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第4節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用
第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步
物理
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.理解麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。
2.知道電磁波是如何形成的。
3.知道電磁波在真空中的傳播速度及波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系。
4.知道電磁波譜的組成及各波段的特點(diǎn)、應(yīng)用。
學(xué)習(xí)重難點(diǎn)
難點(diǎn):
1.理解麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。
2.知道電磁波是如何形成的。
重點(diǎn):
1.知道電磁波在真空中的傳播速度及波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系。
2.知道電磁波譜的組成及各波段的特點(diǎn)、應(yīng)用。
新知導(dǎo)入
電磁波為信息的傳遞插上了翅膀。廣播、電視、移動(dòng)通信等通信方式，使古代人“順風(fēng)耳、千里眼”的夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。那么，電磁波是誰發(fā)現(xiàn)的？他又是怎樣發(fā)現(xiàn)的呢？
麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。
韋伯穿過一個(gè)又一個(gè)歐姆。把回音帶給我──“我是你忠實(shí)而又真誠的法拉，充電到一個(gè)伏特，表示對(duì)你的愛。
——麥克斯韋
麥克斯韋
（J.C.Maxwell,1831—1879)
英國物理學(xué)家。
（一）對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解
【分析】：麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生電場(chǎng)，正是這種電場(chǎng)(渦旋電場(chǎng))在線圈中驅(qū)使自由電子做定向地移動(dòng)，引起了感應(yīng)電流。
變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
既然變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，那么，變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)嗎？
新知講解
【現(xiàn)象】：變化的電場(chǎng)周圍小磁針發(fā)生擺動(dòng)
【分析】：電容器充放電時(shí)，周圍的小磁針擺動(dòng)，說明小磁針?biāo)谔幃a(chǎn)生了另一個(gè)磁場(chǎng)，使小磁針發(fā)生擺動(dòng)，這個(gè)磁場(chǎng)是由電荷運(yùn)動(dòng)在周圍空間產(chǎn)生的變化電場(chǎng)引起的。
變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
電磁場(chǎng)
在變化的磁場(chǎng)中放入一個(gè)閉合電路，電路里會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這是法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。麥克斯韋進(jìn)一步想到：既然產(chǎn)生了感應(yīng)電流，一定是有了電場(chǎng)，它促使導(dǎo)體中的自由電荷做定向運(yùn)動(dòng)；即使在變化的磁場(chǎng)中沒有閉合電路，同樣會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，麥克斯韋認(rèn)為：這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生了電場(chǎng)。
既然變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，那么，變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)嗎？麥克斯韋確信自然規(guī)律的統(tǒng)一性與和諧性，相信電場(chǎng)與磁場(chǎng)的對(duì)稱之美。他大膽地假設(shè)：變化的電場(chǎng)就像導(dǎo)線中的電流一樣，會(huì)在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，即變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。
按照這個(gè)理論，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。
根據(jù)這兩個(gè)基本論點(diǎn)，麥克斯韋推斷：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場(chǎng)，那么它就在空間引起周期性變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁區(qū)場(chǎng)又引起新的變化的電場(chǎng)。于是,變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，即空間中存在電磁波。
（二）電磁波、電磁波譜及電磁波的應(yīng)用
①電磁場(chǎng)由產(chǎn)生區(qū)域向外傳播就形成了電磁波
②電磁波傳播的速度等于光速。光是一種電磁波。
③電磁波在空間傳播時(shí)，在任一位置上（或任一時(shí)刻）E、B、v三矢量相互垂直。電磁波是橫波。
赫茲實(shí)驗(yàn)
在我們身邊到處都有電磁波的影子,它的應(yīng)用更是比比皆是。下面列出的設(shè)備中工作時(shí)所發(fā)出的波,哪些不屬于電磁波
(1)微波爐加熱食物時(shí)發(fā)出的波。
(2)電視發(fā)射塔發(fā)出的波。
(3)互聯(lián)網(wǎng)光纜中傳播的波。
(4)電視機(jī)遙控器發(fā)出的波。
[例1] 關(guān)于電磁場(chǎng)理論，下列說法正確的是(　　)
A.在電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)
B.在變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)
C.均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)
D.周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)
典例探究
[分析]要注意電場(chǎng)或磁場(chǎng)是如何變化的,變化規(guī)律不同,產(chǎn)生的場(chǎng)的特點(diǎn)也不相同。
[解答]根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,只有變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng),均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng),非均勻變化的電場(chǎng)才產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),周期性變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng),磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)也是如此,A、B、C錯(cuò)誤,D正確。
答案:D
[針對(duì)訓(xùn)練1](多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論,以下敘述正確的是(　　)
A.教室中亮著的日光燈周圍空間必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)
B.工作時(shí)的電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器周圍必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)
C.穩(wěn)定的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng),穩(wěn)定的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)
D.只要空間某處的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生變化,就會(huì)在其周圍產(chǎn)生電磁波
解析:教室中亮著的日光燈、工作時(shí)的電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器中的電流是交變電流,在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)和電場(chǎng), 故選項(xiàng)A、B正確;穩(wěn)定的電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),穩(wěn)定的磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;只有周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)才能交替產(chǎn)生,由發(fā)生區(qū)域向外傳播形成電磁波,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
答案:AB
[例2](多選)關(guān)于電磁波與聲波的比較，下列敘述正確的是(　　)
A.電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)
B.由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波速度變小，聲波速度變大
C.由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波波長(zhǎng)變小，聲波波長(zhǎng)變大
D.電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)
[分析]選項(xiàng)A、B均與事實(shí)相符, A、B正確。根據(jù)v=λf,電磁波波速變小,頻率不變,波長(zhǎng)變小;聲波速度變大,頻率不變,波長(zhǎng)變大,C正確。電磁波在介質(zhì)中的速度與介質(zhì)有關(guān),也與頻率有關(guān),在同一種介質(zhì)中,頻率越大,波速越小, D錯(cuò)誤。
[答案]ABC
[針對(duì)訓(xùn)練2](多選)下列關(guān)于電磁波的說法,正確的是(　　)
A.電磁波是電磁場(chǎng)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3.0×108 m/s
C.電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時(shí),波長(zhǎng)將變短
D.只要空間中某個(gè)區(qū)域有變化的電場(chǎng)或變化的磁場(chǎng),就能產(chǎn)生電磁波
解析:電磁波是電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播,在真空中的傳播速度為3.0×108 m/s,在其他介質(zhì)中的傳播速度減小,波長(zhǎng)相應(yīng)變短。此外，只有周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)才能產(chǎn)生電磁波,A、C正確,B、D錯(cuò)誤。
答案:AC
[例3] 下面列出了一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械應(yīng)用的物理現(xiàn)象，請(qǐng)將相應(yīng)的字母填寫在應(yīng)用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的空格上。
(1)X光機(jī)，________。
(2)紫外線燈，________。
(3)用理療“神燈”照射傷口，可使傷口愈合得較好，這里的“神燈”是利用_____。
A.紫外線具有很強(qiáng)的熒光作用
B.紫外線具有殺菌消毒作用
C.X射線具有很強(qiáng)的貫穿力
D.紅外線具有顯著的熱效應(yīng)
[分析](1)X光機(jī)是用來透視人的體內(nèi)器官的,因此需要具有較強(qiáng)穿透力的電磁波,但又不能對(duì)人體造成太大的傷害,因此應(yīng)用了穿透能力比較強(qiáng)又不會(huì)給人體造成太大傷害的X射線,選擇C。
(2)紫外線燈主要是用來殺菌的,因此它應(yīng)用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用,因此選擇B。
(3)“神燈”又稱紅外線燈,主要是用于促進(jìn)局部血液循環(huán),它利用的是紅外線的熱效應(yīng),使人體局部受熱,血液循環(huán)加快,因此選擇D。
[答案](1)C　(2)B　(3)D
課堂練習(xí)
1. (關(guān)于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解) (多選)關(guān)于麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論及其成就,下列說法正確的是(　　)
A.變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)
B.變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)
C.證實(shí)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
答案：AB
2. (對(duì)電磁波譜的認(rèn)識(shí))電磁波包含了γ射線、紅外線、紫外線、無線電波等,按波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短的排列順序是(　　)
A.無線電波、紅外線、紫外線、γ 射線
B.紅外線、無線電波、γ射線、紫外線
C.γ射線、紅外線、紫外線、無線電波
D.紫外線、無線電波、γ射線、紅外線
答案：A
3. (麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用)(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線如圖所示時(shí),可能是(　　)
A.向上方向的磁場(chǎng)在增強(qiáng)
B.向上方向的磁場(chǎng)在減弱
C.向上方向的磁場(chǎng)先增強(qiáng),然后反向減弱
D.向上方向的磁場(chǎng)先減弱,然后反向增強(qiáng)
答案：AC
4. (電磁波的利用) (多選)目前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率多在200 MHz至1 000 MHz的范圍內(nèi)。下列關(guān)于雷達(dá)和電磁波的說法正確的是(　　)
A.真空中上述雷達(dá)發(fā)射的電磁波的波長(zhǎng)范圍在0.3 m至1.5 m之間
B.電磁波是由恒定不變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生的
C.測(cè)出從發(fā)射電磁波到接收到反射波的時(shí)間間隔可以確定雷達(dá)和目標(biāo)的距離
D.雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段
答案：ACD
課堂小結(jié)
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