N/S C、 N/C        D、 N/C 答案： B 电场和磁场是非均匀变化 ‎3、比较电磁波和机械波，下列说法正确的是( )‎ A、电磁波可以在真空中传播，机械波的传播要依赖于介质 B、电磁波和声波都是纵波 C、电磁波是横波 D、电磁波在有的介质中是横波，在有的介质中是纵波 答案； AC ‎4. 电磁波和机械波有许多可比之处，某同学经过比较之后，得到一些结论，你认为错误的是 ( )‎ Ａ．我们熟悉的声波和水波都是机械波 Ｂ．机械波的传播需要介质，在真空中不能传播 Ｃ．电磁波的传播不需要介质 Ｄ．某天，我们两个航天员在太空漫步，他们相互通话可以直接听到，不需要借助电磁波 Ｅ．电磁波在真空中的传播速度等于光速 Ｆ．电磁场具有能量 Ｇ．电磁场是麦克斯韦预言的理想模型，它在客观中并不存在 解析：电磁波通讯技术已经应用到我们生活中的各个方面，声波为机械波，在无介质的真空中不能传播，所以答案为DG ‎5、如果电场的变化如图所示，则产生的磁场随时间变化的图形如何？‎ 解析：均匀变化的电场产生稳定的磁场 ‎6、简述赫兹实验的原理。‎ 答案：将两段共轴的黄铜杆作为振荡偶极子的两半，A、B中间留有空隙，空隙两边杆的端点上焊有一对光滑的黄铜球。将振子的两半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在A、B之间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄铜杆有电阻，因而其上的振荡电流是衰减的，故发出的电磁波也是衰减的，感应圈以每秒的频率一次又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向外发射减幅振荡电磁波。探测电磁波则是利用电偶极子共振吸收的原理来实现的。‎ ‎【物理漫步】：师用 ‎1.赫兹 (1857-1894) 简介 ‎　　赫兹，德国物理学家，生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。‎ ‎　　赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。‎ ‎　　赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时，受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论，当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器，赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。由麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年，赫兹的实验成功了，而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。‎ ‎　　1887年11月5日，赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中，总结了这个重要发现。接着，赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。此外，赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。‎ ‎　　1888年1月，赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。‎ ‎　　1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。‎ ‎　　赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。‎ ‎　　赫兹也是是国际单位制中频率的单位，它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹。其符号是Hz。‎ ‎2、赫兹的缺憾 赫兹对于物理现象的敏锐洞察力，来自对基本理论的深入理解。赫兹在实验室里检查仪器时，偶然观察到感应线圈放电时产生的电火花，立即想到电火花的跳跃实质是电荷在做间断快速振动引起的，根据麦克斯韦的理论，快速振动的电荷，必定在周围空间激起电磁波。在这个思想的引导下，赫兹设计了如课本图４．１－３的实验装置，其中圆形开口状接收器显然是根据电磁感应现象设计出来的，导线环成了电磁波的检验器。结果正如赫兹设想的那样，实验获得了成功。电磁波从感应圈通过空间传到了导线环，总需要一定时间，因此第二个火花比第一个火花必定有一定延迟，即检测器的火花和感应圈的火花不可能同时出现。在第一次观察到感应火花的两年后，１８８８年赫兹终于测出了火花的传播速度，而且恰如麦克斯韦所预言的那样，它就是光速。‎ 在赫兹证明电磁波存在的第二年，当有人问他是否可以应用电磁波进行通讯时，他竟然在回信中这样写到：“如果要用电磁波进行无线通讯，那非得有一面和欧洲大陆面积差不多大的反射镜才行。”赫兹卓越的实验才能令人惊叹，但他却不是一位优秀的工程师，他英年早逝，憾的没有看到电磁波广阔的应用前景。‎