2018-2019版高中物理 第四章 電磁波及其應(yīng)用 第1講 電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)案 新人教版選修1 -1.doc

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第1講　電磁波的發(fā)現(xiàn) [目標(biāo)定位]　1.理解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩個(gè)支柱：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng).了解變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互聯(lián)系形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng).2.了解電磁場(chǎng)在空間傳播形成電磁波.3.了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論以及赫茲實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn).體會(huì)兩位科學(xué)家研究物理問(wèn)題的方法. 一、偉大的預(yù)言 1.變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) (1)在變化的磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合的電路，由于穿過(guò)電路的磁通量發(fā)生變化，電路里會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是變化的磁場(chǎng)在空間產(chǎn)生了電場(chǎng). (2)即使在變化的磁場(chǎng)中沒(méi)有閉合電路，也同樣要在空間產(chǎn)生電場(chǎng). 2.變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 變化的電場(chǎng)也相當(dāng)于一種電流，也在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，即變化的電場(chǎng)在空間產(chǎn)生磁場(chǎng). 3.麥克斯韋不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一. 想一想　麥克斯韋從什么現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)？關(guān)于“變化的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)”的觀點(diǎn)，他是在什么情況下提出的？ 答案　麥克斯韋從法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng).麥克斯韋確信自然界規(guī)律的統(tǒng)一與和諧，相信電場(chǎng)與磁場(chǎng)有對(duì)稱之美.他認(rèn)為：既然變化的磁場(chǎng)能夠在空間產(chǎn)生電場(chǎng)，那么變化的電場(chǎng)也能夠在空間產(chǎn)生磁場(chǎng). 二、電磁波 1.電磁波的產(chǎn)生：如果在空間某區(qū)域有不均勻變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在空間引起變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)引起新的變化電場(chǎng)……于是，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地傳播.電磁場(chǎng)這樣由近及遠(yuǎn)地傳播，就形成電磁波. 2.特點(diǎn) (1)電磁波可以在真空中傳播. (2)電磁波的傳播速度等于光速. (3)光在本質(zhì)上是一種電磁波. (4)光是以波動(dòng)形式傳播的一種電磁振動(dòng). 想一想　空間存在如圖4－1－1所示的電場(chǎng)，那么在空間能不能產(chǎn)生磁場(chǎng)？在空間能不能形成電磁波？ 圖4－1－1 答案　如圖所示的電場(chǎng)是均勻變化的，根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知會(huì)在空間激發(fā)出磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)恒定，不會(huì)再在較遠(yuǎn)處激發(fā)起電場(chǎng)，故不會(huì)產(chǎn)生電磁波. 三、赫茲的電火花 1.赫茲首先捕捉到電磁波，在以后的一系列實(shí)驗(yàn)中，證明了電磁波與光具有相同的性質(zhì).他還測(cè)得，電磁波在真空中具有與光相同的傳播速度c. 2.赫茲證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論. 3.赫茲被譽(yù)為無(wú)線電通信的先驅(qū).后人為了紀(jì)念他，把頻率的單位定為赫茲. 想一想　是赫茲預(yù)言了電磁波的存在，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)其存在的嗎？ 答案　不是.麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在. 一、對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解 1.變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 如圖4－1－2所示，麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無(wú)關(guān).導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來(lái)顯示電流的存在. 圖4－1－2 注意　在變化的磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的；而靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線是不閉合的. 2.變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 根據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時(shí)候，不僅導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且在電容器兩極板間變化著的電場(chǎng)周?chē)惨a(chǎn)生磁場(chǎng).(如圖4－1－3所示). 圖4－1－3 3.小結(jié) (1)變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)也在周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng). (2)均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng). (3)振蕩的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率振蕩的電場(chǎng)，振蕩的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場(chǎng). 例1　關(guān)于電磁場(chǎng)理論的敘述正確的是(　　) A.變化的磁場(chǎng)周?chē)欢ù嬖谥妶?chǎng)，與是否有閉合電路無(wú)關(guān) B.周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率變化的電場(chǎng) C.變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)，即電磁場(chǎng) D.電場(chǎng)周?chē)欢ù嬖诖艌?chǎng)，磁場(chǎng)周?chē)欢ù嬖陔妶?chǎng) 答案　AB 解析　變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)中有閉合回路時(shí)，回路中有電流.若無(wú)閉合回路，電場(chǎng)仍然存在，A正確；若形成電磁場(chǎng)必須有周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，B對(duì)，C、D錯(cuò). 針對(duì)訓(xùn)練1　如圖4－1－4所示是某一固定面的磁通量的變化圖象，在它周?chē)臻g產(chǎn)生的電場(chǎng)中的某一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)E應(yīng)是(　　) 圖4－1－4 A.逐漸增強(qiáng) B.逐漸減弱 C.不變 D.無(wú)法確定 答案　C 解析　由圖象可知，磁場(chǎng)在均勻變化，故在磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的電場(chǎng)是穩(wěn)定不變的. 二、對(duì)電磁波的理解 1.電磁波的形成 變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，形成電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)傳播，形成電磁波. 2.電磁波的特點(diǎn) (1)電磁波是橫波.電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，電磁波在與二者均垂直的方向傳播. (2)電磁波的傳播不需要介質(zhì).在真空中傳播速度等于光速c＝3.00108 m/s. (3)電磁場(chǎng)儲(chǔ)存電磁能，電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程. (4)電磁波具有波的一切特性，能夠發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象. 例2　下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法中正確的是(　　) A.只要電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波 B.電磁波的傳播需要介質(zhì) C.停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨(dú)立存在 D.電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的 答案　CD 解析　要想產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，變化的電場(chǎng)(或磁場(chǎng))產(chǎn)生的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))必須是非均勻變化的，所以A選項(xiàng)錯(cuò)誤；電磁波是物質(zhì)波，電磁波的傳播可以不需要介質(zhì)而在真空中傳播，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；電磁波可以脫離“波源”而獨(dú)立存在，C選項(xiàng)正確；電磁波可以使電荷移動(dòng)，說(shuō)明電磁波具有能量，電磁波傳播的過(guò)程，也就是能量的傳播過(guò)程，所以D正確. 針對(duì)訓(xùn)練2　關(guān)于電磁波在真空中的傳播速度，以下說(shuō)法正確的是(　　) A.電磁波的頻率越高，傳播速度越大 B.電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，傳播速度越大 C.電磁波的能量越大，傳播速度越大 D.所有電磁波在真空中的傳播速度都相等 答案　D 解析　電磁波在真空中的傳播速度為光速，與其他因素?zé)o關(guān). 對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解 1.關(guān)于電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A.在電場(chǎng)的周?chē)臻g一定產(chǎn)生磁場(chǎng) B.任何變化的電場(chǎng)周?chē)臻g一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) C.均勻變化的電場(chǎng)周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) D.振蕩電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) 答案　D 解析　由麥克斯韋電磁場(chǎng)基本理論知：不變化的電場(chǎng)周?chē)划a(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)性質(zhì)是由電場(chǎng)的變化情況決定的，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，不均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，振蕩的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場(chǎng)，反之亦然，故選項(xiàng)D正確. 2.在空間某處存在一個(gè)變化的磁場(chǎng)，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A.在變化的磁場(chǎng)周?chē)欢墚a(chǎn)生變化的電場(chǎng) B.在磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈，線圈里一定有感應(yīng)電流 C.在磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈，線圈里不一定有感應(yīng)電流 D.變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，跟閉合線圈的存在與否無(wú)關(guān) 答案　CD 解析　均勻變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，A錯(cuò)；在磁場(chǎng)中放置一個(gè)閉合線圈，如果穿過(guò)線圈的磁通量沒(méi)有變化，則不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就不會(huì)有感應(yīng)電流，B錯(cuò)，C對(duì)；變化的磁場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生電場(chǎng)，與是否存在線圈無(wú)關(guān)，D對(duì). 對(duì)電磁波的理解 3.關(guān)于電磁場(chǎng)和電磁波，下列敘述中正確的是(　　) A.均勻變化的電場(chǎng)在它周?chē)臻g產(chǎn)生電磁波 B.電磁波必須依賴于介質(zhì)傳播 C.電磁波中每一處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度總是互相垂直，且與波的傳播方向垂直 D.只要空間某個(gè)區(qū)域有振蕩的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，就能產(chǎn)生電磁波 答案　CD 解析　均勻變化的電場(chǎng)在它周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，由電磁場(chǎng)理論知，穩(wěn)定的磁場(chǎng)不再產(chǎn)生電場(chǎng)，所以不能形成電磁波，故A項(xiàng)錯(cuò)；電磁波是周期性變化的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交替激發(fā)，所以傳播不需要介質(zhì)，B項(xiàng)錯(cuò). 4.對(duì)于聲波和電磁波的比較，下面說(shuō)法中正確的是(　　) A.它們都能發(fā)生反射現(xiàn)象 B.聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，電磁波是由變化的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的 C.光是一種電磁波，B超利用的是超聲波 D.它們都能在真空中傳播 答案　ABC 解析　聲波和電磁波都屬于波，所以它們都具有波的共性，能發(fā)生反射現(xiàn)象，故選項(xiàng)A正確；但它們產(chǎn)生的機(jī)理不同，聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，電磁波是由變化的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，故選項(xiàng)B正確；光是一種電磁波，B超利用的是超聲波，故選項(xiàng)C正確；電磁波既能在介質(zhì)中傳播又能在真空中傳播，而聲波只能在介質(zhì)中傳播，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤. (時(shí)間：60分鐘) 題組一、對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解 1.下列說(shuō)法中，正確的有(　　) A.最早發(fā)現(xiàn)電和磁有密切聯(lián)系的科學(xué)家是奧斯特 B.電磁感應(yīng)現(xiàn)象是法拉第發(fā)現(xiàn)的 C.建立完整的電磁場(chǎng)理論的科學(xué)家是麥克斯韋 D.最早預(yù)見(jiàn)到有電磁波存在的科學(xué)家是赫茲 答案　ABC 解析　最早預(yù)見(jiàn)到有電磁波的科學(xué)家是麥克斯韋，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，D項(xiàng)不正確；由物理學(xué)史的知識(shí)可知，其他三項(xiàng)都是正確的. 2.按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，以下說(shuō)法正確的是(　　) A.恒定的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，恒定的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生恒定的電場(chǎng) B.變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng) C.均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng) D.均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng) 答案　BD 解析　麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論的核心內(nèi)容是：變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng).對(duì)此理論全面正確的理解為：不變化的電場(chǎng)周?chē)划a(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的電場(chǎng)周?chē)梢援a(chǎn)生變化磁場(chǎng)，也可以產(chǎn)生不變化磁場(chǎng)；均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)；周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)，由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的規(guī)律與以上類似，故正確答案為B、D. 3.根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周?chē)惨欢óa(chǎn)生電場(chǎng) B.變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周?chē)惨欢óa(chǎn)生電場(chǎng) C.變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生變化的磁場(chǎng) D.電磁波在真空中的傳播速度為3.00108 m/s 答案　BD 解析　根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，只有變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，但變化的電場(chǎng)周?chē)灰欢óa(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，如均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場(chǎng)，所以正確的選項(xiàng)是B、D. 4.某電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖象如圖所示，能產(chǎn)生磁場(chǎng)的電場(chǎng)是(　　 ) 答案　ABC 解析　根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，選項(xiàng)A、B、C正確. 題組二、對(duì)電磁波的理解 5.下列說(shuō)法正確的是(　　) A.電磁波即電磁場(chǎng)在空間的傳播 B.麥克斯韋依據(jù)光速和電磁波速度相同而預(yù)言光是一種電磁波 C.赫茲不僅證實(shí)了電磁波的存在，還證實(shí)了光和電磁波具有相同的性質(zhì) D.電磁波和機(jī)械波最大的不同點(diǎn)是其傳播不需要介質(zhì) 答案　ABCD 6.下列關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說(shuō)法正確的是(　　 ) A.聲波是機(jī)械波，耳朵能夠聽(tīng)到聲波，是因?yàn)槎浜吐曉粗g有空氣 B.水波的傳播需要水，沒(méi)有水就沒(méi)有水波 C.電磁波傳播需要空氣，沒(méi)有空氣，即使產(chǎn)生了電磁波也傳不出來(lái) D.電磁波的傳播速率等于光速，不受其它因素影響 答案　AB 解析　機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播；電磁波可以在真空中傳播，選項(xiàng)A、B正確，C錯(cuò)誤；電磁波只有在真空中的速度才等于光速，選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 7.某電路中電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖象如圖所示，能發(fā)射電磁波的電場(chǎng)是(　　) 答案　D 解析　由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場(chǎng)時(shí)(如A圖)，由于其不激發(fā)磁場(chǎng)，故無(wú)電磁波產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場(chǎng)(如B圖、C圖)，會(huì)激發(fā)出磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)恒定，不會(huì)再在較遠(yuǎn)處激發(fā)起電場(chǎng)，故也不會(huì)產(chǎn)生電磁波；只有周期性變化的電場(chǎng)(如D圖)，才會(huì)激發(fā)出周期性變化的磁場(chǎng)，周期性變化的磁場(chǎng)又激發(fā)出周期性變化的電場(chǎng)……，如此不斷激發(fā)，便會(huì)形成電磁波. 8.下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法中，正確的是(　　 ) A.電磁波可以在真空中傳播 B.電磁波不能在空氣中傳播 C.麥克斯韋第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在 D.法拉第第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在 答案　A 解析　電磁波可以在真空中傳播，A對(duì)，B錯(cuò)；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，故C、D錯(cuò). 9.關(guān)于電磁波，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.光不是電磁波 B.電磁波需要有介質(zhì)才能傳播 C.只要有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，就可以產(chǎn)生電磁波 D.真空中，電磁波的傳播速度與光速相同 答案　D 解析　光也是一種電磁波，在真空中傳播的速度為3.0108 m/s，傳播過(guò)程中不需要介質(zhì)，故A、B錯(cuò)誤，D正確；只有非均勻變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，才能產(chǎn)生電磁波，故C錯(cuò)誤. 10.有一種“隱形飛機(jī)”，可以有效避開(kāi)雷達(dá)的探測(cè)，秘密之一在于它的表面有一層特殊材料，這種材料能夠______(填“增強(qiáng)”或“減弱”)對(duì)電磁波的吸收作用，秘密之二在于它的表面制成特殊形狀，這種形狀能夠________(填“增強(qiáng)”或“減弱”)電磁波反射回雷達(dá)設(shè)備. 答案　增強(qiáng)　減弱 解析　題目介紹了電磁波在軍事上的用途.電磁波如果遇到尺寸明顯大于波長(zhǎng)的障礙物就要發(fā)生反射，雷達(dá)就是利用電磁波的這個(gè)特性工作的.要有效避開(kāi)雷達(dá)的探測(cè)，就要設(shè)法減弱電磁波的反射.據(jù)此即可確定答案.