3-4教學(xué)案：第三章 第2節(jié) 電磁場和電磁波

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1、專注理科思維訓(xùn)練 微信公眾號：大悟理 第2節(jié)電磁場和電磁波 1.變化的電場產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，周期性振蕩變化的電場產(chǎn)生同頻率周期性振蕩變化的磁場。 2．變化的磁場產(chǎn)生電場，均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場，周期性振蕩變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性振蕩變化的電場。 3．變化的電場和磁場交替產(chǎn)生形成的電磁場在空間傳播形成電磁波，電磁波為橫波，可以在真空中傳播，波速為c＝3.0×108 m/s。 4．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，而赫茲用實驗證實了電磁波的存在。 麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設(shè) [自讀教材·抓

2、基礎(chǔ)] 1．變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場 (1)麥克斯韋認(rèn)為，磁場隨時間變化快，產(chǎn)生的電場強(qiáng)；磁場隨時間的變化不均勻時，產(chǎn)生變化的電場；穩(wěn)定的磁場周圍不產(chǎn)生電場。 (2)電場可由兩種方式產(chǎn)生：①由電荷產(chǎn)生；②由變化的磁場產(chǎn)生。 2．變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場 麥克斯韋認(rèn)為，若電場隨時間變化快，則產(chǎn)生的磁場強(qiáng)；若電場隨時間的變化不均勻，則會產(chǎn)生變化的磁場。穩(wěn)定的電場周圍不產(chǎn)生磁場。 [跟隨名師·解疑難] 1．對麥克斯韋電磁場理論的認(rèn)識 變化的磁場產(chǎn)生電場： 如圖3－2－1所示，麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在

3、無關(guān)。導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在。 圖3－2－1 (2)變化的電場產(chǎn)生磁場： 如圖3－2－2所示，根據(jù)麥克斯韋理論，在LC振蕩電路中，當(dāng)電容器充、放電的時候，不僅導(dǎo)線中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產(chǎn)生磁場。 圖3－2－2 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 不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場

4、[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論判斷如圖3－2－3所示的表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中(每個選項中的上圖是表示變化的場，下圖是表示變化的場產(chǎn)生的另外的場)，正確的是 (　　) 圖3－2－3 解析：選BC　A圖中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知，其周圍空間不會產(chǎn)生電場，A圖中的下圖是錯誤的；B圖中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B圖正確；C圖中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差，C圖是正確的；D圖的上圖是振蕩的電場，在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁

5、場，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π，故錯誤。所以只有B、C兩圖正確。 電磁場和電磁波 [自讀教材·抓基礎(chǔ)] 1．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。 2．電磁波 (1)電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場是由近及遠(yuǎn)地傳播的，這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。 (2)電磁波的特點：①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不需要介質(zhì)；②電磁波的波長、頻率、波速的關(guān)系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108 m/s。 (3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。 3．赫茲實驗 (1)赫茲實驗

6、原理圖(如圖3－2－4)： 圖3－2－4 (2)實驗現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)線圈兩個銅球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩銅球間也有火花產(chǎn)生。 (3)現(xiàn)象分析：火花在A、B間來回跳動時，在周圍空間建立了一個迅速變化的電磁場，這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波經(jīng)過接收線圈時，導(dǎo)致接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使接收線圈兩球間隙處產(chǎn)生電壓，當(dāng)電壓足夠高時，兩球之間就會產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。 (4)實驗結(jié)論：赫茲實驗證實了電磁波的存在。 (5)實驗意義：證明了麥克斯韋的預(yù)言，為麥克斯韋的電磁場理論奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。 4．麥克斯韋理論在物理發(fā)展史上的意義 麥克斯韋電磁場理論把電磁學(xué)發(fā)展成為完整的、優(yōu)美

7、的理論體系，統(tǒng)一了人們對電磁和光現(xiàn)象的認(rèn)識，為電和磁的利用開辟了理論前景，為深入研究物質(zhì)的電磁結(jié)構(gòu)及客觀性提供理論基礎(chǔ)。 [跟隨名師·解疑難] 1．對電磁場的理解 (1)電磁場的產(chǎn)生：如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場，那么這個變化的電場在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場……于是，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。 (2)電場、磁場的變化關(guān)系可用下面的框圖表示： 2．電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系：c＝λf，λ＝ 同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變(頻率由波源決定)，波速、波長發(fā)生改

8、變。在介質(zhì)中的速度都比真空中的速度小。不同電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大。 3．電磁波與機(jī)械波的比較 電磁波 機(jī)械波 研究對象 電磁現(xiàn)象 力學(xué)現(xiàn)象 周期性 電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化 位移隨時間和空間做周期性變化 傳播情況 傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān) 傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān) 產(chǎn)生機(jī)理 由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā) 由(波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生 是否橫波 是 可以是 是否縱波 否 可以是 干涉現(xiàn)象 滿足干涉條

9、件時均能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 衍射現(xiàn)象 滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) (上海高考)電磁波與機(jī)械波具有的共同性質(zhì)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 解析：選B　 電磁波是橫波，但機(jī)械波有橫波也有縱波，A錯誤；機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，兩者在不同介質(zhì)中波速不同，C、D錯誤；電磁波與機(jī)械波具有的共同性質(zhì)是都能傳輸能量，B正確。 對電磁理論的理解 [典題例析] 1．關(guān)于電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，變化

10、的磁場周圍一定產(chǎn)生電場 B．在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C．均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場 D．周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場 [思路點撥]　要注意電場或磁場是如何變化的，變化規(guī)律不同，產(chǎn)生的場的特點也不相同。 解析：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)生穩(wěn)定的磁場，非均勻變化的電場才產(chǎn)生變化的磁場。 答案：D [探規(guī)尋律] (1)麥克斯韋電磁理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場，而產(chǎn)生的電場或磁場如何變化，與原磁場或電場的變化規(guī)律有關(guān)。 (2)洛倫茲力對運(yùn)動電荷

11、永不做功，但變化的磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場可以對運(yùn)動電荷做功。 　 [跟蹤演練] 如圖3－2－5所示，有一水平放置、內(nèi)壁光滑、絕緣的真空圓形管，其半徑為R，有一帶正電的粒子靜止在管內(nèi)，整個裝置處于豎直向上的磁場中。要使帶電粒子能沿管做圓周運(yùn)動，所加的磁場可能是(　　) 圖3－2－5 A．勻強(qiáng)磁場 B．均勻增加的磁場 C．均勻減小的磁場 D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場都不能使帶電粒子沿管運(yùn)動 解析：選BC　磁場對靜止的電荷不產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)磁場變化時可產(chǎn)生電場，電場對帶電粒子產(chǎn)生電場力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產(chǎn)生加速度。 電磁波與機(jī)械波的比較

12、 [典題例析] 2．關(guān)于電磁波與聲波的說法，下列正確的是(　　) A．電磁波是電磁場由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，聲波是聲源的振動向遠(yuǎn)處傳播 B．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播有時也不需要介質(zhì) C．由空氣進(jìn)入水中傳播時， 電磁波的傳播速度變小，聲波傳播速度變大 D．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的波長不變，聲波的波長變小 [思路點撥]　解答本題時應(yīng)注意以下兩點： (1)電磁波本身是一種物質(zhì)，機(jī)械波只是一種振動形式在介質(zhì)中的傳播； (2)電磁波在真空中的傳播速度最大，機(jī)械波在固體、液體、氣體中的傳播速度逐漸減小，但傳播過程中它們的頻率都不變。 解析：由電磁波和聲波的概念

13、可知A正確。因為電磁波可以在真空中傳播，而聲波屬于機(jī)械波，它的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，故B錯。電磁波在空氣中的傳播速度大于在水中的傳播速度，在真空中的傳播速度最大；聲波在氣體、液體、固體中的傳播速度依次增大，故C正確。無論是電磁波還是聲波，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)頻率都不變，所以由波長λ＝及它們在不同介質(zhì)中的速度可知，由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的波長變短，聲波的波長變長，故D錯。 答案：AC 　 [跟蹤演練] 電磁波與機(jī)械波相比較(　　) A．電磁波傳播不需介質(zhì)，機(jī)械波需要介質(zhì) B．電磁波在任何介質(zhì)中傳播速率都相同，機(jī)械波在同一介質(zhì)中傳播速度相同 C．電磁波和機(jī)械波都不能產(chǎn)

14、生干涉 D．電磁波和機(jī)械波都能產(chǎn)生衍射 解析：選AD　電磁波的傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，所有電磁波的傳播速度只有在真空中才相同，但在其他某種介質(zhì)如玻璃中則不同，而不同的機(jī)械波即使在同種介質(zhì)中傳播，速度一般也不一樣。電磁波和機(jī)械波有波的特性，故能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，故A、D項正確。 [課堂雙基落實] 1．關(guān)于麥克斯韋的電磁場理論及其成就，下列說法正確的是(　　) A．變化的電場可以產(chǎn)生磁場 B．變化的磁場可以產(chǎn)生電場 C．證實了電磁波的存在 D．預(yù)見了真空中電磁波的傳播速度大于光速 解析：選AB　選項A和B是電磁場理論的兩大支柱，所以A

15、和B正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最早證實了電磁波的存在，C錯誤；麥克斯韋預(yù)見了真空中電磁波的傳播速度等于光速，D錯誤。 2．某電路中電場隨時間變化的圖像如圖3－2－6所示，能發(fā)射電磁波的電場是(　　) 圖3－2－6 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C中電場都隨時間均勻變化，只能在周圍產(chǎn)生穩(wěn)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，才能發(fā)射電磁波。 3．以下關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說法中，正確的是(　　) A．

16、機(jī)械波與電磁波本質(zhì)上是一致的 B．機(jī)械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速，不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān) C．機(jī)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(xiàn)象 解析：選BCD　機(jī)械波由振動產(chǎn)生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生，機(jī)械波是能量波，傳播需要介質(zhì)，速度由介質(zhì)決定；電磁波是物質(zhì)波，傳播不需要介質(zhì)，波速由介質(zhì)和本身頻率共同決定，機(jī)械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，故選項B、C、D正確。 4．如圖3－2－7所示是某一固定面積的磁通量的變化圖線，它在周圍空間某一點激發(fā)的電場的場強(qiáng)E應(yīng)是(　　) 圖3－2－7 A

17、．逐漸增強(qiáng)　　　　　　 　B．逐漸減弱 C．不變 D．無法確定 解析：選C　由題圖知，磁通量均勻變化，而面積一定，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻變化，故在其周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，故C正確。 [課下綜合檢測] 1．最先提出經(jīng)典電磁場理論的科學(xué)家和最早捕捉到電磁波的科學(xué)家分別是(　　) A．法拉第　安培　　　　 　B．麥克斯韋　法拉第 C．奧斯特　赫茲 D．麥克斯韋　赫茲 解析：選D　最先提出經(jīng)典電磁場理論的科學(xué)家是麥克斯韋，最早捕捉到電磁波的科學(xué)家是赫茲。因此選D。 2．關(guān)于電磁波在真空中的傳播速度，以下說法正確的是(　　) A．頻率越高，傳播速度越大 B．波長越長，傳播速

18、度越大 C．電磁波的能量越大，傳播速度越大 D．頻率、波長、強(qiáng)弱都不影響電磁波的傳播速度 解析：選D　所有電磁波，無論波長、頻率如何，在真空中傳播速度都等于光速。 3．關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是(　　) A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播 B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3×108 m/s C．電磁波由真空進(jìn)入某種介質(zhì)傳播時，波長將變長 D．電磁波只能在真空中傳播 解析：選A　電磁波是交替變化的電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播，在真空中的傳播速度是3×108 m/s。在其他介質(zhì)中的傳播速度小于3×108 m/s。電磁波在傳播的過程中，頻率f不變，由v＝λf可知傳播速

19、度變小時，波長變短，故B、C、D均不對。 4．以下電場能產(chǎn)生變化的磁場的是(　　) A．E＝10 V/m B．E＝5sin(4t＋1) V/m C．E＝(3t＋2) V/m D．E＝(4t2－2t) V/m 解析：選BD 5．如圖1所示是一水平放置的絕緣環(huán)形管，管內(nèi)壁光滑，內(nèi)有一直徑略小于管內(nèi)徑的帶正電的小球，開始時小球靜止。有一變化的磁場豎直向下穿過管所在的平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間成正比例增大，設(shè)小球的帶電量不變，則 (　　) 圖1 A．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿順時針方向運(yùn)動 B．順著磁場方向看，小球受逆時針方向的力，沿逆時針方向運(yùn)動 C

20、．順著磁場方向看，小球受順時針方向的力，沿逆時針方向運(yùn)動 D．小球不受力，不運(yùn)動 解析：選B　因為絕緣環(huán)形管面內(nèi)有均勻增大的磁場，在其周圍會產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶電小球做功。由楞次定律判斷電場方向為逆時針方向。在電場力作用下，帶正電小球沿逆時針方向運(yùn)動，故B正確。 6．如圖2所示，閉合開關(guān)S，待電容器充電完畢后，再斷開開關(guān)S，用絕緣工具使電容器兩極板之間稍稍拉開一定的距離，則在電容器周圍空間(　　) 圖2 A．會產(chǎn)生變化的磁場 B．會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 C．不會產(chǎn)生磁場 D．會產(chǎn)生振蕩的磁場 解析：選C　平行板電容器接入直流電源后，兩極板間的電壓等于電源的電動勢

21、，斷開電源后，電容器帶電荷量將保持不變，由電容的定義式和平行板電容器的公式可得，兩極板間的電場E＝＝＝，當(dāng)用絕緣工具將兩極板間距離稍稍拉開一些時，電容器兩板間的電場不發(fā)生變化，所以不會產(chǎn)生磁場，故C選項正確。 7．電磁波由真空中進(jìn)入介質(zhì)中時，其波速變?yōu)樵瓉淼囊话?，則波長將變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮? 解析：電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)中時，周期不變。 由λ＝vT可知，＝＝ 即λ＝λ0＝0.5λ0。 答案：0.5倍 8．雷達(dá)是一種無線電探測裝置，除了軍用方面外，人們還可以使用雷達(dá)測定人造衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行物的速度和軌道。雷達(dá)測距是由雷達(dá)指示器直接顯示出來的，當(dāng)雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射無線電波時，在指示器熒光屏上出現(xiàn)一個尖形波；在收到反射回來的無線電波時，在熒光屏上呈現(xiàn)第二個尖形波。如圖3所示，該圖只記錄了時間，每一小格表示1.0×10－4s，那么根據(jù)此圖，雷達(dá)與被測目標(biāo)的距離約為多少？ 圖3 解析：設(shè)雷達(dá)與被測目標(biāo)的距離為s，來回的時間為t，則有2s＝c·t， 故s＝＝ m＝1.2×105 m。 答案：1.2×105 m 11