学年高中物理教科版选修34教学案第三章 第2节 电磁场和电磁波 Word版含答案.docx

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学年高中物理教科版选修34教学案第三章第2节电磁场和电磁波Word版含答案

第2节

电磁场和电磁波

1.变化的电场产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，周期性振荡变化的电场产生同频率周期性振荡变化的磁场。

2．变化的磁场产生电场，均匀变化的磁场产生恒定的电场，周期性振荡变化的磁场产生同频率周期性振荡变化的电场。

3．变化的电场和磁场交替产生形成的电磁场在空间传播形成电磁波，电磁波为横波，可以在真空中传播，波速为c＝3.0×108m/s。

4．麦克斯韦预言了电磁波的存在，而赫兹用实验证实了电磁波的存在。

麦克斯韦电磁理论的两个基本假设

[自读教材·抓基础]

1．变化的磁场能够在周围空间产生电场

（1）麦克斯韦认为，磁场随时间变化快，产生的电场强；磁场随时间的变化不均匀时，产生变化的电场；稳定的磁场周围不产生电场。

（2）电场可由两种方式产生：

①由电荷产生；②由变化的磁场产生。

2．变化的电场能够在周围空间产生磁场

麦克斯韦认为，若电场随时间变化快，则产生的磁场强；若电场随时间的变化不均匀，则会产生变化的磁场。

稳定的电场周围不产生磁场。

[跟随名师·解疑难]

1．对麦克斯韦电磁场理论的认识

变化的磁场产生电场：

如图3－2－1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场的存在。

图3－2－1

（2）变化的电场产生磁场：

如图3－2－2所示，根据麦克斯韦理论，在LC振荡电路中，当电容器充、放电的时候，不仅导线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。

图3－2－2

2．对麦克斯韦电磁场理论的理解

恒定的电场不产生磁场

恒定的磁场不产生电场

均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场

均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场

不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场

不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场

振荡电场产生同频率的振荡磁场

振荡磁场产生同频率的振荡电场

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图3－2－3所示的表示电场产生磁场（或磁场产生电场）的关系图像中（每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场），正确的是（　　）

图3－2－3

解析：

选BC　A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以B图正确；C图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差

，C图是正确的；D图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差π，故错误。

所以只有B、C两图正确。

电磁场和电磁波

[自读教材·抓基础]

1．电磁场

变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。

2．电磁波

（1）电磁波的产生：

变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。

（2）电磁波的特点：

①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；②电磁波的波长、频率、波速的关系：

v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108m/s。

（3）电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。

3．赫兹实验

（1）赫兹实验原理图（如图3－2－4）：

图3－2－4

（2）实验现象：

当感应线圈两个铜球间有火花跳过时，导线环两铜球间也有火花产生。

（3）现象分析：

火花在A、B间来回跳动时，在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场，这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。

当电磁波经过接收线圈时，导致接收线圈产生感应电动势，使接收线圈两球间隙处产生电压，当电压足够高时，两球之间就会产生火花放电现象。

（4）实验结论：

赫兹实验证实了电磁波的存在。

（5）实验意义：

证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。

4．麦克斯韦理论在物理发展史上的意义

麦克斯韦电磁场理论把电磁学发展成为完整的、优美的理论体系，统一了人们对电磁和光现象的认识，为电和磁的利用开辟了理论前景，为深入研究物质的电磁结构及客观性提供理论基础。

[跟随名师·解疑难]

1．对电磁场的理解

（1）电磁场的产生：

如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……于是，变化的电场和磁场交替产生，形成了不可分割的统一体，这就是电磁场。

（2）电场、磁场的变化关系可用下面的框图表示：

2．电磁波的波速、波长与频率的关系：

c＝λf，λ＝

同一种电磁波在不同介质中传播时，频率不变（频率由波源决定），波速、波长发生改变。

在介质中的速度都比真空中的速度小。

不同电磁波在同一种介质中传播时，传播速度不同，频率越高波速越小，频率越低波速越大。

3．电磁波与机械波的比较

电磁波

机械波

研究对象

电磁现象

力学现象

周期性

电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化

位移随时间和空间做周期性变化

传播情况

传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关

传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关

产生机理

由电磁振荡（周期性变化的电流）激发

由（波源）质点的振动产生

是否横波

是

可以是

是否纵波

否

可以是

干涉现象

满足干涉条件时均能产生干涉现象

衍射现象

满足衍射条件时均能发生明显衍射

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

（上海高考）电磁波与机械波具有的共同性质是（　　）

A．都是横波　　　　　　B．都能传输能量

C．都能在真空中传播D．都具有恒定的波速

解析：

选B　电磁波是横波，但机械波有横波也有纵波，A错误；机械波的传播需要介质，两者在不同介质中波速不同，C、D错误；电磁波与机械波具有的共同性质是都能传输能量，B正确。

对电磁理论的理解

[典题例析]

1．关于电磁场理论，下列说法正确的是（　　）

A．在电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场

B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场

C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场

D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

[思路点拨]　要注意电场或磁场是如何变化的，变化规律不同，产生的场的特点也不相同。

解析：

根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场。

答案：

D

[探规寻律]

（1）麦克斯韦电磁理论的两大支柱：

变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场，而产生的电场或磁场如何变化，与原磁场或电场的变化规律有关。

（2）洛伦兹力对运动电荷永不做功，但变化的磁场产生的感应电场可以对运动电荷做功。

[跟踪演练]

如图3－2－5所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，其半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中。

要使带电粒子能沿管做圆周运动，所加的磁场可能是（　　）

图3－2－5

A．匀强磁场

B．均匀增加的磁场

C．均匀减小的磁场

D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子沿管运动

解析：

选BC　磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度。

电磁波与机械波的比较

[典题例析]

2．关于电磁波与声波的说法，下列正确的是（　　）

A．电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播

B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质

C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波传播速度变大

D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小

[思路点拨]　解答本题时应注意以下两点：

（1）电磁波本身是一种物质，机械波只是一种振动形式在介质中的传播；

（2）电磁波在真空中的传播速度最大，机械波在固体、液体、气体中的传播速度逐渐减小，但传播过程中它们的频率都不变。

解析：

由电磁波和声波的概念可知A正确。

因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错。

电磁波在空气中的传播速度大于在水中的传播速度，在真空中的传播速度最大；声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大，故C正确。

无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质频率都不变，所以由波长λ＝

及它们在不同介质中的速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错。

答案：

AC

[跟踪演练]

电磁波与机械波相比较（　　）

A．电磁波传播不需介质，机械波需要介质

B．电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一介质中传播速度相同

C．电磁波和机械波都不能产生干涉

D．电磁波和机械波都能产生衍射

解析：

选AD　电磁波的传播不需要介质，而机械波的传播需要介质，所有电磁波的传播速度只有在真空中才相同，但在其他某种介质如玻璃中则不同，而不同的机械波即使在同种介质中传播，速度一般也不一样。

电磁波和机械波有波的特性，故能发生干涉和衍射现象，故A、D项正确。

[课堂双基落实]

1．关于麦克斯韦的电磁场理论及其成就，下列说法正确的是（　　）

A．变化的电场可以产生磁场

B．变化的磁场可以产生电场

C．证实了电磁波的存在

D．预见了真空中电磁波的传播速度大于光速

解析：

选AB　选项A和B是电磁场理论的两大支柱，所以A和B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹最早证实了电磁波的存在，C错误；麦克斯韦预见了真空中电磁波的传播速度等于光速，D错误。

2．某电路中电场随时间变化的图像如图3－2－6所示，能发射电磁波的电场是（　　）

图3－2－6

解析：

选D　图A中电场不随时间变化，不会产生磁场。

图B和C中电场都随时间均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，也不会产生和发射电磁波。

图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场。

而磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，才能发射电磁波。

3．以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是（　　）

A．机械波与电磁波本质上是一致的

B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关

C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波

D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象

解析：

选BCD　机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场（或磁场）产生，机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，传播不需要介质，波速由介质和本身频率共同决定，机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，故选项B、C、D正确。

4．如图3－2－7所示是某一固定面积的磁通量的变化图线，它在周围空间某一点激发的电场的场强E应是（　　）

图3－2－7

A．逐渐增强　　　　　　　B．逐渐减弱

C．不变D．无法确定

解析：

选C　由题图知，磁通量均匀变化，而面积一定，故磁感应强度B均匀变化，故在其周围产生稳定的电场，故C正确。

[课下综合检测]

1．最先提出经典电磁场理论的科学家和最早捕捉到电磁波的科学家分别是（　　）

A．法拉第　安培　　　　　B．麦克斯韦　法拉第

C．奥斯特　赫兹D．麦克斯韦　赫兹

解析：

选D　最先提出经典电磁场理论的科学家是麦克斯韦，最早捕捉到电磁波的科学家是赫兹。

因此选D。

2．关于电磁波在真空中的传播速度，以下说法正确的是（　　）

A．频率越高，传播速度越大

B．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．频率、波长、强弱都不影响电磁波的传播速度

解析：

选D　所有电磁波，无论波长、频率如何，在真空中传播速度都等于光速。

3．关于电磁波，下列说法中正确的是（　　）

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的传播速度均为3×108m/s

C．电磁波由真空进入某种介质传播时，波长将变长

D．电磁波只能在真空中传播

解析：

选A　电磁波是交替变化的电磁场由发生区域向远处的传播，在真空中的传播速度是3×108m/s。

在其他介质中的传播速度小于3×108m/s。

电磁波在传播的过程中，频率f不变，由v＝λf可知传播速度变小时，波长变短，故B、C、D均不对。

4．以下电场能产生变化的磁场的是（　　）

A．E＝10V/m

B．E＝5sin（4t＋1）V/m

C．E＝（3t＋2）V/m

D．E＝（4t2－2t）V/m

解析：

选BD

5．如图1所示是一水平放置的绝缘环形管，管内壁光滑，内有一直径略小于管内径的带正电的小球，开始时小球静止。

有一变化的磁场竖直向下穿过管所在的平面，磁感应强度B随时间成正比例增大，设小球的带电量不变，则（　　）

图1

A．顺着磁场方向看，小球受顺时针方向的力，沿顺时针方向运动

B．顺着磁场方向看，小球受逆时针方向的力，沿逆时针方向运动

C．顺着磁场方向看，小球受顺时针方向的力，沿逆时针方向运动

D．小球不受力，不运动

解析：

选B　因为绝缘环形管面内有均匀增大的磁场，在其周围会产生稳定的涡旋电场，对带电小球做功。

由楞次定律判断电场方向为逆时针方向。

在电场力作用下，带正电小球沿逆时针方向运动，故B正确。

6．如图2所示，闭合开关S，待电容器充电完毕后，再断开开关S，用绝缘工具使电容器两极板之间稍稍拉开一定的距离，则在电容器周围空间（　　）

图2

A．会产生变化的磁场B．会产生稳定的磁场

C．不会产生磁场D．会产生振荡的磁场

解析：

选C　平行板电容器接入直流电源后，两极板间的电压等于电源的电动势，断开电源后，电容器带电荷量将保持不变，由电容的定义式和平行板电容器的公式可得，两极板间的电场E＝

＝

＝

，当用绝缘工具将两极板间距离稍稍拉开一些时，电容器两板间的电场不发生变化，所以不会产生磁场，故C选项正确。

7．电磁波由真空中进入介质中时，其波速变为原来的一半，则波长将变为原来的多少倍？

解析：

电磁波由真空进入介质中时，周期不变。

由λ＝vT可知，

＝

＝

即λ＝

λ0＝0.5λ0。

答案：

0.5倍

8．雷达是一种无线电探测装置，除了军用方面外，人们还可以使用雷达测定人造卫星、宇宙飞船等飞行物的速度和轨道。

雷达测距是由雷达指示器直接显示出来的，当雷达向目标发射无线电波时，在指示器荧光屏上出现一个尖形波；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形波。

如图3所示，该图只记录了时间，每一小格表示1.0×10－4s，那么根据此图，雷达与被测目标的距离约为多少？

图3

解析：

设雷达与被测目标的距离为s，来回的时间为t，则有2s＝c·t，

故s＝

＝

m＝1.2×105m。

答案：

1.2×105m